CC BY
26№25,2019
В
ЕЩЁ РАЗ ОБ УГЛЕ
Владимир Алексеевич Кузьминов
Действительный член Всемирной академии искусств и наук, Россия kuzminov.v@gmail.com
Михаил Георгиевич Беренгартен
Профессор Московского политехнического университета, Россия berengarten@mail.ru
Аннотация: В статье изложена история открытия и использования угля. Представлены данные о запасах угля и его положение в мировом топливно-энергетическом балансе. Приведены основные направления неэнергетического использования угля.
Ключевые слова: уголь, парниковый эффект, неэнергетическое использование угля, мировой энергетический баланс.
Опубликованная в 23-ем выпуске журнала статья «Экологические проблемы добычи и переработки угля»*, написанная одним из авторов настоящего материала, закончилась обещанием привлечь внимание читателей к вопросам использования угля, отличного от энергетического и способного продлить его службу человечеству на многие десятилетия, а может быть и на несколько столетий.
* М. Беренгартен, Экологические проблемы добычи и переработки угля/ /Энергетический вестник, №23, 2017, с.
Уголь, как источник тепловой энергии, использовался человечеством с незапамятных времён, а вернее с тех пор как человек начал свою миграцию на нашей планете из тёплых мест своего обитания в северные широты с более холодным климатом, где для обитания требовалась не только тёплая одежда, но и жилища, которые нужно было обогревать в холодное время года. Конечно, изначально для этих целей использовались дерево, древесный уголь и различные виды биомассы в виде отходов жизнедеятельности и прежде всего производства продуктов питания. То есть всё то, что имело в своём составе углерод, а, следовательно, горело и давало тепло и свет и имелось на поверхности Земли. Однако вскоре люди обнаружили в различных местах «черные камни», которые отлично и дольше горят по сравнению с деревом, а значит дают больше тепла для обеспечения жизни в местах, где жизнь без надёжных источников тепла не представлялась удобной, а также для изготовления предметов быта.
Согласно истории ископаемого и неископаемого угля (в дальнейшем «уголь») его использование было начато три тысячелетия назад в Китае, а впервые оно было описано в письменных свидетельствах третьего века до нашей эры, дошедших до сегодняшнего времени из древнего Китая и античной Греции. Вместе с тем потребовалось много сотен лет для того, чтобы уголь занял свое важное место в жизни человечества. Долгое время он проигрывал древесине и её продуктам по ряду причин и прежде всего из-за того, что температура его воспламенения гораздо выше, чем у древесины, а также из-за высокого содержания в нём соединений серы и других компонентов, извлечение которых из-за отсутствия соответствующих знаний долгое время не представлялось возможным. Наличие большого количества дыма, как результат горения угля, также было серьёзным сдерживающим фактором в расширенном использовании угля.
Вместе с тем этот энергоноситель послужил «двигателем» промышленной революции, приведшей к созданию на нашей планете индустриального общества. Путь угля к своей гла-
34-40.
Доказанные запасы угля на 2016 год в млн. тонн.
Страна Каменный уголь* Бурый уголь** Всего %
США 108501 128794 237295 22,1 %
Россия 69634 90730 160364 14,1 %
Китай 230004 14006 244010 21,4 %
Австралия 68310 76508 144818 12,7 %
Индия 89782 4987 94769 8,3 %
МИР 816214 323117 1139331 100%
Источник: BP Statistical Review of World Energy 2017
венствующей роли в этом процессе не был гладким и сопровождался проблемами, которые носили объективный и субъективный характер. Прежде всего, в обществе не хватало технологических и практических знаний для эффективного использования угля, а во-вторых, имелось сопротивление внутри общества, препятствующее замене древесины и древесного угля в быту в виду вышеупомянутых факторов. Появление в Европе крупных металлургических и металлообрабатывающих производств, использующих изначально древесный уголь, который требовал расширенного использования ресурсов лесов, что приводило к быстрому их сокращению, дало рождение угля в качестве основного источника энергии в этих производствах. А было это связано с открытием немецким химиком И. Бехером в конце 17 века процесса коксования угля, что более полно раскрыло его энергетические и другие возможности.
С этих пор началось бурное развитие угольной промышленности, которая заключила в себя поиск, извлечение, транспортировку и переработку этого ценнейшего ископаемого сырья.
Длительное время геологические исследования недр Земли были связаны с поиском нахождения угля, оценкой его ресурсов, пригодных для разработки, а также потенциально пригодных для использования, разработка которых во время их открытия не представлялась целесообразной ввиду отсутствия технологических и экономических возможностей. Поэтому запасы угля на нашей планете были и продолжают быть классифицированы как до-
* Каменным углём здесь представлены антрациты и битуминозы.
** Бурым углём представлены суббитуминозы и бурый уголь.
казанные и пригодные для разработки, а также потенциально возможные для использования или ресурсы. Эти два показателя угольных запасов значительно разнятся друг от друга, однако в связи с разработкой новых методов и технологий геологоразведочных работ и добычи угля этот разрыв сокращается, и многие месторождения, использование которых в недавнем прошлом не представлялось возможным, успешно используются в настоящее время и естественно включены в разряд доказанных и пригодных для разработки. Сейчас совершенно очевидно, что на всех континентах Земли и большинстве островов Мирового океана имеются месторождения угля. Конечно они различны по своим размерам, виду и качеству этого ископаемого энергоносителя.
Выше приводятся данные о доказанных запасах угля по состоянию на 2016 год в странах, обладающих наиболее значительными запасами, а также в мире. Необходимо отметить, что значительные запасы угля имеются в более чем 30-ти странах, расположенных на всех континентах.
В большинстве данных производится разделение запасов угля на два основных вида последнего, а именно каменного и бурого. Как видно из вышеприведённой таблицы они разнятся по своим запасам и в этой классификации первенствует каменный уголь, включающий в себя антрацит и битуминозы, которые в классификации углей в настоящее время рассматриваются как каменные. Он главенствует и по своей энергетической ценности. Считается, что каменный уголь является производным от
В ENERGY BULLETIN
бурого под воздействием ряда геологических факторов и химических процессов, приводящим к обогащению бурых углей углеродом и потере им таких веществ как кислород и водо-содержащие соединения, образующие оксиды углерода, воду и метан. Ценность каменного угля определяется не только высокой по сравнению с бурым теплоценностью, но и пониженной зольностью, более плотной структурой, пониженной влажностью, а также низким содержанием азота и серы. Один из видов каменного угля, получивший название антрацит, считается самым лучшим твёрдым ископаемым топливом и ценнейшим сырьём для углехими-ческой и металлургической промышленности.
По оценкам рабочей группы по углю Комитета по энергетике Европейской экономической комиссии ООН, в настоящее время уголь обеспечивает примерно 27% всего мирового производства энергии. Еще выше его значение в электроэнергетике - с использованием угля производится примерно 44% всей электроэнергии [1].
Как было показано в вышеупомянутой статье, опубликованной в 23-ем номере Энергетического вестника, мировое производство и потребление угля слабо меняется вот уже на протяжении последних 50-ти лет. Это свидетельствует о весьма прочном положении угля в мировой энергетике, а также в других отраслях экономики. Более того, в конце 70-х и до середины 80-х годов ХХ века уголь после его некоторого забвения ввиду выхода на «энергетическую» сцену сначала нефти, а потом природного газа, помог человечеству преодолеть энергетический кризис, и обеспечить довольно «гладкое» преодоление связанных с кризисом экономических трудностей во многих странах мира. По данным Статистического обзора мировой энергетики British Petroleum (BP) 2017 года мировое производство угля с 2005 по 2015 год ежегодно росло на 2,5%, а потребление на 1,9%. Однако после принятия Парижского соглашения по климату наметилось сокращение как его производства, так и потребления. С 2015 по 2016 год эти показатели соответственно равнялись - 6,2% и -1,7%. В прошлом году США, являющиеся одним из главных производителей угля в мире, вышли, а в 2018 году подтвердили выход из соглаше-
ния, что может изменить вышеприведённые показатели. А вот Германия совсем недавно объявила своё решение о готовности принятия в 2019 г. плана о полном прекращении использования угля для производства энергии, хотя не ясно, сколько лет будет отведено для этого процесса.
Чем же были вызваны кризисные явления в мировой энергетике почти полвека назад? Прежде всего, социально-экономические и геополитические изменения на планете и установление суверенитета над природными ресурсами рядом стран, обладающих значительными запасами нефти, которая являлась почти половину 20-го столетия главенствующей составляющей в мировом энергетическом балансе, а также понимание ограниченности этих запасов, привели в конечном итоге к серьёзным трудностям не только в энергетике, а также, как это отмечалось выше, во всех отраслях экономики. Эта ситуация заставила мировое сообщество задуматься о диверсификации энергетического сектора с привлечением в него возобновляемых источников энергии, которые в то время именовались, как альтернативные, с развитием атомной энергетики. Тут-то и вспомнили в большинстве стран об угле, его практически неисчерпаемых запасах, высокой энергетической ценности и других, весьма привлекательных, чертах. И хотя в этот период не наблюдалось увеличения добычи и потребления угля, особенно в энергетике, резко повысилась эффективность его использования за счёт разработки и внедрения новых технологий его подготовки и использования в энергетических установках, а также ввиду улучшения его экологического качества.
В это время была принята концепция развития угольной энергетики, основанной на «чистых технологиях» его использования, которую можно сформулировать следующим образом: «улучшение экологической приемлемости угля требует разработки и внедрения технологий, которые в дополнение к сокращению и полной ликвидации «традиционных загрязнителей» окружающей среды приведут к увеличению термической эффективности, которая неизбежно приведёт к сокращению выбросов диоксида углерода, одного из основных газов, имеющих парниковый эффект».
Следует отметить, что международное научно-техническое сообщество, имеющее отношение к энергетике и смежными с ней областям, поддержанное политическими и предпринимательскими кругами большинства стран, с пониманием приняли эту концепцию, что привело к всплеску проведения исследований, способствующих её реализации, а также к укреплению международного сотрудничества по различным направлениям использования угля. Семидесятые и восьмидесятые годы прошлого столетия были действительно богаты не только новыми идеями по энергетическому использованию угля, но и результатами научно-технологических разработок, внедрение которых позволило перевооружить угольную промышленность и приблизить её к состоянию соблюдения экологических требований, предъявляемых обществом ко многим отраслям промышленности и другим сферам деятельности человечества. Стоит в этой связи вспомнить, что успешно была решена проблема кислотных дождей, выбросов в атмосферу твёрдых фракций продуктов сгорания угля, не говоря уж о значительном повышении эффективности угольных энергетических установок. В большинстве случаев использования угля очистка продуктов сгорания от «традиционных» загрязнителей достигла 99%. Однако проблема улавливания и «складирования» СО2, несмотря на ряд довольно успешных разработок, не была полностью решена и, видимо, и сейчас находится на стадии весьма далёкой от решения.
Необходимо отметить в этой связи очень продуктивное международное сотрудничество и важную роль некоторых международных организаций в его развитии. Учитывая, что эта статья подготавливается для публикации в журнале, издаваемом Международным центром устойчивого энергетического развития под эгидой ЮНЕСКО, хочется вспомнить важные инициативы ЮНЕСКО, направленные на улучшенное понимание международным сообществом роли и потенциальных возможностей угля в социально-экономическом развитии человечества. Ряд научно-технических мероприятий
различного масштаба, проведённых в сотрудничестве с ЮНИДО*, МИРЭС**, ЮНЭП***, ЕЭК ООН**** и крупными исследовательскими энергетическими центрами государств-членов безусловно внес важный вклад в разработку и реализацию концепции «чистых угольных технологий». Он также дал возможность подготовки под эгидой ЮНЕСКО учебного модуля «Чистые угольные технологии», предназначенного для специалистов энергетиков, а также для экспертов, вовлеченных в процесс подготовки принятия решений, касающихся вопросов развития энергетики.
Однако в последнее десятилетие прошлого столетия международным сообществом была выработана концепция устойчивого энергетического развития, в котором главенствующее положение призвана занять возобновляемая энергетика. Последняя сумела продемонстрировать свою растущую конкурентоспособность на энергетических рынках, а главное очевидные возможности повлиять на смягчение последствий «парникового эффекта», вызванного повышенной концентрацией некоторых газов, включая диоксид углерода, в атмосфере в результате использования угле-содержащих топлив. В этой связи использование угля в качестве энергоносителя попадает в весьма неблагоприятные условия, и с ростом доли возобновляемой энергетики в мировом энергетическом балансе его энергетическая роль будет неуклонно уменьшаться. Более того, в настоящее время активно развиваются находящие поддержку среди широких кругов нашего общества стремления к переходу на низкоуглеродную или даже безуглеродную или бестопливную энергетику. Эта ситуация может привести к сокращению, а в некоторых случаях и прекращению добычи угля. С одной стороны, это явление могло бы полностью соответствовать концепции устойчивого развития, направленного на сохранение ресурсов природы, к которым относятся запасы угля, для грядущих поколений, а с другой может привести к серьёзным социально-экономическим конфликтам. Нужно отметить, что за всю
Организация Объединенных Наций по промышленному развитию.
Мировой энергетический совет (во времена, упомянутые в статье, эта организация называлась «Всемирная энергетическая конференция»).
Программа ООН по вопросам окружающей среды. Европейская экономическая комиссия ООН.
*
***
В ENERGY BULLETIN
Рис. 1. Основные продукты, которые могут быть получены из угля.
историю угольной промышленности не было зафиксировано ни одного геополитического конфликта, правда в памяти не только угольщиков и широких кругов международного сообщества сохранится видимо на долгие годы двухлетняя забастовка шахтёров в Великобритании в середине 80-х годов, вызванная решением правительства о закрытии ряда нерентабельных шахт, в результате чего более 20-ти тысяч работников угольной промышленности лишились работы. Статистика даёт данные только об уволенных шахтёрах, однако общее число пострадавших от закрытия шахт видимо было значительно больше, так как социально-экономические структуры, сформировавшиеся вокруг угледобывающих предприятий, также лишились своего использования и занятые в них люди также потеряли работу. В этой связи, принимая решения, касающиеся сокращения добычи угля или полного закрытия шахт, необходимо помнить, что угольные производства являются ядрами формирования промышленных районов практически во всех углепроизводящих странах и соответствующих социальных структур для обслуживания всех сфер экономической деятельности
в этих местах. Поэтому сокращение добычи угля должно сопровождаться перепрофилированием производственных мощностей, научно-учебных институтов и других частных и общественных организаций, связанных напрямую или косвенно с углём. Все эти процессы должны быть учтены в краткосрочных и долгосрочных планах развития угледобывающих районов.
Вместе с этим необходимо помнить, что уголь является ценным сырьём не только топливного назначения, но и содержащим огромное количество минеральных составляющих, что может ещё надолго продлить службу угля человечеству. Хорошо известно крылатое выражение знаменитого русского химика Д.И. Менделеева, касающееся нефти: «....нефть не топливо, топить можно и ассигнациями», относящееся к тому времени, когда основным нефтепродуктом был только осветительный керосин. Оно может в полной мере быть отнесено к углю. Если концепция использования угля в качестве неэнергетического сырья будет принята в нашем обществе, многие будущие поколения будут полностью обеспечены жизненно необходимыми продуктами.
Рис. 2. Схема непрерывного коксования угля.
Неполное представление этих продуктов представлено на рис. 1.
Важнейшими направлениями неэнергетического использования угля уже в течение весьма длительного срока являются:
- коксование угля;
- пиролиз угля;
- газификация угля.
Современное развитие этих процессов связано одновременно и с некоторыми новыми направлениями, близкими по своей химической сути, но использующими в качестве сырья различного вида отходы, прежде всего твердые коммунальные отходы.
Коксование угля, заключающееся в его высокотемпературной обработке (постепенном нагревании до 950-1050°С) без доступа воздуха, возникло в 18 веке, когда истребление лесов для получения древесного угля, первоначально шедшего на выплавку чугуна, стало угрожающим и потребовалось заменить этот уголь минеральным топливом. В 1735 г. в Великобритании была проведена первая доменная плавка на коксе.
Важным продуктом коксования угля помимо кокса является коксовый газ, с одной стороны - источник каменноугольной смолы, сырого бензола и толуола, с другой стороны -источник топливного газа, состоящего из водорода, оксида углерода и метана, одновременно используемого и как синтез-газ для различных химических синтезов, в т.ч. и для синтеза жидких низкомолекулярных углеводородов.
Процесс коксования как правило осуществляется в коксовых печах периодического действия в силу его значительной длительности (20-30 ч.), но разработаны и технологии непрерывного коксования (см., например, рис. 2). Основные разработки последних лет по непрерывному коксованию относятся, правда, в основном к непрерывному коксованию при получении нефтяного кокса.
Близки к технологии коксования технологии пиролиза угля [2]. В последние годы стали широко распространяться технологии пиролиза твердых коммунальных отходов, при котором, в отличие от сжигания мусора, в атмосферу не выбрасываются ни газообразные, ни твердые продукты го-
№25,2019
В
рения, а из углеводородной части отходов получают кокс, топливный или синтез-газ.
Широкое развитие получают и процессы газификации твердого топлива, первоначально появившиеся еще в XIX веке [3]. Газификация угля, заключающаяся, в отличие от коксования или пиролиза, в окислительной высокотемпературной обработке угля (с помощью воздуха, водяного пара, их смеси или иных окислителей), позволяет получить:
— заменители природного газа;
— синтез-газ для различных химических синтезов;
— топливные газы для технологического и энергетического сжигания;
— восстановительный газ для металлургических целей, например, для прямого восстановления железной руды.
Совершенствованию процесса газификации угля посвящено много исследований, выполненных в последние годы [4, 5, 6].
Активные исследования ведутся в имеющей широкие перспективы области каталитической газификации твердого топлива [7, 8].
Интересны перспективы и процесса газификации твердых коммунальных отходов, в т.ч. даже такие «экзотические» как газификация ТКО в слое расплавленного металла, позволяющая получать как газообразные продукты
(топливный газ, синтез-газ), так и приемлемую форму минеральных компонентов, пригодных, например, для переработки в строительные материалы [9].
Перевод твердого топлива в газообразное состояние при газификации значительно упрощает его последующее использование, особенно в процессах проведения новых химических синтезов. При проведении каталитического синтеза Фишера-Тропша [10] перспективным является получение из синтез-газа процесса газификации угля синтетического жидкого топлива, так как запасы угля существенно превышают запасы природной нефти.
Последние годы активно обсуждается вопрос о возможности снижения парникового эффекта за счет перехода к новым типам топлива или к новым видам альтернативной энергии. При этом следовало бы помнить о том, что при горении углеводородного топлива, как природного, так и синтетического всегда будут получаться парниковые газы -диоксид углерода и водяной пар. Другое дело, в каком цикле круговорота углерода в природе участвуют эти газы - коротком или длинном. В случае короткого цикла при использовании топлива из биомассы (в том числе биодизель, биогаз, биоуголь) влияния на величину парникового эффекта не происходит, а случае длин-
ного цикла - при сжигании запасов ископаемого топлива, может повыситься концентрация парниковых газов в атмосфере.
Предлагается, например, в логистических системах на транспорте переходить на электротранспорт - электробусы и т.д., или использовать водородное топливо. Но ведь для того, чтобы получить электроэнергию на ТЭЦ или получить водород восстановлением его из воды с помощью углеводородных восстановителей, все равно в окружающую среду будет поступать избыток диоксида углерода, только не в том месте, где эксплуатируется транспорт, а в другом - где расположена, например, тепловая электростанция или фабрика по получению водорода паровой или паровоздушной конверсией природного газа или т.п. Электробус, например едет по Садовому кольцу в Москве и не выделяет в атмосферу СО2, но С02 образуется на ТЭЦ на окраине Москвы для того, чтобы получить электрическую энергию для зарядки аккумулятора для электробуса. Суммарное количество того же диоксида углерода, образующегося в этом процессе, будет все равно одинаково.
Возвращаясь к проблеме неэнергетического использования каменного угля, стоит обратить внимание на работы [11, 12, 13], связанные с извлечением из углей ценных минеральных составляющих - редких и редкоземельных элементов и других компонентов, в которых мировая экономика будет нуждаться ещё долгое время.
Таким образом, даже краткое перечисление основных направлений, связанных с применением угля как ценного природного сырья не только для целей его прямого энергетического использования, но, в первую очередь как химического сырья, показывает перспективность исследований этих процессов с целью их совершенствования и подготовки к широкомасштабному неэнергетическому использованию угля и продлению его службы человечеству.
Литература
1. И.И. Лиштван, В.М. Дударчик, В.М. Край-ко. Перспективы глубокой переработки твердых горючих ископаемых Беларуси. Химия твердого топлива, 2017, №9, с. 3-9.
2. Мухина Т. Н. Пиролиз углеводородного сырья / Т. Н. Мухина, Н. Л. Барабанов, С. Е. Бабаш — М.: Химия, 1987. — 240 с.
3. Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля. - М.: Недра, 1986, 175 с.
4. Дубинин А.М., Маврин С.П. Оптимальные параметры воздушной газификации углей в газогенераторе с заторможенным циркуляционным псевдоожиженным слоем / Химия твердого топлива, 2016, № 3, с. 40-46.
5. Дубинин А.М., Черепанова Е.В., Обожин О.А. Паровая газификация углей при избытке водяного пара / Химия твердого топлива, 2015, № 2, с. 31-33.
6. Кузнецов П.Н., Колесникова С.М., Кузнецова Л.И., Тарасова Л.С., Исмагилов З.Р. Паровая газификация углей Монголии / Химия твердого топлива, 2015, № 2, с. 24-30.
7. Кузнецов Б.Н. Научные основы подбора катализаторов для процессов переработки твердого ископаемого и возобновляемого органического сырья / Кинетика и катализ, 2009, т. 50, № 6, с. 886-894.
8. Курбатова Н.А., Эльман А.Р., Бухаркина Т.В. Применение катализаторов для газификации угля диоксидом углерода / Кинетика и катализ, 2011, т. 52, №5, с. 753-763.
9. Систер В.Г.,Э Животов В.К., Коробцев С.В. Инновационные технологии переработки отходов. Известия МГТУ (МАМИ), 2013, №3(17), с. 105-107.
10. Каган Д.Л., Шпильрайн Э.Э., Лапидус А.Л. Разработка малостадийной технологии производства СЖТ на установках низкого давления / Газохимия, 2008. №2, с. 50-55.
11. Вязова Н.Г., Шаулина Л.П., Шмидт А.Ф., Димова Л.М. Микроэлементы в углях Восточной Сибири / Химия твердого топлива, 2016, № 2, с. 45-50.
12. Кузьмин В.И., Кузьмина В.Н., Кузнецов П.Н., Колесникова С.М. Редкие и редкоземельные элементы в металлоносных углях севера Ленского бассейна / Химия твердого топлива, 2016, № 2, с. 51-57.
13. Шпирт М.Я., Горюнова Н.П., Пунанова С.А. Особенности распространения и возможное использование микроэлементов различных видов каустобиолитов / Глубокая переработки твердого ископаемого топлива - стратегия России в 21 веке. Российская международная конференция (с международным участием). Звенигород 2007, с. 94-95.
