CC BY
117
ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 553.98:338.45(470.1-17)
НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРО-ВОСТОКА РОССИИ КАК ОСНОВА РАЗВИТИЯ НОВЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
И.Н. БУРЦЕВ*, Д.А. БУШНЕВ*, О.С. КОТИК*, Д.В. КУЗЬМИН*, Д.О. МАШИН*, И.Г. БУРЦЕВА**
*Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар **Институт социально-экономических и энергетических проблем Севера Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар burtsev@geo.komisc.ru
Показано значение и перспективы освоения месторождений бурых и каменных углей, горючих сланцев и природных битумов арктической зоны Европейского севера России. Представлены новые результаты геологических и технологических исследований углей Печорского бассейна. В результате технологических испытаний доказана возможность их переработки методами полукоксования и газификации с получением ценного топлива и сырья для химической переработки. Полукоксование угольных концентратов позволит получать малозольный высокоуглеродистый продукт, соответствующий металлургическому коксу. Показана высокая экономическая эффективность переработки горючих сланцев. Высокое содержание тиофенов в смоле полукоксования горючих сланцев позволяет оценивать ее как ценное химическое сырье. Основные товарные продукты переработки - сланцевое масло, электрическая энергия, топливный газ, сланцевая зола. Значителен ресурсный потенциал природных битумов в регионе. Этот вид сырья перспективен для использования в дорожном хозяйстве и нефтехимической промышленности.
Ключевые слова: Арктика, Европейский север России, каменные и бурые угли, горючие сланцы, природные битумы, полукоксование, газификация, сланцевая нефть, нефтехимия
I.N. BURTSEV, D.A. BUSHNEV, O.S. KOTIK, D.V. KUZMIN, D.O. MA SHIN, I.G. BURTSEVA. NONCONVENTIONAL SOURCES OF HYDROCAR-BONIC RAW MATERIALS OF THE ARCTIC AREA OF THE EUROPEAN NORTHEAST OF RUSSIA AS THE BASIS FOR DEVELOPMENT OF NEW INDUSTRIES
Importance and prospects of development of black and brown coal fields, oil shales and natural bitumens in the Arctic area of the European North of Russia are shown. New results of geological and technological researches of coals of the Pechora basin are presented. As a result of technological tests the possibility of their processing by methods of devolatilization and gasification with production of valuable fuel and raw materials for chemical processing is proved. Devolatili-zation of coal concentrates will allow obtain the low-ash high-carbon product corresponding to metallurgical coke. High economic efficiency of processing of oil shales is shown. The high thiophenes content in the oil shale resin allows to estimate it as a valuable chemical raw material. Shale, oil, electric energy, fuel gas, oil shale ash are the main commodity products of processing. The resource potential of natural bitumens in the region is considerable. This raw material is perspective for use in the road sector and the petrochemical industry.
Keywords: the Arctic, the European North of Russia, black and brown coals, oil shale, natural bitumens, devolatilization of coal, gasification, shale oil, petrochemistry
Введение
В недрах Европейского севера России заключен значительный ресурсный потенциал бурых и каменных углей различных марок, горючих сланцев и природных битумов. Вместе с нефтегазовыми ресурсами они составляют сырьевую базу топливной промышленности и энергетики. Важным обстоятельством является и имеющийся опыт освоения топливно-энергетических ресурсов. Сегодня здесь добываются разные по составу нефти различными способами, в том числе уникальными (термошахтным, паротермическим). С целью доработки запасов осуществляется технологический эксперимент на Вуктыльском газоконденсатном месторождении, где в прошлом добывались и перерабатывались природные битумы, горючие сланцы.
Проблемы промышленного освоения нетрадиционных источников углеводородного сырья обусловлены не только большой капиталоемкостью, сложностью и новизной технологических решений. Мы полагаем неверным сам подход к принятию решений по развитию новых проектов такого рода, когда решение об инвестициях ставится в зависимость от цены на традиционную нефть и текущую эффективность ее добычи. Но нетрадиционные источники углеводородов - это не столько альтернативные источники нефти, сколько база для получения широкого класса высокоценных и остродефицитных продуктов для химической промышленности, это возможность развития многих новых отраслей экономики.
Результаты исследований и обсуждение
Каменные и бурые угли
Ресурсный потенциал. Угольные ресурсы региона слагаются из ресурсов пермских углей собственно Печорского угольного бассейна, а также ресурсов верхнедевонских, нижнекаменноугольных и нижнемеловых углей, выявленных в пределах Печорско-Баренцевоморского осадочного бассейна. В настоящее время балансом запасов учитываются только запасы и ресурсы пермской угленосной формации в Республике Коми и Ненецком автономном округе.
Печорский угольный бассейн содержит всю гамму углей, обеспечивающих возможность развития сырьевой базы коксохимии, энергетики и нетрадиционных направлений их использования. Наибольшим распространением пользуются бурые и длиннопламенные каменные угли. Печорский бассейн занимает заметное место в ресурсном потенциале Российской Федерации. Разведанные запасы каменных углей Печорского бассейна составляют 7.2 млрд. т, кондиционные прогнозные ресурсы -175.7 млрд. т, из них более четверти - категории Р1. Поскольку на балансе числятся запасы только каменных углей, то по запасам качественных энергетических углей марок Д, ДГ и запасам высококачественных коксующихся углей марок Ж, ГЖО, К Печорский бассейн уступает только Кузнецкому и Южно-Якутскому бассейнам.
Бурые угли приурочены, главным образом, к малоглубинной внешней зоне Косью-Роговской впадины. Ресурсный потенциал их также значителен - 17.3 млрд. т по кат. Р2 и 18 млрд. т по кат. Р3. Но изученность угольных площадей весьма слабая. До уровня общих поисков изучена часть Неченского месторождения, где выделено карьерное поле с запасами кат. С2 ~ 250 млн. т. В 1983 - 1986 гг. В. В. Золотовой и др. геологами (ПГО «Полярно-уралгеология») была выполнена переоценка ресурсного потенциала бурых углей Шаръю-Заост-ренского района. Ресурсы бурых углей, заключенные в семи месторождениях - Верхнероговском (территория НАО), Ватъярском, Среднеадзьвин-ском, Тальбейском, Шаръю-Заостренском, Кушшор-ском и Неченском, были оценены в 26.4 млрд. т, из них кондиционные - 21.0 млрд. т.
Промышленностью в разное время и в различных масштабах были вовлечены в разработку 10 месторождений Печорского бассейна: Воркут-ское, Интинское, Хальмеръюское, Воргашорское, Юньягинское, Еджыд-Кыртинское, Кожимское, Не-ченское, Шаръю-Заостренское и Тальбейское. С начала эксплуатации в бассейне добыто более 1.1 млрд. т угля. Сегодня коксующиеся угли добываются подземным способом на Воркутском и Ворга-шорском месторождениях, открытым способом - на разных участках Юньягинского месторождения. Ведется геологическое доизучение и подготовка к освоению Усинского месторождения, планируется доизучение и освоение Верхнесыръягинского и Нижнесыръягинского месторождений. В ближайшей перспективе - геологическое доизучение перспективных площадей в Ненецком автономном округе. Энергетические угли добываются на Интинском месторождении, частично разведаны запасы Сей-динского месторождения.
Добыча угля в бассейне стабилизировалась в последние годы на уровне 13-14 млн. т/год, а в перспективе может вырасти до 17-21 млн. т/год. Но, несмотря на такие в целом хорошие показатели, на федеральном уровне использованию угольного потенциала Печорского бассейна придается только второстепенное, региональное значение. Так, согласно «Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 г.» и «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.» прогнозируется, что до 2020 г. добыча печорских углей будет оставаться на уровне 15.1 млн. т в год (в оптимистическом варианте -19 млн. т в год), а к 2030 г. упадёт до 12 млн. т (в оптимистическом варианте - возрастет до 21 млн. т). В долгосрочной перспективе в бассейне предполагается вовлечь в разработку только Сей-динское месторождение энергетических углей. Планов строительства предприятий по глубокой переработке угля нет, как и нет планов освоения буроугольных месторождений.
Нам представляется, что перспективы развития угольной отрасли на Европейском севере России должны связываться не только с ростом объемов добычи коксующихся и энергетических углей, но
и с существенным увеличением глубины обогащения углей и созданием углехимических производств. Следует отметить, что технологическая изученность углей Печорского бассейна находится на довольно низком уровне. Недостаточно оценена сырьевая база бассейна для нетрадиционного использования углей. За редкими исключениями, не проводились в полупромышленных и промышленных масштабах испытания технологий полукоксования углей, получения синтетического жидкого топлива, сорбентов и высокоуглеродистых материалов. Кроме того, в отличие от других регионов, только в Печорском бассейне сегодня не осталось ни отраслевого института, ни специализированного академического учреждения, способного на постоянной основе выполнять технологические исследования углей.
В результате инициативных исследований, проведенных в последние годы в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН, наметились определенные ориентиры в дальнейшем геологическом изучении и промышленном освоении месторождений углей, горючих сланцев, природных битумов Тимано-Североуральского региона, в глубокой технологической переработке сырья, и создании на Севере высокоэффективных энерготехнологических производств. Важность полученных результатов и целесообразность дальнейших исследований по ряду выбранных направлений была подтверждена при их обсуждении на совместном заседании Министерства энергетики Российской Федерации и Правительства Республики Коми по проблемам развития Печорского угольного бассейна (г. Воркута, протокол от 14.08.2014 г.). Причем в области изучения химической структуры керогена, обогащения углей тонких классов, получения обеззоленного угля (гиперугля) работы носят пионерный характер.
Посредством реконструкций палеогеотерми-ческого режима, изучения состава и особенностей катагенетического преобразования рассеянного органического вещества, углей и вмещающих их пермских пород Предуральского краевого прогиба Л. А. Анищенко, С. С. Клименко и другими исследователями [1] выявлены основные закономерности эволюционного преобразования органического вещества и на новом фактическом материале доказано повсеместное распространение бурых углей в отложениях верхней перми в Косью-Роговской впадине. Установлено направление изменчивости степени катагенеза осадочных пород и рассеянного органического вещества. Эти данные позволяют прогнозировать выявление новых месторождений бурых углей с мощными угленосными пачками в Косью-Роговской впадине и в районе гряды Чернышева.
Показатель качества углей. Во всем мире бурые угли - не только энергетический ресурс, но и важнейшее сырье для химической промышленности. Но, как уже отмечалось, технологическая изученность бурых углей в Печорском бассейне остается на весьма низком уровне, нет однозначного определения даже марочного состава углей. В результате геолого-геофизических и геохимических
исследований, проведенных на Неченском месторождении бурых углей, были получены новые данные о его строении и фациальной изменчивости отложений. Пилотные технологические исследования углей месторождения позволили уточнить характеристики вещественно-петрографического состава и основных показателей качества углей [2]. Установлено, что в разрезе ранее выделявшегося «единого» неченского пласта, относящегося к категории мощных и сверхмощных, присутствуют два самостоятельных пласта. В составе органической массы преобладает витринит (от 52.0 до 94.0 %), отмечаются также семивитринит (от 0.3 до 7.0 %), семифюзинит (0.5-23.5 %), фюзинит (0.5-15.2 %), склеротинит (0.1-0.6 %), липтинит (0.3-5.5 %). Выявлены участки с высоким содержанием липтинита (от 5 до 30 %) [3]. Эти факты предопределяют большой потенциал для реализации технологий полукоксования и диктуют необходимость дальнейшего изучения технологических, в том числе спекающихся свойств данных. Наличие различных источников поступления органического материала (высшие растения, фитопланктон, микробиальное вещество) подтверждается распределением ациклических углеводородов и полициклических биомаркеров [4]. Последнее также свидетельствует об известной невысокой стадии преобразования углей.
По имеющимся оценкам, угли Неченского, Верхнероговского, Шаръю-Заостренского и других месторождений региона по степени метаморфической преобразованности соответствуют бурым углям (марки Б, 2 БВ по ГОСТу 25543-88) или переходному типу от бурых к длиннопламенным каменным углям (марка Б-Д). Угли Неченского месторождения высокозольные, труднообогатимые. Зольность рядового угля в пробах из скважин варьирует в пределах 20.7-53.8 %, составляя в среднем 32.0 %, зольность угля по технологическим пробам колеблется в тех же пределах - 23.0-54.8 %. Но зольность фракции р<1.4 г/см3 составляет 9.412.2 %, что предопределяет резервы улучшения качества за счет обогащения угля. По зольности неченские угли близки к сейдинским (Ай - 30-35 % для пластов е2 и е3, отработка которых возможна открытым способом).
Положительной характеристикой качества не-ченских углей является низкое содержание общей серы - 0.18-0.42 % при средних значениях около 0.3 % и незначительное содержание фосфора - от 0.013 до 0.033 %. Если учитывать в качестве цено-образующего критерия не только зольность и влажность, но и теплоту сгорания и микрокомпонентный состав органического вещества, то неченские угли не будут отличаться от длиннопламенных и газовых углей Сейдинского месторождения, характеризуясь меньшими содержаниями серы.
Проведенные технологические исследования* показали возможность переработки неченских углей по технологии полукоксования в слоевом га-
*
Результаты получены на стендовой установке в Топливной лаборатории Вирумааского колледжа Таллиннского технического университета (Ю. Сооне, 2009, 2010).
зификаторе или в кипящем слое путем газификации и гидрогенизации. Получаемые смолы и газы полукоксования характеризуются весьма низкими содержаниями сернистых соединений (менее 0.5 %), что повышает их ценность как топлива и сырья для химической переработки. Выход смолы при полукоксовании в алюминиевой реторте (по ГОСТу 316893) средний для окисленных углей - до 6 %. Сама смола соответствует ГОСТу 4806 «Масло сланцевое топливное». Прогнозируется большой выход восковых фракций битумоидов.
Газ полукоксования характеризуется высоким содержанием двуокиси углерода (43.8-48.5 %), метана (22.1-26.7 %), окиси углерода (9.6-16.4 %), водорода (8.9-10.2 %), этена (1.5-3.2 %), этана (2.8-3.2 %). В нем практически отсутствуют сернистые соединения,азот, кислород.
Очевидно, не возникнет проблем при использовании распространенных в мире технологий переработки бурых и каменных углей посредством полукоксования в кипящем слое с последующей газификацией твердого остатка. Полукокс имеет высокое содержание органического углерода (более 60 %) и, как следствие, высокую теплоту сгорания - 22,86 МДж/кг. Это определяет возможности получения практически бессернистого высококалорийного облагороженного топлива, характеристики которого позволят осуществлять его поставки даже на внешние рынки.
Нами прогнозируется, что при полукоксовании угольных концентратов можно получать малозольный высокоуглеродистый продукт, соответствующий по характеристикам металлургическому коксу. В настоящее время имеются технологии (Термококс, Карбоника-Ф и др.), по которым из бурых углей получают разнообразную мелкозернистую углеродную продукцию. При брикетировании из нее можно получить коксовый орешек. Высокореакционная коксовая мелочь также пригодна для агломерационного производства горнообогатительных комбинатов.
Сильноокисленные угли, по тем или иным причинам не пригодные для энергетических целей, представляют большой интерес для производства гуматов, углещелочных реагентов, углегуминовых препаратов. Например, бурые угли Неченского месторождения содержат до 40-50 % гуминовых кислот, которые могут быть выделены в виде водорастворимых солей - гуматов. Эти вещества используются в качестве стимуляторов роста растений и в природоохранных мероприятиях. В ходе проведенных нами технологических исследований оценена возможность получения из углей Нечен-ского месторождения гуматов. Выход гуминовых веществ по технологическим пробам углей с зольностью 25-45 % составляет 10-25 %, а по самым высокозольным углям (Ай - 60 %) - 10-15 %. Полученный препарат может быть использован в сельском хозяйстве в качестве удобрения или кормовой добавки, а в промышленности - в качестве сорбента различных веществ.
Из углей Неченского месторождения были получены сульфоугли, удовлетворяющие по своим
характеристикам требованиям основных потребителей - предприятий теплоэнергетики, химии, металлургии. Емкость катионного обмена полученных сульфоуглей достигает 67.5 мг*экв/100 г. Капитальные затраты на производство сульфоуглей незначительны, необходимые для их получения реагенты общедоступны. В регионе есть широкий круг потребителей - предприятия ЖКХ, ТЭЦ, нефте- и газодобывающие компании, у которых имеется боль-шеобъемный оборот технологических вод. Кроме того, производство сульфоуглей позволит в какой-то мере решить проблему утилизации сернистых соединений, образующихся при сжигании попутного газа на нефтяных месторождениях Тимано-Печор-ской провинции. Таким образом, проведенными технологическими исследованиями доказана возможность эффективного использования самой некачественной высокозольной, окисленной части бурых и длиннопламенных каменных углей.
Условия промышленной переработки. Горно-геологические условия Неченского месторождения позволяют организовать высокоэффективную добычу углей открытым способом. Средний объемный коэффициент вскрыши по всему карьерному полю составляет 6.97 м3/м3, что близко к показателям разрезов, эффективно работающих в Минусинском, Южно-Якутском, Кузнецком бассейнах. Отметим, что залежи углей схожего состава и качества образуют Шаръю-Заостренское, Средне-Адзьвин-ское и Тальбейское месторождения. Шаръю-Заост-ренское месторождение с ресурсным потенциалом кондиционных углей 3.8 млрд. т располагается в непосредственной близости от Неченского месторождения. Горно-геологические условия отработки Шаръю-Заостренского месторождения в целом более сложные, но в его северной части также выделено карьерное поле с запасами по самому перспективному пласту (аналог Неченского пласта -№ 24 в местной нумерации) 30.25 млн. т, с коэффициентом вскрыши 9.1 м3/т. В 45-50 км к западу от этих двух месторождений проходит железная дорога Печора-Усинск и железнодорожная станция Сыня-Нырд. Поэтому условия для освоения месторождений бурых углей можно оценить как весьма благоприятные.
В Институте социально-экономических и энергетических проблем Севера Коми НЦ УрО РАН выполнены технико-экономические расчеты, показавшие возможность ускоренного ввода в эксплуатацию отдельных участков - угольных разрезов и организацию мелко- и среднемасштабных перерабатывающих производств на базе рассмотренных буроугольных месторождений. Установлено, что перспективы имеет получение и реализация следующих основных товарных продуктов: энергетический уголь, синтетическое жидкое топливо, синтез-газ и термококс.
Дальнейшее развитие проектов может идти как на увеличение объемов добычи угля, так и глубину переработки вплоть до создания крупных энерготехнологических комплексов. В расчетах принимается, что обогащение углей производится по схеме, принятой для интинских углей с использова-
нием тяжелосредной сепарации угля средних классов и обогащения мелких и тонких классов углей на винтовых сепараторах. Предполагается, что при обогащении неченских углей могут быть получены высококачественные концентраты с зольностью 1025 %, характеризующиеся низким содержанием серы (до 0.2 %). В качестве проектного решения принят вариант промышленной переработки бурых углей в синтетическое жидкое топливо (СЖТ) на базе технологического комплекса «РОТРАМ-Уголь» (ООО «ИнвестСтрой» г. Белово, Кемеровская область). На основании проведенных технологических исследований положительно оценена также возможность переработки неченских углей по технологии ООО «Термококс» (Карбоника-Ф).
Наконец, одна из последних технологических разработок Института геологии - получение беззольных углей (гиперуглей) из бурых и каменных углей Печорского бассейна - в будущем может существенно повлиять на тенденции развития угольной отрасли Республики Коми. Это довольно простая в аппаратурно-технологическом исполнении технология, впервые предложенная и освоенная в промышленных масштабах японской компанией Кобе Стил [5]. Такой уголь получают путем разрушения когезивных связей в угле и растворения отдельных частей. Нерастворимые части и минеральная часть выводятся как осадок, а растворимая часть после удаления растворителя представляет собой уголь с очень низким содержанием золы. Содержание золы в гиперугле снижается до 200 ppm, содержание щелочных металлов (K, Na) -до 0.5 ppm и меньше, содержание тяжелых металлов - менее 1 %. Эти количественные показатели соответствуют требованиям, разработанным компанией Mitsubishi Heavy Industries для угля, используемого для непосредственного сжигания в газовых турбинах. Гиперуголь является исключительно ценным продуктом для сжигания, газификации, изготовления углеродных материалов для металлургии и получения солнечного кремния. Теплота сгорания полученного гиперугля близка к предельно достигаемой (32 МДж/кг) и составила 31.37 МДж/кг.
В энергетике важным преимуществом гиперугля является возможность достижения высоких показателей энергоэффективности на автономных малых станциях и установках. При этом также достигается экономия за счет сокращения и устранения потерь в линиях электропередачи. В параметрах энергетической эффективности гиперуголь лишь немногим уступает сжиженному газу (52.4 % против 53 %, по высшей теплоте сгорания), опережая его по экономической эффективности - стоимость производства электроэнергии на основе гиперугля составляет 75.26 долл./МВт*час против 76.14 долл./МВт*час для сжиженного газа. Капитальные затраты для создания станций на гиперугле только на 8 % выше, чем капитальные затраты для станций на сжиженном природном газе [6].
Доступность органических растворителей (лучшие растворители - метилнафталиновые масла получают из самого угля при его полукоксовании), их термическая устойчивость, низкая токсичность и
возможность оборотного использования делают технологию получения гиперуглей одной из наиболее перспективных.
Получение гиперугля позволяет эффективно решить проблему с зольностью низко- и среднеме-таморфизованных углей и дает возможность производства высокоценного продукта фактически на месте добычи угля, что особо актуально для месторождений, располагающихся в удаленных, северных и арктических регионах (в частности в Республике Коми, НАО, Якутии). Использование высококалорийного, легкотранспортабельного топлива позволяет решить проблемы обеспечения энергетическими ресурсами многих городов и поселков Крайнего Севера, значительно сократить затраты, связанные с сезонным завозом топлива, улучшить экологическую обстановку. В определенных случаях использование предложенных технологий переработки угля позволяет получать различные топливные продукты для самообеспечения жизнедеятельности персонала и сотрудников арктических станций, в том числе на Шпицбергене (получение синтез-газа, синтетического жидкого топлива, беззольных углеводородов, водорода, сорбентов на мини-установках).
На примере каменного угля Воркутинского углепромышленного района (ш. Воргашорская) доказана возможность получения фуллеренов из углей. Произведена идентификация полученных фулле-ренов методом ИК-спектроскопии. Методом динамического светорассеяния установлено, что полученные фуллерены в этаноле образуют агрегаты преимущественно двух размеров в области 1 и 100 мкм, аналогично синтетическим фуллеренам, что свидетельствует об их похожих физических свойствах и, соответственно, схожей структуре.
Остается еще относительно слабо проработанным направление, основанное на эффективном углесжигании с целью производства электроэнергии. Получение дешевой электроэнергии, наряду с наличием разнообразных минеральных ресурсов, определяет перспективы создания целого ряда ферросплавных производств. Проработаны различные варианты производства извести, карбида кальция, силикокальция на базе ресурсов химически чистых известняков и доломитов, ферросиликомар-ганца на основе марганцевых руд Приполярного Урала, Пай-Хоя; ферросицилия на основе месторождений жильного кварца Полярного и Приполярного Урала; феррохрома, ферросиликохрома и си-ликобария на базе ресурсов хромовых руд и баритов Приполярного Урала; феррониобия на основе руд Среднего Тимана.
Горючие сланцы
Ресурсный потенциал. В Республике Коми и Ненецком автономном округе выявлены значительные ресурсы горючих сланцев (свыше 50 млрд. т), приуроченных к отложениям верхней юры. Выделены два крупных бассейна, в которых обособляются сланценосные районы с различным ресурсным потенциалом - Тимано-Печорский бассейн с Ижемским и Большеземельским районами и Вы-
чегодский бассейн с Сысольским и Яренгским районами. Ижемский, Яренгский и Сысольский сланце-носные районы обладают наибольшими промышленными перспективами, в их границах обнаружены и оценены крупные ресурсы горючих сланцев.
В пересчете на потенциально извлекаемое из сланцев жидкое сырье (смолу полукоксования, называемую также сланцевым маслом или сланцевой нефтью) мировые ресурсы составляют свыше 600 млрд. т. Ресурсный потенциал сланцевой нефти только в юрских горючих сланцах Тимано-Печор-ского бассейна оценивается нами в 0,5-1 % мировых запасов. Это высокое значение, определяющее крупномасштабный уровень решаемых задач по освоению этих ресурсов.
При проведении целевого геологического изучения и технологических исследований горючих сланцев, выполненных в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН, были получены новые данные, позволившие обосновать перспективы освоения месторождений горючих сланцев в новых экономических условиях и с учетом современных мировых достижений в области их переработки. Наиболее детально изучены Чим-Лоптюгское и Айювинское месторождения.
Органическое вещество юрских горючих сланцев Республики Коми относится к малопреобразо-ванным сапропелитам. Преобладающие петрографические типы: глинистый псевдовитринито-колло-альгинитовый и известково-глинистый псевдовитри-нито-коллоальгинитовый. По классификации А. С. Хат-тона [7], рассматриваемые горючие сланцы относятся к генетическому типу «мариниты». Известные в мире объекты такого типа представлены крупными месторождениями со средним и высоким качеством горючих сланцев. Детальные исследования, проведенные нами на Чим-Лоптюгском месторождении, позволили уточнить геологическое строение месторождения, выполнить строгую корреляцию пластов горючих сланцев и создать горногеологическую модель месторождения.
Показатели горючих сланцев. Технологические исследования, проведенные в ООО «ТТУ» (Санкт-Петербург), Топливной лаборатории Виру-мааского колледжа Таллиннского технического университета (Кохтла-Ярве, Эстония) и Института геологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар), подтвердили высокое качество юрских горючих сланцев: теплота сгорания 7.5-25 МДж/кг, выход смолы полукоксования 3-30 %, содержание серы 2-4 %.
Оценка возможности переработки горючих сланцев на установках с твердым теплоносителем (УТТ-3000) показала высокую экономическую эффективность, которую можно значительно повысить при синтезе технологий сланцепереработки и производства цемента из зольного остатка. Хотя не исключается возможность создания промышленных производств с использованием газогенераторов, реторт вертикального типа и других способов переработки горючих сланцев.
В результате переработки горючих сланцев получаются такие основные товарные продукты, как сланцевое масло, электрическая энергия, топ-
ливный газ (или синтез-газ) и сланцевая зола. Из тонны горючего сланца можно в среднем получить 100 кг сланцевой нефти, 80 куб. м газа, 600 кВт*час электрической энергии, 450 кг золы. Получаемое суммарное сланцевое масло имеет спрос на внешнем и внутреннем рынках. При его переработке могут быть получены различные фракции, имеющие широкие сферы применения в химических отраслях промышленности, фармацевтике, нефтепереработке, дорожном строительстве, промышленной и коммунально-бытовой энергетике. Топливный газ имеет высокую теплоту сгорания - 24.82 МДж/кг и пригоден для коммунально-бытового потребления и производства электроэнергии. Потенциально он может быть использован как сырье для химической промышленности, так как содержит 23.5 % этилена, 22.8 - пропилена, 19.3 - бутилена и 7.4% про-пана.
Большой потенциал может иметь совместная переработка горючих сланцев и бурых углей по пи-ролизным технологиям, особенно в установках с твердым теплоносителем. В этом случае эффективно могут перерабатываться и высокозольный уголь и горючие сланцы невысокого качества и высокосернистые горючие сланцы. Уголь при такой переработке увеличивает удельную теплоту сгорания смеси, выступает как донор водорода (донором может быть также получаемый из него синтез-газ), его минеральные компоненты участвуют в связывании сернистых соединений, образующихся при пиролизе горючего сланца.
Природные битумы
И. С. Гольдберг [8] определяет природные битумы как природные органические соединения с первичной углеводородной основой, имеющие твердую, вязкую и вязко-жидкую консистенцию. Они образуют широкий спектр соединений от высокоуглеродистых разностей до отдельных классов или сложной смеси высокомолекулярных углеводородов, содержащих асфальтеново-смолистые компоненты и металлы.
Природные битумы могут формироваться в результате различных процессов. Природные процессы по-разному изменяют свойства и состав первичных углеводородных систем. Термическое воздействие может улучшать свойства за счет повышения относительного содержания легких углеводородов и понижения - смолисто-асфальтовых соединений. В процессе гипергенной деградации, наоборот, удаляются легкие фракции, разрушаются парафины, накапливаются и окисляются высокомолекулярные соединения. Плотность остаточных продуктов при этом увеличивается. С другой стороны, положительную роль биодеградации связывают с разрушением парафинов и повышением выхода бензиновых фракций, полной или частичной утратой н-алканов, что повышает эффективность процесса получения из природных битумов смазочных масел [9].
На территории Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции тяжелые нефти и природные битумы имеют широкое распространение. Они образуют различные типы залежей и скоплений в от-
ложениях возрастного диапазона от силура до позднего триаса как в карбонатных, так и в терри-генных коллекторах. Сильно варьируют такие важнейшие геолого-промышленные параметры, как нефтенасыщенность и битумосодержание, мощность, морфология и глубина залегания продуктивного горизонта.
Пространственное распределение генетически связанных месторождений тяжелых нефтей и битумов соответствует определенным областям и районам нефтегазонакопления. Выходы битуминозных пород на поверхность, как правило, приурочены к антиклинальным структурам, располагающимся в восточной части Тиманского поднятия, вдоль западного борта Ижма-Печорской впадины, в зоне сочленения с Тиманской грядой, на Печорской гряде. Полужидкие и твердые углеводороды представлены различными классами битумов от мальт до антраксолитов. В Тимано-Печорском бассейне преобладают асфальты и асфальтиты. Среди наиболее перспективных для освоения объектов выделяется залежь природных битумов в титанонос-ных песчаниках III пласта и проявления озокерита (церезинового состава) в породах туфодиабазовой толщи Ярегского месторождения, Акимъельское проявление, Нибель-Войвожская, Войско-Соплес-ская, Кожва-Каменская, Кыртаельская группы проявлений битумов.
Ресурсный потенциал природных битумов весьма значителен и оценивается в сотни миллионов тонн, однако технологически этот вид минерального сырья еще слабо изучен. Технологические свойства природных битумов оценивались главным образом экспрессными анализами, по ограниченному комплексу показателей, чаще всего -на пригодность для использования в дорожном хозяйстве. С другой стороны, ожидания некоторых (редких) инвесторов связывались с возможностью переработки природных битумов на жидкие углеводороды. В конечном итоге, технологическая недо-изученность не позволила до настоящего времени подготовить и обосновать объекты для реального недропользования.
Заключение
Ресурсный потенциал и качественные характеристики бурых углей, горючих сланцев и природных битумов на Европейском севере России позволяют создать крупномасштабные энерго- и химико-технологические комплексы, интегрированные с нефте- и газодобывающими предприятиями, цементным производством и предприятиями химической промышленности и строительной индустрии.
Развитие этих направлений в регионе затрудняют недостаточная технологическая изученность минерального сырья, отсутствие действующих крупных потребителей. Поэтому важной задачей является формирование плана крупномасштабных перспективных исследований этих нетрадиционных видов сырья. Отдельная задача - проведение экономических исследований с определением рынков сбыта новых продуктов.
Работы выполнены при поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Поисковые фундаментальные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации» и проекта ««Оценка ресурсного потенциала стратегических полезных ископаемых Тимано-Североуральского региона, перспективы развития и освоения на базе новых технологий глубокого обогащения и переработки», Программы УрО РАН ««Фундаментальный базис инновационных технологий оценки, добычи и глубокой комплексной переработки стратегического минерального сырья», а также при финансовой поддержке проекта УрО РАН 15-14-7-16 ««Комплексная оценка новых и нетрадиционных источников углеводородных ресурсов Тимано-Севе-ро-уральского региона».
Литература
1. Анищенко ЛА., Клименко С.С., Рябинкина Н.Н.
Органическое вещество пермских отложений Печорского угольного бассейна // Труды Института геологии Коми НЦ УрО РАН. Сыктывкар, 2002. Вып.11. С. 91-109.
2. Бурые угли - перспективный ресурс для создания новых отраслей промышленности в Тимано-Североуральском регионе / И.Н. Бурцев, В.А. Салдин, А. А. Иевлев, Л.А. Ани-щенко и др. // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2012. № 10. С. 26-31.
3. Процько О.С. Условия формирования Нечен-ского угольного пласта (южная часть Печорского бассейна) // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2011 б. № 3. С. 711.
4. Валяева О.В., Бушнев ДА., Бурцев И.Н. Геохимия углей Неченского месторождения // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2012. № 8. С. 2-5.
5. Clean Coal Technologies in Japan: Technology Innovation in the Coal Industry. JCOAL. New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). January 2007. P. 75-76.
6. Systems assessment of hypercoal for electricity supply in Japan / A.Cottrell, P.Scaife, L.Wib-berley // Technology Assessment Report № 65. Cooperative Research Centre for Coal in Sustainable Development (Australia). Pullenvale, Qld.: QCAT Technology Transfer Centre, 2007. 28 р.
7. Hutton A.C. Petrographic classification of oil shales / International Journal of Coal Geology. 8. 1987. P.217-236.
8. Гольдберг И.С. Природные битумы СССР: закономерности формирования и размещения. Л.: Недра, 1981. 193 с.
9. Химия и геохимия природных битумов Татарстана / Г.П.Каюкова, Г.В.Романов, Р.Х.Мус-лимов и др. М.: Наука, 1999. 304 с.
References
1. Anishchenko LA.., Klimenko S.S., Ryabinkina NN. Organicheskoe veshestvo permskikh otlozhenii
Pechorskogo basseina [Organic matter of the Permian deposits of the Pechora coal basin] // Proc. of the Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS; Issue 11, 2002. P. 91109.
2. Buriye ugli - perspektivnyi resurs dlya soz-daniya novykh otraslei promyshlennosti v Ti-mano-Severouralskom regione [Brown coals - a perspective resource for creation of new industries in the Timan-North Urals region] //I.N.Bur-tsev, V.A.Saldin, A.A.Iev-lev, L.A.Anishchenko et al.// Bull. of the Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS, 2012. No. 10. P. 26-31.
3. Protsko O.S. Usloviya formirovaniya Nechen-skogo ugolnogo plasta (yuzhnaya chast' Pechorskogo basseina) [Conditions of formation of the Nechensky coal layer (southern part of the Pechora basin)] // Bull. of the Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS, 2011 b. No. 3. P. 7-11.
4. Valyaeva O.V., Bushnev DA., Burtsev I.N. Geo-khimiya uglei Nechenskogo mestorozhdeniya [Geochemistry of coals of the Nechensky deposit] // Bull. of the Inst. of Geology, Komi Sci.Centre, Ural Branch, RAS. Syktyvkar, 2012. No.8. P.2-5.
5. Clean Coal Technologies in Japan: Technology Innovation in the Coal Industry. JCOAL. New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). January 2007. P. 75-76.
6. Systems assessment of hypercoal for electricity supply in Japan/ A.Cottrell, P.Scaife, L.Wib-berley// Technology Assessment Report No. 65. Cooperative Research Centre for Coal in Sustainable Development (Australia). Pullen-vale, Qld.: QCAT Technology Transfer Centre, 2007. 28 p.
7. Hutton A.C. Petrographic classification of oil
shales/ Intern. J. of Coal Geology. 8. 1987. P. 217-236.
8. Goldberg I.S. Prirodniye bitumy SSSR: zako-nomernosti formirovaniya I razmesheniya [Natural bitumens of the USSR: regularities of formation and distribution]. Leningrad: Nedra, 1981, 193 p.
9. Khimiya I geokhimiya prirodnykh bitumov Ta-tarstana [Chemistry and geochemistry of natural bitumens of Tatarstan] / G.P.Kayukova, G.V.Roma-nov, R.Kh.Muslimov et al., Moscow: Nauka, 1999. 304 p.
