В свое время мы уже уделяли внимание действующей «Программе развития угольной промышленности России на период до 2035 года». Обычно само слово «развитие» ассоциируется у нас с внедрением новейших технологий. Того же самого мы ожидали и от этой программы применительно к углю, например, планы по внедрению технологий глубокой переработки угля (что как никогда соответствует глобальным трендам в области энергетики).
К сожалению, Программа в первую очередь фокусируется на проблеме наращивания добычи угля и его коммерческой реализации. Что касается технологий, то они мелькают где-то на заднем плане. Так, текущий этап (2026 – 2030 годы) связан с формированием новых центров угледобычи, в то время как переход на инновационные технологии переработки начнется не ранее 2030 года. Период их внедрения намечен на 2031 – 3035 годы. Именно на этом временном отрезке планируется запуск опытно-промышленных производств по получению синтетического жидкого топлива, водорода, метанола и других горючих газов из угольного сырья.
А ведь тема глубокой переработки угля и получения из него, в частности, жидких топлив активно изучалась в нашей стране как минимум 90 лет назад, еще до войны! Идея была весьма привлекательной. Как отмечали советские ученые тех лет, жидкое горючее, помимо более высокой концентрации энергии, весьма удобно в обращении. Например, при сжигании в топке парового котла оно позволяет эффективнее, чем твердое топливо, использовать содержащуюся в нем энергию. Отсюда вытекало то внимание, которое привлекли к себе тогдашние опыты по получению топлива для паровых котлов – более дешевого и более распространенного, чем мазут, но при этом обладающего всеми положительными его качествами (а по некоторым показателям даже лучшего).
Открытие такого топлива, считали советские ученые, позволило бы заменить им мазут в котельных топках во флоте, на железнодорожном транспорте и в промышленных предприятиях. Многие промышленные печи, отапливаемые в то время мазутом, можно было бы перевести на это жидкое горючее из угля. В этом случае тяжелые нефтетоплива вместо банального сжигания стали бы отправляться на переработку с целью получения более легких горючих – бензина, керосина и др.
Почему же именно уголь привлек к себе такое внимания в качестве источника «альтернативного» жидкого топлива? Ответ прост: уголь – самое распространенное ископаемое топливо, главным недостатком которого является как раз то, что он – твердый. На этот счет приводилось такое сравнение. Скажем, обычный линкор с водоизмещением 33 500 тонн вмещает в себя 4500 тонн горючего из нефти. С этим запасом топлива он может без пополнения пройти 14 тысяч миль. Если бы он работал на угле, помещавшемся в те же емкости, дальность плавания снизилась бы на 3500 миль. В этом – одно из важных преимуществ жидкого топлива в сравнении с твердым.
Отсюда логически напрашивалась задача глубокой переработки угля с целью получения из него аналогов жидких нефтепродуктов. Такая задача, подчеркиваем, была поставлена еще до войны и активно обсуждалась в научной периодике тех лет. Оставалось решить вопрос: каким путем осуществить такое «превращение»?
Самый простой и наиболее известный способ заключался в специальном искусственном разрушении вещества угля, при котором составляющие его элементы распределяются между продуктами разложения неравномерно. Достигалось это путем нагревания угля до высоких температур в замкнутых камерах, то есть путем перегонки. Если перегонка ведется при температуре 500 градусов Цельсия, этот процесс назывался «полукоксованием», если же перегонка идет при температуре 1000 градусов Цельсия, процесс назывался «коксованием». В результате такого метода вещество угля разлагается на летучую часть (горючие газы и жидкие продукты, богатые водородом) и твердый остаток (кокс или полукокс, содержащий больше углерода и меньше водорода, чем исходное сырье). Причем, в этом твердом остатке остается и вся зала, что в определенных количествах присутствует в ископаемых углях. Жидкие продукты (каменноугольная смола) могут использоваться как топливо либо непосредственно, либо после определенной обработки.
Недостаток этого метода видели в том, что здесь в жидкое топливо превращалась лишь небольшая часть исходного сырья. Основная же часть так и остается в виде твердого остатка. Поэтому в поле зрения попал другой, более радикальный метод. Это так называемый метод гидрогенизации угля, связанный с добавлением к нему водорода. Здесь уголь нагревается в специальных камерах вместе с водородом до 400-500 градусов Цельсия и при давлении в сто и более атмосфер. Таким путем удается превратить в жидкость до 90% исходной органической массы угля. Правда, большим минусом данного метода были высокие энергетические затраты: на одну тонну полученного синтетического бензина приходится расходовать в качестве сырья и топлива до десяти тонн угля.
Третий из практиковавшихся тогда способов получения искусственных аналогов бензина основывался на превращении угля в так называемый водяной газ, который образуется при воздействии на раскаленный уголь водяных паров. Этот газ (в современной литературе его принято обозначать как «синтез-газ») состоит из смеси водорода и окиси углерода. После определенной обработки молекулы водяного газа образуют более сложные молекулы искусственного бензина – синтина. Твердого остатка здесь также не получается (как и в предыдущем способе), однако выход продукции (относительно затрат энергии и исходного сырья) также небольшой.
По мнению ученых, эти методы были пригодны, если ставилась задача получить жидкое топливо типа бензина. Но использовать его для отопления котлов совершенно нерационально. И тогда ученые предложили принципиально другой способ превращения угля в «тяжелое» жидкое топливо, пригодное для сжигания в котлах.
Способ этот был достаточно хорошо известен. Речь идет о создании суспензий с использованием мелко смолотого угля. Для них даже существовало название - «коллоидное топливо». Первая такая суспензия угля на нефтяном масле была получена еще в 1912 году. Особый интерес к ней проявляли англичане и немцы. В Англии такое топливо даже было испытано в 1918 году на одном пароходе. Согласно тогдашним расчетам, угле-масляная смесь позволяет сэкономить до 30-40% мазута, который в данном варианте фактически заменялся углем. Денежная экономия доходила до 15% в сравнении с использованием мазута (при этом новое топливо не уступало ему по содержанию энергии на единицу объема).
Советские ученые по достоинству оценили потенциал «коллоидного топлива» и также начали осуществлять соответствующие эксперименты. Наиболее удачное решение было найдено в Энергетическом институте Академии наук СССР. Главная задача, которую предстояло решить нашим ученым – добиться стабилизации горючей жидкости, то есть предотвратить расслоение суспензии. Здесь было опробовано множество разных методов. Для этой цели были даже разработаны различные оригинальные конструкции коллоидных мельниц для сверхтонкого помола угля. В итоге еще до войны удалось получить высококачественные образцы угле-масляных смесей, не дающих осадка месяцами хранения. При этом они были менее пожароопасными, чем угольная пыль и обычные нефтепродукты. Их перекачка и распыление в форсунках сгорания происходили без всяких затруднений.
Проведенные в те годы испытания показали, что угле-масляная смесь не только заменяет мазут, но горит более интенсивно, с большей температурой пламени. Всё это, безусловно, предвещало многомиллионную экономию на мазуте. Кстати, схожие эксперименты вовсю проводились в США. Там даже испытали автомобильный мотор на угольной смеси.
Далее начались эксперименты по растворению угля в различных растворителях. Также проводились работы техников по полукоксованию смеси угля с различными маслами для увеличения выхода жидких продуктов. Несмотря на трудности, с которыми ученые столкнулись в процессе такой работы, эти опыты дали весьма интересные результаты.
Подчеркиваем, что уже в то время работа в данном направлении велась на мировом уровне, и наша наука была здесь, что называется, на переднем крае. Напомним, что вплоть до краха СССР работы по созданию из угля различных видов «альтернативных» топлив не прекращалась. В частности, велась активная работа по созданию водно-угольных суспензий, которой занимались сотрудники Института теплофизики СО РАН (о чем мы писали неоднократно). Достаточно вспомнить амбициозный проект «Белово-Новосибирск», под который во второй половине 1980-х годов был построен крупнейший в мире углепровод длиной 262 километра.
Учитывая, что остались прежние наработки, и даже в какой-то мере сохранилась старая школа ученых и инженеров, становится совершенно непонятной государственная пауза до 2031 года. Если накопленный опыт и кадры оказываются невостребованными в настоящем, то вряд ли указанный «простой» пойдет им на пользу. Или кто-то рассчитывает на приезд специалистов из-за рубежа, например, из Китая, где такая работа продолжается при поддержке государства и уже вышла на новый уровень коммерциализации?
Андрей Колосов
Изображение сгенерировано нейросетью
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии