Проблема комплексного использования горючих сланцев

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблема комплексного использования горючих сланцев

горючий кероген топливо сланец

Понятие горючих сланцев. Согласно общепринятому определению, горючий сланец - плотная слоистая порода осадочного происхождения, содержащая органическое вещество кероген, которое при перегонке дает смолу, но не извлекается в заметных количествах при экстракции растворителями. Горючие сланцы образовались на дне водоемов, причем основой керогена был планктон. При образовании горючих сланцев происходило обогащение донных отложений тяжелыми металлами и редкими элементами: ураном, ванадием, молибденом, никелем, рением и т.д.; поэтому некоторые сланцы представляют интерес не только как источник связанного углерода, но и как сырье для производства редких элементов.

Каждый вид горючего сланца требует определенной технологии его рационального использования. Необходимо комплексное использование и сланцев и сопутствующих им в месторождениях минеральных ресурсов. Для выбора оптимальной технологии нужно оценить сланцы с точки зрения пяти факторов: создания жидкого и газообразного топлива, в том числе моторного; получения сырья для химии; выработки электроэнергии; утилизации отходов и охраны окружающей среды; добычи сопутствующих сланцам полезных ископаемых.

В органическом веществе горючего сланца - керогене сравнительно высоко содержание водорода. При температурах 450-500° С происходит термическое разложение высокомолекулярного керогена с образованием смолы, газа и пирогенной воды, при этом 20-80% массы керогена превращаются в сланцевую смолу. Поэтому выход смолы из горючего сланца, зависящий также от содержания керогена, колеблется в широких пределах. С технической точки зрения термическое разложение горючего сланца - наиболее простой метод производства искусственного жидкого топлива, так как не требует высокого давления при больших температурах и сложной аппаратуры. На уровне современной техники пригодными для переработки можно считать горючие сланцы, у которых выход смолы не ниже 6-8%. У эстонского сланца кукерсита он составляет около 18%.

Сланцевая смола, полученная в результате термического разложения керогена, отличается от нефти по химическому составу: в то время как нефть представляет собой смесь углеводородов различного строения, в сланцевой смоле, в зависимости от природы исходного сланца, содержится много кислородных, сернистых или азотистых соединений. В смоле прибалтийского сланца содержание кислородных соединений достигает 60-70%, из которых около половины составляют фенолы сложной структуры. Поэтому при оценке горючих сланцев любого месторождения необходимо всесторонне изучить их минералогический состав, химические свойства керогена и возможные пути использования сланца в народном хозяйстве.

Теплота сгорания керогена колеблется в пределах 7600-9000 ккал/кг (нефть - 10 500 ккал/кг, антрацит - 7000 ккал/кг). С учетом содержания в сухом сланце 20-40% керогена теплота сгорания натурального сланца составляет 1500-3000 ккал/кг. При сжигании в топках электростанций нижний технико-экономический предел рабочей теплоты сгорания в сланце (при благоприятных горно-геологических условиях залегания и добычи) определяется как 1000 ккал/кг. Наиболее рационально сжигать сланцы, имеющие низкий выход смолы при относительно высоком содержании керогена.

Запасы горючих сланцев. Известные к 1981 г. мировые запасы сланцев (по выходу сланцевой смолы) эквивалентны 600 млрд. т нефти, что вдвое превышает запасы нефти, которую можно добыть современными техническими методами. По имеющимся оценкам, прогнозные запасы горючих сланцев на территории СССР составляют более 2000 млрд. тонн с резервом сланцевой смолы соответственно порядка 120 млрд. тонн. Следует подчеркнуть, однако, что балансовые запасы пока еще на недостаточно высоком уровне, поэтому нужна дальнейшая геологическая разведка с целью уточнения ресурсов и выявления оптимальных для добычи и переработки месторождений горючих сланцев в нашей стране.

Характеристика Эстонского сланцевого месторождения. Эстонское месторождение горючих сланцев является частью Прибалтийского, к которому относятся также Ленинградское и Тапаское месторождения. Мощность сланцевого пласта в Эстонском месторождении - 2,5-3,0 м, причем слои сланца чередуются с пропластами известняка. Теплота сгорания необогащенпой горной массы на предприятиях, действующих в пределах центральной части Эстонского месторождения, в настоящее время определяется в среднем как 2200 ккал/кг.

В Эстонском месторождении представлены и другие виды полезных ископаемых. В западной части бассейна помимо известняка находятся диктионемовый сланец и фосфориты. Эти виды полезных ископаемых пока еще не разрабатываются, но ведутся работы для подготовки добычи фосфоритов.

Следует отметить, что размещение сланцевого месторождения между Финским заливом и Чудским озером создает особые требования к защите окружающей среды. Финский залив охраняется Международной конвенцией по охране вод Балтийского моря. Чудское же озеро является крупнейшим водоемом чистой пресной воды, богатым рыбой.

Есть одна, к сожалению, невыгодная, отличительная черта прибалтийского месторождения от месторождений, на базе которых в настоящее время рождаются сланцевая промышленность и энергетика за рубежом. В Прибалтике залегает маломощная сланцевая пачка, в то время как почти половина известных зарубежных проектов использования горючих сланцев рассчитана на сверхмощные пласты толщиной 70-300 м, выходом смолы 5-10%, а остальные, в основном, на мощные пласты толщиной 10-30 м и выходом смолы 5-13% - Малая мощность сланцевых пластов Прибалтики лишь частично компенсируется сравнительно высоким выходом смолы.

Использование горючего сланца. В настоящее время 27% добываемого в Эстонской ССР сланца (в пересчете на условное топливо) используется для переработки в смолу и газ, а 73% сжигается на электростанциях для выработки электроэнергии. Такое соотношение имеет объективную причину: при существующей технологии только треть добываемых сланцев получается в виде достаточно крупных -25-125 мм - кусков, пригодных для термической переработки в смолу (в установках газогенераторного' типа - так называемых сланцевых генераторах) и в бытовой газ (в камерных печах). Заметим, что производство бытового газа из сланцев потеряло свое значение, и соответствующие агрегаты - камерные печи - будут постепенно демонтированы.

История техники сохранила длинный перечень аппаратов, применявшихся для термической переработки сланцев в смолу, но единственным промышленным агрегатом, выдержавшим испытание временем, остается генератор для переработки крупнокускового сланца. Простой принцип действия, несложная конструкция, надежность, сравнительно высокий коэффициент полезного действия - определяющие качества сланцевых генераторов. С 1924 г., когда в Кохтла-Ярве была создана первая такая установка, пропускная способность сланцевых генераторов выросла с 35 до-1000 тонн сланца в сутки; современные установки легки в обслуживании и управляются с помощью электронной техники.

Для решения проблемы использования мелкозернистого сланца осваивается метод переработки сланцев с твердым зольным теплоносителем - УТТ. Недостатки УТТ - необходимость использования сложной аппаратуры и высокое содержание минеральных примесей в тяжелых фракциях смолы. В целом освоение метода УТТ, начатое более 20 лет назад, происходит трудно и, по-видимому, еще далеко от завершения.

Общий недостаток всех процессов термического разложения сланца заключается в том, что зольный и коксовый остатки из-за токсичности не находят применения и направляются в отвалы.

Получаемая из прибалтийских горючих сланцев смола отличается низким содержанием серы, относительно малой вязкостью, низкой температурой застывания. Характерной ее особенностью является высокое содержание кислородсодержащих соединений, представленных как нейтральными, так и кислыми соединениями, в основном фенолами. Ниже-приводится перечень продуктов, получаемых на основе сланцевой смолы (в 1980 г. выработано 680 тыс. тонн смолы).

Сжигание горючего сланца с использованием его минеральной части.-Благодаря сооружению и освоению Прибалтийской и в особенности Эстонской ГРЭС впервые в мире в топливно-энергетический баланс широко вовлечены горючие сланцы, обеспечивающие соблюдение предельно допустимой концентрации вредных веществ, содержащихся в выбросах. На Прибалтийской ГРЭС установлены восемь турбогенераторов с единичной мощностью 100 МВт и четыре блока мощностью по 200 МВт.

Проблема комплексного использования горючих сланцев 23

На Эстонской ГРЭС размещены восемь блоков с единичной мощностью 200 МВт. Себестоимость производимой энергии составляет около 7 руб./МВт-ч.

Зола пылевидного сжигания сланцев полностью окислена, в ней образуются клинкерные минералы, необходимые для создания вяжущих материалов. В отличие от твердых остатков термической переработки она не содержит вредных для окружающей среды водорастворимых сульфидов, канцерогенных ПАУ (полициклических ароматических углеводородов), фенолов, карбонатной углекислоты и других продуктов неполного сгорания. Зола успешно используется как известковое удобрение в сельском хозяйстве, где ее потребление составляет более 3 млн. тонн ежегодно, для производства уникальных высокомарочных цементов, в качестве материалов для автоклавных силикатобетонных изделий в строительной индустрии. Например, очень эффективным оказалось производство на цементном заводе «Пунане Кунда» ЭССР сланцезольного портландцемента высших марок, использованного, в частности, для сооружения Таллинской телебашни и высотной дымовой трубы новой Таллинской ТЭЦ. По предварительным технико-экономическим расчетам, применение всей массы золы, образующейся при сжигании сланцев на Эстонской и Прибалтийской ГРЭС (до 12 млн. тонн золы в год), для известкования кислых почв в западных областях РСФСР может обеспечить ежегодный экономический эффект 112 млн. рублей за счет повышения урожайности (прибавка урожая зерновых - 2,5-3,5 ц/га). В Эстонской ССР производится известкование на общей площади 330 тыс. га, что позволит получать ежегодно дополнительной сельскохозяйственной продукции на 8,25 млн. рублей в год, а чистая прибыль составит 6,36 млн. рублей в год.

Для расширения дальнейшего использования золы в сельском хозяйстве необходимо увеличить число железнодорожных вагонов-цементовозов, автомобильных и тракторных разбрасывателей, а также сооружать местные склады для ее хранения.

Рождение, развитие и перспективы мировой сланцевой промышленности. Первый патент на термическую переработку горючих сланцев был выдан в 1694 г. в Англии. В развитии мировой сланцевой промышленности можно обнаружить два пика. Первый совпал с началом бурного развития капитализма, когда в первой половине прошлого столетия в Шотландии, Англии, Америке, Австралии, Франции и Швеции стали строиться сланцеперегонные заводы для получения светильного (лампочного) керосина. Однако открытие технологии бурения нефти в Пенсильвании в 1859 г. стало роковым для дальнейшего развития сланцевой промышленности. После первой мировой войны появились тревожные сигналы об исчерпании запасов нефти в мире, и в связи с этим началось оживление сланцевой промышленности. Появились новые сланцеперерабатывающие предприятия в Эстонии, Австралии и Китае. По указанию В.И. Ленина и при непосредственном содействии С.М. Кирова сланцевая промышленность стала создаваться в СССР. Открытие крупнейших месторождений нефти в арабских странах вновь затормозило развитие этой промышленности, и после второй мировой войны соответствующие предприятия Шотландии, Англии, Франции, Австралии и Швеции постепенно прекратили свое существование.

Сейчас мы находимся на пороге третьего подъема в развитии сланцевой промышленности во всем мире. Разведаны крупные месторождения горючих сланцев с мощнейшими пластами (толщиной от 10 до 300 и более метров) в США, Австралии, Югославии, Румынии, Марокко и других странах. Многие ведущие нефтяные фирмы заняты подготовкой крупномасштабного производства жидкого топлива из горючих сланцев.

В настоящее время существуют три основных проекта использования горючих сланцев: полукоксование для получения жидкого топлива и химического сырья, газификация для создания энергетического газа и синтез-газа, прямое сжигание сланцев для выработки электроэнергии. Методы гидрогенизации и термического растворения пока не вышли из стадии опытных работ и пригодны в условиях выделения концентрата керо-гена.

Полукоксование и газификацию сланца можно проводить в наземных установках или, при наличии мощных пластов, во внутрипластовом генераторе. Газификация горючих сланцев целесообразна при использовании высокосернистых и бедных глинистых сланцев (месторождения в Поволжье, Швеции и др.); уже доказана возможность и целесообразность производства метанола из синтез-газа бедных сланцев. Прямое сжигание в пылевидной форме или в кипящем слое наиболее целесообразно при переработке карбонатных сланцев, когда в процессе горения достигается связывание сернистого газа известью или окисью магния.

В перспективе самое важное направление использования горючих сланцев - получение из них жидкого, в первую очередь моторного, топлива. По мере истощения запасов нефти это направление становится все более актуальным. Поэтому, естественно, возникает вопрос: не варварство ли сжигать сланцы для получения электрической энергии? Пока нефть и нефтяной мазут используются в качестве топлива для получения электроэнергии и тепла, приходится заменять сланцами эти, еще более ценные, виды топлива. В настоящее время объединенная энергетическая система Северо-Запада СССР постепенно переходит на потребление энергии от атомных электростанций. Это значит, что в 90-х годах и позже сланцевые электростанции будут работать для покрытия полупиковой части графика нагрузки системы, и здесь вполне подходит метод прямого сжигания прибалтийских сланцев, заменяющий сжигание нефти.

Сегодня уже всем ясно, что необходима активная научная и техническая подготовка к созданию крупной отрасли народного хозяйства - получению искусственных жидких топлив из углей. Но горючие сланцы представляют собой еще более выгодное, чем каменный уголь, углеводородное сырье для получения искусственного жидкого моторного топлива. В соответствии с постановлением Президиума Академии наук СССР о повышении эффективности использования сланцев, Академия наук Эстонской ССР приняла меры к обеспечению и укреплению дальнейших исследований горючих сланцев, разработке новых методов их технологического и энергетического использования, исследованию отходов с обеспечением технологических режимов, всецело соответствующих экологическим нормам, предусматривая полное использование зольных отходов в народном хозяйстве.

Обязанности головного учреждения по развитию исследований сланцев и технологии их переработки возложены на Институт химии АН Эстонской ССР, однако, по-видимому, следует иметь в виду создание в будущем мощного комплексного Института сланцев в Академии наук СССР. Наша академия уточнила и существенно дополнила существующую с 1974 г. республиканскую программу «Горючие сланцы и их комплексное использование», создав комплексный план научно-исследовательских и опытных работ, а также указав перспективные направления разработки и использования эстонских горючих сланцев. Внесено предложение об организации под эгидой Академии наук СССР и Академии наук ЭССР журнала «Горючие сланцы».

Размещено на Allbest.ru