Для превращения органической массы угля в нефтеподобное вещество нужно решить три химические задачи: удалить из нее кислород, а вместе с ним и такие вредные примеси для топлива, как азот и сера, в виде соответственно воды, аммиака и сероводорода, израсходовав для этого много водорода, которого и так мало в угле; добавить в органическую массу водорода до соотношения водорода и углерода в нефти; разукрупнить макромолекулы органической массы угля до молекулярного веса компонентов нефти.
Из всех этих задач проще всего третья — уже давно в переработке горючих ископаемых применяются термические и термокаталитические процессы, в которых под действием тепла увеличиваются колебательные движения атомов в молекулах, рвутся наименее прочные химические связи и большие молекулы превращаются в меньшие.
Гораздо сложнее обстоит дело с присоединением водорода, то есть с процессом гидрогенизации, как он называется в технике. Если сравнить угли наиболее перспективного в нашей стране Канско-Ачинского бассейна с самотлорской нефтью, которая сейчас занимает первое место в общесоюзной добыче, то на 100 атомов углерода в угле приходится 96 атомов водорода и 27 атомов кислорода, а в нефти 180 — водорода и только 0,2 атома кислорода. Удаление кислорода в виде воды заберет 54 атома водорода, значит, нужно к оставшимся 42 добавить 138, то есть почти в четыре раза больше. На производство водорода нужно расходовать опять же уголь, значит, процесс усложняется стадиями газификации, конверсии окиси углерода и Очистки технического водорода.
Присоединение водорода к сложным органическим соединениям, слагающим уголь, протекает трудно и медленно. Нужны хорошие катализаторы, но они, как правило, дороги, а катализатор после сжижения угля неизбежно смешивается с золой и должен быть выброшен вместе с ней. Дешевые катализаторы малоактивны. Чтобы компенсировать низкую активность, в прошлом применяли высокие Давления (до 700 атмосфер) и температуры (до 450–480 градусов Цельсия). Но даже и в этих условиях органическая масса, переходя в жидкое состояние, не освобождалась полностью от вредных кислородных и азотистых компонентов.
Поэтому первичный продукт сжижения разделяли, тяжелую часть возвращали в цикл, а легкую, выкипающую до 325 градусов, дополнительно насыщали водородом и подвергали расщеплению под давлением водорода 300 атмосфер. Таким образом, технологический процесс складывался из трех последовательных стадий, не считая отдельных производств подготовки угля, дробления, замешивания его в пасту, производства водорода, выделений золы и ее нагрева Для возврата увлеченного с золой органического вещества, очистки сточных вод и т. д. Немудрено, что громоздкое оборудование стоило очень дорого, а сложная технология приводила к тому, что из-за многостадийное, частых нагревов и охлаждений лишь 35–40 процентов энергии, заключенной б угле, переходило в конечные жидкие продукты (энергетический КПД 35–40 процентов).
Все перечисленные причины и определили прекращение в 40-х годах производства синтетических топлив, реконструкцию предприятий по их производству в нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы.
Отсюда ясно, что себестоимость синтетического топлива чрезвычайно высока. К этому нужно добавить, что рост цен на нефть вызывает цепную реакцию подъема цен не только на промышленное оборудование, но и на уголь. Поэтому первые промышленные предприятия по производству синтетических топлив следует создавать только в районах, где имеются месторождения угля, позволяющие организовать дешевую открытую добычу.
СССР располагает таким уникальным месторождением, как Канско-Ачинский бассейн, запасы дешевых углей которого могут обеспечить сырьем производство синтетических топлив на многие столетия. Именно на основе богатств этого бассейна и должна быть решена задача организации производства жидкого топлива.
Однако если сырьевая проблема ясна, то технология этого производства, как было показано выше, еще требует коренного улучшения.
Придавая большое значение этой задаче, планирующие органы нашей страны составили целевую программу разработки процессов и оборудования для получения синтетических жидких и газообразных топлив из угля и других нефтяных видов сырья. Подобная программа, осуществляемая впервые в истории страны, призвана обеспечить научную и техническую базу для новой отрасли народного хозяйства — производства синтетических топлив. Программа предусматривает в течение 80-х годов проверить различные технологические решения в этой области на крупных опытно-промышленных установках, разработать технико-экономическое обоснование на сооружение первого промышленного предприятия и приступить к его строительству в двенадцатой пятилетке.
Программа направлена в первую очередь на вовлечение в переработку дешевых канско-ачинских углей, поэтому работы будут вестись в основном в Сибири. В планах предусмотрена комбинация процессов сжижения и газификации угля с производством электроэнергии или другими энергетическими процессами, что повысит общую эффективность процесса, позволит достичь энергетических КПД порядка 70–80 процентов и попутно решить экологические проблемы, предотвратив загрязнение атмосферы вредными продуктами сгорания угля.
Все работы будут базироваться на новых принципах управления химическими и физико-химическими процессами превращения органической массы угля в жидкое топливо.
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ИЗ-ПОД ЗЕМЛИ
Первые в европейской части СССР геотермальные электростанции появятся на Ставрополье, в Дагестане и Закарпатье, хотя в этих краях гейзеров нет и покой земли не нарушают ни пыхтение горячего пара, ни шум фонтанов кипятка, устремляющихся ввысь.
В нашей стране пока две такие станции — Паужетская и Паратунская, мощностью соответственно 11 тысяч и 700 киловатт. Обе они на Камчатке, или, как говорят, в районе активной вулканической деятельности. Там, где очень близко от поверхности земли много воды, она под высоким давлением фонтанирует, и температура ее самая подходящая — 250 градусов. Эту воду остается лишь сепарировать, сухой пар подавать на турбины электростанций.
Но такие уникальные районы у нас есть только на Камчатке и Курилах. А дешевая энергия нужна всюду. Ее поисками активно сейчас занята наука. И вот один из выводов, к которому пришли ученые: геотермальные электростанции, подобные камчатским, можно строить во многих других местах страны.
Давно известно, что каждые сто метров в глубь земли температура повышается на три градуса. В принципе можно пробурить достаточно глубокую скважину, чтобы добраться в земле до нужной температуры. Накачать в этот «горячий котел» воду, рядом пробить вторую скважину и с помощью взрыва соединить их. Холодная вода, которая нагнетается в первую скважину и попадает в «горячий котел», нагревшись до заданной температуры, начнет выбиваться из земли по второй. Получится своего рода гейзер, ничем не хуже камчатского.
Но для того чтобы нагреть таким путем воду, скважины должны быть сверхглубокими. Это дорого, пока невыгодно. Вот почему специалисты ищут так называемые термоаномальные площади, где температура через каждые сто метров повышается на 30–40 градусов. Таких площадей в стране много. И практически на каждой можно искусственно создать «вулканические» условия Камчатки и сооружать экономичные электростанции.
Сейчас в Дагестане, Ставрополье, Закарпатье впервые на выбранных участках уже начали строить три небольшие геотермальные станции, точнее, энергоблоки по 10 мегаватт. Они отличаются от камчатских. Условия здешних мест диктуют новый тип станций. Надо позаботиться о том, какое держать давление воды, какую температуру. Надо заботиться и о запасах подземных вод. Они тут не столь богаты. Поэтому предусмотрена система принудительного круговорота воды.
Эти небольшие станции строят в основном для разностороннего изучения, проверки всех параметров. Именно они — первенцы геотермальных электростанций нового типа — позволят приступить к строительству крупных станций мощностью до 200 мегаватт и более.
И не только в названных районах, но и в Средней Азии, Прибалтике, центре России.
По оценке ученых, уже к концу нынешнего века геотермальные станции могут давать пять процентов из общего количества вырабатываемой в стране электроэнергии.
СИНТЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО СЕГОДНЯ И ЗАВТРА
Во многих странах мира проводятся научно-исследовательские и опытные работы с целью создания новой технологии производства моторного топлива, газа и сырья для химической промышленности. Основа такой технологии — уголь, горючие сланцы и нефтеносные пески, запасы которых намного превышают запасы нефти.
Синтетическое жидкое топливо и газ из твердых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти.
