Нефть и ее заменители: необходимое послесловие (продолжение)

Мы продолжаем разговор с директором Химического института им. А.М.Бутлерова В.Галкиным, 1-ю часть которого можно прочитать здесь.

- Владимир Иванович, а что сам Менделеев сделал для того, чтобы в топку не летели пачки ассигнаций?

- Начну с того, что в то время главным топливом был уголь – техника была, в основном, паровой. Но в крупных городах для освещения улиц и помещений широко использовался светильный газ, состоявший из 50% водорода, 34% метана, 8% угарного газа и других горючих газов. Он также был топливом в первом серийном двигателе внутреннего сгорания, изобретенном в 1859 г. бельгийцем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром (1822-1900). Этих двигателей было выпущено около 500, использовались они как стационарные и судовые, а также в локомотивах и прообразах автомобилей.

 Двигатель Ж.Ж.Э.Ленуара.

Сам светильный газ получали из каменного угля посредством пиролиза - термического разложения при недостатке кислорода. Во время этого процесса протекали химические реакции деполимеризации органической массы угля с образованием молекул с меньшей молекулярной массой и вторичных превращений, среди которых – конденсация, полимеризация, ароматизация и алкилирование. В итоге из угля получались газообразные, жидкие и твердые продукты, среди которых – светильный газ, каменноугольная смола (прим. авт.: рассказ об этом важном сырье будет ниже), облагороженный уголь для отопительных печей (он горел без дыма) и каменноугольный кокс, используемый в металлургии.

 Схема простейшего газогенератора.

- А как именно производился пиролиз угля?

- В газогенераторах – особого рода печах, где сжигание топлива проходило при недостаточном для его полного сгорания количестве кислорода. Причем, топливом может служить не только каменный, но и бурый уголь, а также торф, древесина и даже солома. Процессов газификации твердого топлива существует 4: прямой, обращенный, горизонтальный и двухзонный (комбинация прямого и обращенного).

Сейчас газогенераторы используются в химической промышленности, а также в тепло- и электросистемах. Раньше они широко применялись на автотранспорте, но с увеличением объема нефтедобычи, нужда в этом отпала. Впрочем, и сейчас находятся энтузиасты, устанавливающие газогенераторы на свои автомобили – их привлекает дешевизна и экологичность топлива.

 Знаменитая советская «трехтонка» «ЗиС-5» с газогенератором (бак перед кузовом).

 Немецкий легкий танк «Pz.I Ausf.A». Газогенератор установлен позади башни.

- Так что же, Менделеев предложил какой-то совершенный способ газогенерации?

- Да, и еще какой: он первым в мире предложил получать светильный газ непосредственно в угольных пластах посредством контролируемого подземного сжигания угля с откачкой выделяющегося газа по трубам.

- И его идея была применена на практике?

- Да, но уже после революции. Она получила практическое применение в начале 30-х гг. ХХ в. Тогда в СССР был серьезный дефицит энергоносителей, неприемлемый для быстро развивавшейся промышленности, поэтому предложенная Д.Менделеевым представляла немалый интерес.

Был построен ряд установок подземной газификации угля на нескольких месторождениях в Донецкой, Луганской и Ростовской областях, в Кузнецком угольном бассейне, а также на залежах бурого угля в Подмосковье. Они использовались долго - практически до начала разработки западносибирских нефтегазовых месторождений, а крупнейшая из них (Южно-Абинская в Кузбассе) успешно проработала 41 год - с 1955 по 1996!

А установка, начавшая работу в начале 60-х гг. ХХ в. на Ангренском месторождении бурого угля (Узбекистан) функционирует до сих пор. Сейчас она принадлежит австралийской компании Linc Energy. Ее мощность - около 500 млн. кубометров в год, ежегодный объем производства - 360 млн. кубометров. Добываемый там газ используется для получения электроэнергии.

- Ну, с угольным газом, коксом и бездымным углем все понятно. А использовали ли каменноугольную смолу?

- Разумеется, ведь это – очень ценное химическое сырье, по значению вполне сравнимое с нефтью. Из каменноугольной смолы можно, например, получить нафталин, олифу, толуол (входит в состав растворителей и взрывчатых веществ), пек (применяется в производстве гидроизоляции и рубероида), креозот, применяемый в медицине и для консервации дерева, а также бензол – сырье для некоторых лекарств, красок, пластмасс и синтетического каучука. Кстати, кроме того, бензол входит в состав нефти и, соответственно, бензина.

- Владимир Иванович, вернемся к подземной газификации угля. Она сегодня переживает ренессанс, вызванный ростом цен на нефть и газ, а также попаданию угля в «экологическую опалу» из-за высокой эмиссии СО2 при его сжигании. Расскажите, пожалуйста, как осуществляется этот процесс – так же, как в газогенераторах?

- Не совсем. Для подземной газификации в угольных пластах путем горизонтального направленного бурения либо гидроразрыва пласта делают реакционные каналы, в которые под давлением подают окислитель - раскаленный воздух либо смесь кислорода с водяным паром. Это вызывает в пласте очаг тления, в котором из угля выделяется смесь газов, которые выводятся на поверхность по вертикальным скважинам.

Для получения газа обычно пригодно до 80% содержащегося в пласте угля. А управляют процессом газификации, варьируя объем поступающего в пласт окислителя. Он зависит от состава, температуры и давления газов, которые постоянно мониторятся с помощью контрольной аппаратуры.

- Какие достоинства и недостатки есть у этой технологии?

- Основные преимущества: использование угольных пластов, традиционная разработка которых невыгодна (например, бурый уголь) или неприемлема из-за невозможности отчуждения больших земли под шахты и карьеры. Скважин для подвода окислителя и откачки газа для площади в несколько сотен квадратных километров нужно всего 100-300. Это в несколько раз меньше, чем при добыче, например, сланцевого газа.

К недостаткам можно отнести довольно высокую себестоимость газа, а также то, что для газификации годится не каждый пласт. Минимальная глубина его залегания должна составлять 30-150 м., максимальная - около 800. Толщина пласта - не менее 5 м. (чем мощнее пласт, тем ниже себестоимость газа), а зольность – не более 45%.

Впрочем, первые два недостатка за рубежом почти устранены: в этом году в канадской провинции Альберта будет реализован пилотный проект Swan Hills - газификация пласта, залегающего на глубине 1400 м., а в США уже идет пилотная газификация пластов мощностью 2 и 3.5 м.

Что же касается стоимости… В благоприятных условиях угольный газ может оказаться (при перерасчете теплотворной способности) дешевле сланцевого и даже природного газа. В США ее «вилка» - $1,7-7,7 за ГДж ($65,1-294,9 за 1000 кубометров природного газа, который сам, в среднем, стоит около $230 за 1000 куб. м.).

Самый дешевый газ добывает компания GasTech (США), которая с 2007 г. ведет газификацию пластов толщиной более 10 м. при глубине залегания от 150-610 м. (месторождение Powder River Basin на границе штатов Вайоминг и Монтана). А в китайском пилотном проекте ENN себестоимость угольного газа - $1-1,9 за ГДж ($38,3-72,8 за 1000 кубометров природного газа). На сегодня это - рекордный показатель.

Схема подземной газификации угольных пластов.

- Одним словом, перспективы использования угольного газа весьма значительны?

- Совершенно верно. Мировые запасы годного для газификации угля – около 860 млрд. т.  Но это лишь залежи, разработка которых рентабельна при нынешних технологиях. А когда появится возможность использовать пласты, которые лежат под морским дном… Подводные месторождения только у побережья Норвегии - 3 трлн. т!

Большой интерес эта технология вызывает в развивающихся странах, например, в КНР, Индии, Пакистане и Бангладеш – она способна решить их энергетические проблемы с минимальной нагрузкой на окружающую среду.

Дальше всех в этом продвинулись КНР и Пакистан. Китайская компания ENN запустила в провинции Внутренняя Монголия энергоустановку мощностью 5 МВт, использующую угольный газ, а вскоре должна появиться энергоустановка мощностью уже 1000 МВт. Снабжаться газом она будет из месторождения низкокачественного угля, расход которого может составлять 6 млн. т. в год в течение 25 лет.

В Пакистане дефицит электроэнергии стал национальным бедствием - страна удовлетворяет свои потребности на 50%. Но местная компания Sindh Energo Coal Mining вскоре введет в строй промышленную установку производительностью более 20 млрд. кубометров газа в год на месторождении бурого угля (174 млрд. т.) в пустыне Тар, недалеко от границы с Индией. На этом газе будет работать электростанция мощностью 100 МВт.

- Но угольный газ годен, в основном, для электростанций. В то же время, известно, что во время II Мировой войны немецкая армия эффективно использовала на автотранспорте синтетический бензин, получаемый из угольных газа и смолы. Угля в РФ - 19% от мировых запасов (3-е место в мире после США и КНР). В связи с этим вопрос: почему бы нам не топить печь деньгами - изготавливать моторное топливо из угля, а нефть использовать как химическое сырье?

- Синтетический бензин того времени уступал получаемому из нефти: в нем было больше посторонних соединений, да и его октановое число было ниже (высокооктановый авиационный бензин из угля делать тогда было вообще невозможно). Кроме того, его производство было сложным и дорогим.

Сейчас техника и технологии продвинулись вперед, что позволило некоторым странам освоить производство синтетического моторного топлива (из угля или природного газа) в промышленном масштабе. Например, в ЮАР, по отношению к которой действовали экономические санкции из-за режима апартеида, в 60-80-х годах успешно делали топливо из угольного газа. В Новой Зеландии фирма «Mobil» ежегодно синтезирует 570 тыс. т. моторных топлив. Но пока синтетические виды топлива в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных.

Впрочем, австралийская компания Linc Energy в 2008 г. запустила проект Chinchilla по преобразованию угольного газа в жидкое топливо. Ее первоначальная производительность составляла 20 баррелей (1 баррель – 159 литров) в сутки, но сейчас завершено строительство установки, которая будет выдавать до 20000 баррелей.

Стоимость ее продукции (в нефтяном эквиваленте) составит около $30 за баррель - намного дешевле продающейся сейчас нефти. Причем, качество этого топливо очень высоко. Это подтвердил личным примером глава Linc Energy Питер Бонд, успешно совершивший полет вокруг Австралии на самолете, использующем синтетический авиакеросин.

Немецкий тяжелый тягач «Krupp Sd.Kfz 8»…

 и легкий командирский автомобиль «Volkswagen Typ 82» (он же «Kubelwagen») работали на синтетическом бензине.

- Владимир Иванович, так чего же, все-таки, ждет Россия? Объем разведанных запасов угля - 193 млрд. т. (бурый - 101 млрд. т., каменный - 85,3 млрд. т., в том числе коксующийся - 39,8 млрд. т. и антрацит - 6,8 млрд. т.). Почему сокровища лежат втуне?

- Для того, чтобы использовать их, нужна серьезная модернизация топливно-энергетического комплекса страны, требующая огромных капиталовложений. Кроме того, как уже говорилось, у нас огромные запасы высоковязких нефтей и природных битумов. Проблемы, связанные с их добычей, транспортировкой и переработкой, решать гораздо проще и дешевле - они более связаны с нашей развитой нефтяной промышленностью.

Алексей Стаханов (1905-1977). Может быть, через какое-то время работа его наследников вновь будет важнее, чем работников нефтедобывающей отрасли.

Тем не менее, забывать об угле тоже не стоит. Но пока он пусть полежит в закромах, а добываемый пусть используется для других целей.