Мы и уголь
«Я разный —
я натруженный и праздный.
Я целе-
и нецелесообразный...»
Эти строки из давнего стихотворения Евгения Евтушенко «Пролог» применимы к ископаемому углю — каменному и бурому, коксующемуся и некоксующемуся, к углю донецкому, дорогому и трудоемкому, и к углю канско-ачинскому, который «хоть лопатой греби», разрабатываемому в карьерах на протяжении многих километров вдольТранссибирской магистрали.
Сегодня угли Канско-Ачинского бассейна — самое дешевое горючее ископаемое если не в мире, то уж во всяком случае в нашей стране. А в недалеком будущем канско-ачинские угли на месте добычи будут обходиться намного дешевле тюменского газа. Производительность труда в этом бассейне может быть в 30 раз выше средней по отрасли. Недаром же в «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы» особо указывается: «Развернуть работы по ускоренному созданию Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса» и предусматривается «строительство крупных тепловых электростанций, работающих на углях Экибастузского и Канско-Ачинского бассейнов».
Между тем Канско-Ачинский бассейн не самый богатый в нашей стране. По меньшей мере два бассейна — Ленский и Тунгусский — значительно превосходят его по разведанным запасам угля.
Главное же в том, что, хотим мы того или нет, но будущее энергетики и химии нельзя не связывать с углем: почти девять десятых энергии, заключенной в горючих ископаемых всех видов, скрыты именно в угле.
1. УГОЛЬ И ЭНЕРГЕТИКА
В топливных балансах разных стран разные ископаемые топлива занимают разное положение. Вот уже двадцать лет, с 1958 года, СССР по добыче угля принадлежит первое место в мире. Добыча нефти и газа растет быстрее добычи угля, и тем не менее для тепловой энергетики уголь остается главным топливом.
И нефть, и газ, как правило, калорийнее угля, но основная масса переработанной нефти идет в двигатели внутреннего сгорания, а газа — на отопление жилых и производственных зданий. Практически беззольный газ загрязняет атмосферу городов намного меньше, чем угли. Впрочем, и газ как источник энергии недостаточно чист — в новых районах Москвы и других городов на смену газовым плитам приходят электрические. А это — опять же уголь! Больше четырех пятых вырабатываемой в нашей стране электроэнергии «родятся» на тепловых паротурбинных электростанциях и ТЭЦ. В их топках сгорает почти половина добываемого в стране угля. Другая половина идет в металлургию (кокс), химию и другие отрасли.
А теперь, читатель, вооружитесь карандашом и вниманием, покопайтесь в таблицах. Информации к размышлению в них — предостаточно.
| Год | Всего | В том числе | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Нефтегазовый конденсат | Газ | Уголь | Торф | Сланцы | Дрова | ||
| 1913 | 48,2 | 14,7 | — | 23,1 | 0,7 | — | 9,7 |
| 1928 | 54,2 | 16,6 | 0,4 | 28,2 | 2,2 | — | 6,8 |
| 1940 | 237,9 | 44,5 | 4,4 | 140,5 | 13,6 | 0,7 | 34,2 |
| 1960 | 692,8 | 211,4 | 54,4 | 373,1 | 20,4 | 4,8 | 28,7 |
| 1975 | 1590,3 | 701,8 | 345,7 | 490,4 | 16,9 | 11,7 | 23,8 |
| Страна | 1960 г. | 1965 г. | 1970 г. | 1974 г. | 1976 г. |
|---|---|---|---|---|---|
| СССР | 509 | 545 | 577 | 684 | 701 |
| США | 394 | 478 | 556 | 582 | 580 |
| ФРГ | 245 | 244 | 225 | 217 | 165* |
| ПНР | 114 | 141 | 173 | 202 | 211 |
| Великобритания | 194 | 199 | 143 | 109 | 122 |
| Всего в мире | 2600 | 2781 | 2926 | 3040 | Около 3000 |
| Бассейн | Добыча за 1975 г. | Разведанные запасы (на 1.1.1975) |
|---|---|---|
| Донецкий | 223,0 | 54 945 |
| Кузнецкий | 137,6 | 66 451 |
| Карагандинский | 46,3 | 7 537 |
| Подмосковный | 34,1 | 4 394 |
| Канско-Ачинский | 27,9 | 74 335 |
| Печорский | 24,2 | 8 567 |
| Год | В шахтах | В карьерах | Всего |
|---|---|---|---|
| 1913 | 29,0 | 0,2 | 29,2 |
| 1940 | 159,6 | 6,3 | 165,9 |
| 1960 | 407,6 | 102,0 | 509,6 |
| 1975 | 475,5 | 225,8 | 701,3 |
| Годы | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1940 | 1950 | I960 | 1970 | 1975 | 1980 (план) |
| 645 | 590 | 468 | 367 | 340 | 325—328 |
Краткий комментарий к таблицам З и 4.
Как видим, больше всего угля дает стране сравнительно небольшой и относительно небогатый Донбасс. Как говорится, за морем телушка — полушка.
И еще: как видим, до сих пор доминирует шахтный способ; правда, доля открытой добычи растет опережающими темпами.
В свое время большие надежды возлагались на ПГУ — подземную газификацию угля. Идея превращения угля в горючий газ под землей впервые была высказана еще Д.И. Менделеевым в 1888 году. Опытные и опытно-промышленные установки ПГУ сооружались в разных странах. Сейчас есть и промышленные, например Ангренская у нас в Средней Азии. Однако полноценной заменой шахтной добыче угля эти установки так и не стали, массового промышленного применения ПГУ не нашла. Главная тому причина — сравнительно малая калорийность образующегося газа, около 1000 ккал/м3, и еще — большие потери тепла, рассеивающегося в недрах.
Таблица 5 убеждает, что эффективность сжигания топлива растет, хотя и не так быстро, как хотелось бы. Что же до себестоимости 1 квт⋅ч электроэнергии, то она составляет величину порядка копейки и на угольных, и на газовых, и на мазутных тепловых электростанциях.
2. УГЛЕХИМИЯ: ДЕНЬ ВЧЕРАШНИЙ
 |
|
Иногда из угля делают и произведения искусства. Эта ваза высечена из бурого угла польскими горняками и подарена советским коллегам ко Дню шахтера. В этом году День шахтера отмечается 17 августа |
Первым углехимиком мира был, наверное, полулегендарный британец Дад Дадли. Если верить преданию, это он, Дадли, еще в XVI веке нашел, что при нагревании без доступа воздуха некоторые из черных ископаемых углей превращаются в серебристо-серый звонкий кокс. Тем самым не очень хороший природный восстановитель металла был превращен в значительно более универсальный и удобный рукотворный продукт, а природное топливо — в искусственное. Промышленного значения изобретение Дадли не имело — лесов в Англии было еще достаточно, и, сам он кончил плохо — его убили конкуренты, выжигавшие древесный уголь для нужд металлургии.
Через двести лет в серецине XVIII века, другой британец, Абрахэм Дерби, изобрел коксование вторично. Поскольку леса в Европе к тому времени изрядно поредели, его изобретение пришло в металлургию. Кокс стал основным топливом для доменных печей, главным восстановителем железа в чугуноделательном процессе.
До середины XIX века в коксовых печах получали лишь два целевых продукта: собственно кокс и коксовый газ. Позже, в 1889 году, в России был построен первый завод, на котором стремились улавливать еще три продукта — каменноугольную смолу, аммиак и сырой, с примесями, бензол. Завод вскоре закрыли — на бензол и его гомологи не было спроса, хотя уже были известны и зининский процесс превращения бензола в анилин, и нитрование толуола — тем самым ближайший гомолог бензола превращался в промышленное и боевое взрывчатое вещество.
Толуол и бензол — компоненты каменноугольной смолы. Эта смола — удивительный концентрат многих органических веществ: из нее можно выделить крезолы и пиридин, антрацен и фенолы — всего не перечислить. До 10% массы каменноугольной смолы приходится на нафталин.
Что же касается коксового газа, то он богат водородом (до 60%); еще 20—30% его объема приходится на долю метана, 5—7% — окиси углерода, 2—3% — ненасыщенных углеводородов. Есть в нем и аммиак, доля которого до 0,3% от массы шихты. Часть аммиака растворяется в водном конденсате — так называемых надсмольных водах, другая часть остается в коксовом газе.
Очевидно, коксовый газ — не только вполне пристойное горючее, но и достаточно ценное химическое сырье. Надсмольные воды — тоже. Для нашей страны они стали основным источником очень важного для полупроводниковой техники рассеянного элемента германия. В надсмольных водах коксохимических производств его, как правило, больше, чем в минералах и горных породах. Германий из этих вод сначала осаждают в виде танидных комплексов, а затем переводят в концентрат, содержащий до 45% GeO2.
Всего в недавнем прошлом коксохимия давала около сотни разнообразных химических продуктов.
3. УГЛЕХИМИЯ: ДЕНЬ ЗАВТРАШНИЙ
Ни в одной стране мира нет министерства углеперерабатывающей и углехимической промышленности. Аналогичные министерства, ведающие химической переработкой нефти, есть, и это косвенное свидетельство примата нефтехимии над коксо- и углехимией.
Отчасти «виновен» в этом сам уголь, два его свойства — твердое агрегатное состояние и сравнительно малое содержание водорода. Именно из-за нехватки водорода трудно получать из угля углеводородные моторные топлива. К тому же калорийность нефти как горючего значительно выше, чем лучших сортов угля, а продукты сгорания последнего, как правило, загрязняют атмосферу сильнее, чем продукты сгорания нефтяных горючих. Это следствие относительно большего элементного разнообразия углем в сравнении с нефтью (в угольной золе обнаруживают до 60 химических элементов).
Однако главными причинами пребывания угля на первых или вторых ролях всегда были причины экономические.
В конце сороковых — начале пятидесятых годов нынешнего столетия были открыты богатейшие нефтяные месторождения Ближнего Востока (Гавар, Сафания, Манифа и другие). В шестидесятых годах в полный голос заявили о себе нефтяные и нефтегазовые месторождения Западно-Сибирской равнины. Нефть становилась доступнее, дешевле, чем прежде, и, по мере того как росла ее добыча, сокращалась доля угля в энергетических балансах многих стран.
И как-то сразу забылось, что перед первой мировой войной промышленность органического синтеза базировалась на продуктах переработки коксующегося угля и пищевом сырье, что во время второй мировой войны часть германской техники работала на жидком топливе, изготовленном из твердого... Теперь эти работы были оставлены, финансирование их практически прекратилось.
Отрезвление пришло с энергетическим кризисом. За семидесятые годы нефть на мировом рынке подорожала как минимум в пять раз, цена ее достигла 90—100 долларов за кубометр (при плотности 0,73—1,04; легкая нефть дороже). Уголь — хотя и на него цены тоже вздули — намного дешевле: в среднем 15—20 долларов за тонну энергетического угля. Лучшие коксующиеся угли примерно втрое дороже средних и все равно вдвое дешевле нефти.
В глубокой химической переработке угля, в превращении хотя бы части его в жидкие моторные и котельные топлива видят один из путей преодоления тягот энергетического кризиса. Не случайно из 400 миллионов долларов, отпущенных в США в нынешнем году на разработку перспективных проблем энергетики, почти 200 миллионов выделены на работы, так или иначе связанные с углем (газификация угля— 19%, ожижение угля—16%, другие методы переработки все того же угля—12%) — Для сравнения укажем, что на модные МГД-генераторы собираются потратить лишь 7,8% указанной суммы.
В ход идут в основном старые, давно известные приемы: газификация, превращение угля в жидкое топливо с параллельной гидрогенизацией (насыщением водородом), но — на качественно новой основе. Новое — это более глубокое расщепление макромолекул угля и разделение продуктов его переработки, более полное и комплексное использование не только органической части угля — угольного месторождения в целом.
 |
|
На этой диаграмме — области условий уже разработанных и возможных процессов ожижения угля: 1 — по мнению специалистов американской фирмы «Энсон»; 2 — старые, тридцатых—сороковых годов. данные германского концерна «ИГ Фарбениндустри»; 3 — селективные условия (по данным «Энсон»); 4 — смешанная технологи» Института горючих ископаемых АН СССР |
С ростом механизации добычи угля растет количество угольной мелочи и пыли. Они в значительной мере пропадают напрасно, не попадая ни в топки, ни на химическую переработку. И кроме того, загрязняют окружающую среду, создают опасность пожаров и взрывов.
Разработанные сравнительно недавно под руководством члена-корреспондента АН СССР Л.М. Сапожникова научные основы непрерывного коксования слабококсующихся и так называемых газовых углей позволяют не только увеличить производство кокса, расширить его сырьевую базу, но и в значительной мере решить проблему угольной мелочи. Именно из нее этим методом получают бездымное кусковое топливо, прежде всего для нужд черной металлургии. Такое топливо дороже обычного энергетического угля, но преимущество бездымности, преимущество сохраненных на будущее энергетических ресурсов очевидны.
Дифференцированный подход к ископаемым углям, к потенциальным возможностям каждого угольного бассейна сегодня стал необходимостью.
Экибастузский бассейн расположен на востоке Казахстана. Этому месторождению отводится значительная роль в энергообеспечении Урала и Центра — ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли постановление «О создании Экибастузского топливно-энергетического комплекса и строительстве линии электропередачи постоянного тока напряжением 1500 киловольт Экибастуз — Центр».
В прошлой пятилетке Экибастуз дал наибольший прирост добычи из всех угольных бассейнов Советского Союза. Есть возможность увеличивать ее и в дальнейшем, причем прогрессивным открытым способом. Здесь очень благоприятны горно- геологические условия — пласты залегают полого, на небольшой глубине. Как говорят горняки, вскрыша минимальна…
И в то же время известно, что в экибастузском угле велика — до 40% массы — зольная часть, что он требует обогащения. С одной стороны, это плохо — лишняя технологическая стадия отнюдь не делает дешевле продукцию Экибастузского бассейна. Но с другой стороны, этот недостаток можно обратить и на пользу. В конечном счете неорганика углей, зола, — это сумма окислов многих полезнейших элементов; для неорганической части экибастузских углей характерно преобладание соединений алюминия при почти полном отсутствии фосфора и железа. А это значит, что здешний уголь может быть полноценным сырьем для производства строительной и огнеупорной керамики, цемента, силуминов — сплавов алюминия с кремнием. Вот почему планируется комплексная физико-химическая переработка экибастузского угля на месте добычи с превращением органической его части в электроэнергию на мощных тепловых электростанциях. Плюс газификация отходов добычи. Плюс развитие строительной индустрии.
«ЛЭП-500 — непростая линия» — слова из известной песни. Что же тогда сказать о строящейся ЛЭП-1500?
Вновь становится жизненно важной проблема получения из угля жидких моторных топлив. Не секрет, что с каждым годом их требуется все больше, что в этой пятилетке суммарная мощность выпускаемых в нашей стране тракторов будет больше суммарной мощности новых электростанций, что автомобильный парк растет на нашей планете быстрее, чем народонаселение.
И нужен не просто метод — их известно немало, нужны методы, позволяющие в промышленных масштабах получать жидкое топливо, качество и себестоимость которого были бы соизмеримы с соответствующими характеристиками нефтяного горючего. Когда мы разговаривали об этом с директором Института горючих ископаемых доктором технических наук А.А. Кричко, он заметил, что прежние процессы ожижения угля требовали температур в 500—800°С и давлений в сотни атмосфер. Сейчас экономически приемлемыми считаются те из них, в которых температура не превышает 400°С, а давление — 100 атмосфер.
В ИГИ разработан процесс получения жидкого топлива из угля (70% по массе) и нефти (30%). Нефть служит одновременно источником водорода и растворителем. Условия процесса (давление, температура) укладываются в экономически приемлемый диапазон, катализаторы не дефицитны. Схема этого процесса показана на рисунке. Есть у института и чисто угольные, безнефтяные разработки, но подробно рассказывать о них еще рано. Одновременно идет углубленное изучение процессов термодеструкции угля и переноса водорода в плотной угольной массе.
 |
|
Схема производства жидким топлив из угля (70%) и нефти (30%), разработанная в Институте горючих ископаемых. В четырехугольных рамках — названия технологических операций и аппаратов, в кругах — целевые и побочные продукты. |
Имея дело с углем, нельзя ориентироваться лишь на один, пусть даже самый лучший, самый эффективный процесс, лишь на одно научно-техническое решение. Слишком велики масштабы проблемы, слишком сложно, разнообразно, разновещественно это понятие — ископаемый уголь.
Познание его продолжается.
Черное золото
Владимир Высоцкий
Не космос — метры грунта надо мной.
И в шахте не до праздничных процессий.
Но мы владеем тоже внеземной
И самою земною из профессий.
Любой из нас, ну чем не чародей.
Из преисподней наверх уголь мечем.
Мы топливо отнимем у чертей.
Свои котлы топить им будет нечем.
Припев:
Взорвано, уложено, сколото
Черное надежное золото.
Да, сами мы, как дьяволы, в пыли.
Зато наш поезд не уйдет порожним —
Терзаем чрево матушки-Земли,
Но на Земле — теплее и надежней.
Вот вагонетки, душу веселя.
Проносятся, как в фильме о погонях.
И шуточку: «даешь стране угля» —
Мы чувствуем на собственных ладонях.
Припев
Воронками изрытые поля
Не позабудь и оглянись во гневе.
Но нас благословенная Земля
Простит за то, что роемся во чреве.
Не бойся заблудиться в темноте
И захлебнуться пылью — не один ты.
Вперед и вниз! Мы будем на щите.
Мы сами рыли эти лабиринты.
Припев:
Взорвано, уложено, сколото.
Черное надежное золото.
Взорвано, уложено, сколото
Черное надежное Золото.