«Наука в Сибири» № 45 (2381) 22 ноября 2002 г. ЕДИНЫЙ ВЗГЛЯД Требуется разработать общую концепцию глубокой переработки углей и угольных отходов. В редакции "НВС" сохранились материалы XI Международного научного форума по энергетическим проблемам XXI века "Сегодняшние подходы к решению проблем завтрашнего дня". Форум проходил в Москве осенью 1987 года. В перечне рассматриваемых проблем были и вопросы, связанные с переходом топливно-энергетического хозяйства XX века, ориентированного на использование нефти, на более широкое использование газа и угля. События пятнадцатилетней давности еще раз доказывают, что даже самые актуальные проблемы в одночасье не решаются в мире, стране, регионе. Другое дело — нужно ли оглядываться в прошлое? Оказывается, — необходимо, тем более, если речь идет о науке и практике. Наука не устаревает, она развивается. Устаревают технологии. С этих позиций, не в мировом масштабе, а хотя бы в региональном, следовало бы вспомнить разработки программы "Сибирь", посвященные в данном случае глубокой переработке углей Кузбасса. Региональная научно-практическая конференция по этой тематике проводилась весной этого года в Кемерове. Об этом событии сообщалось в "НВС". Интересно, что на конференции Новосибирск представляли научные сотрудники Института катализа СО РАН и единственный представитель ЗАО "Энергия" инженер Эдуард Старке. Он выступил с докладом "Комплексный метод совершенствования коксохимического производства как кратчайший путь к развитию глубокой переработки углей Кузбасса". В публикуемой статье "Единый взгляд" Э.Старке и его соавторы Д.Черных и А.Гришин укрупнили тему. Они предлагают свою статью как начало широкого обсуждения проблемы для выработки общей концепции глубокой переработки углей (ГПУ) и угольных отходов. Очевидно, в таком обсуждении должны принять участие как ученые, так и проектировщики, производственники и представители органов управления. Выработка общей концепции даст возможность ускорить реализацию ГПУ, мобилизовать внутренние ресурсы Кузбасса и Сибири, изыскать источники финансирования, принимать обоснованные решения по планированию ГПУ и концентрированию средств на актуальных направлениях. * * * Развитие глубокой переработки углей и угольных отходов — это надежное средство обеспечения устойчивого развития не только Кузбасса, но и Сибири в целом, укрепляющей экономику России. Всеобщее признание нашла идея развития глубокой переработки природного сырья, особенно главного богатства Сибири — углей. Глубокая переработка кузнецких углей должна, по крайней мере, потеснить сырьевое направление, надежду на легкие "угледоллары". Однако существующую ситуацию можно охарактеризовать так: провозглашается глубокая переработка углей (ГПУ), а планируется и реализуется развитие сырьевого направления. Решение задачи по расширению масштабов ГПУ отодвинуто за пределы 2010 года. Это означает, что ощутимые для экономики региона результаты будут достигнуты лишь за пределами 2020 года! А до того будет развиваться только сырьевое направление, которое обещает мало дивидендов для Кузбасса, и закрепит статус России на мировом рынке в качестве сырьевого придатка развитых стран. Недаром в Кузбассе говорят: "Продолжение развития в сырьевом направлении — это путь в никуда". Первые шаги для реализации задач развития ГПУ в Кузбассе сделаны: Институт угля СО РАН преобразован в Институт угля и углехимии, организован Научно-производственный центр глубокой переработки угля, проведена региональная научно-практическая конференция по проблемам глубокой переработки углей Кузбасса (апрель 2002 г.). В чем же главная причина того, что развитие ГПУ буксует? Думается, что это — отсутствие обоснованной общей концепции ГПУ. В качестве начала этой работы авторы выдвигают на обсуждение перечень из пяти технологических направлений. Три из них опираются на существующие крупномасштабные технологии, от них можно ожидать отдачу уже в ближайшие годы, а два — перспективные, которые сегодня находятся в разработке и обещают серьезный результат спустя 15-20 лет. Направления эти следующие: энергетика, коксохимия, газификация, энерготехнология, направленное окисление и гидролиз. Энергетика, рассматриваемая как отрасль ГПУ (ведь уголь в процессе сжигания претерпевает очень глубокие превращения), наиболее крупный из существующих потребителей угля. Электроэнергия — основной продукт отрасли, — отличается высокой транспортабельностью и универсальностью применения. Спрос на нее в целом по России обеспечен: он будет расти вместе с общим ростом реальной экономики. Наконец, транспортировка электроэнергии по ЛЭП обходится дешевле, чем транспортировка угля по железным дорогам, поэтому в ряде стран электростанции строят при шахтах, чтобы не возить уголь. В России тепловые электростанции (ТЭС) построены в основном в местах потребления электроэнергии. На наш взгляд, разумно скорректировать политику размещения отрасли, то есть построить ряд мощных ТЭС в Кузбассе и соседних регионах. Сегодня в Кузбассе планируется строительство мини-электростанций, работающих на угольных отходах обогатительных фабрик. Это разумно, но не достаточно: мини-электростанции дадут и мини-вклад в экономику региона. Строительство в Сибирском федеральном округе (СФО) ряда мощных ТЭС потребует решить и территориальную проблему сбыта электроэнергии. Поэтому, наряду со строительством магистральных ЛЭП в Европейскую часть России и на энергодефицитный Дальний Восток, целесообразно продолжать размещение в СФО энергоемких производств, например, электрометаллургических и электрохимических. По нашему мнению, стоит также проработать вопрос о целесообразности использования электроэнергии для теплоснабжения ряда населенных пунктов СФО. Такая схема является основной во многих странах мира из-за удобства регулирования и низких эксплуатационных затрат. Внедрение ее можно начинать уже сегодня с элитных домов, жильцы которых в состоянии оплачивать услуги по высококачественному отоплению. Думается, что в развитии электроэнергетики в СФО можно заинтересовать зарубежных инвесторов. Коксохимия — вторая по объему потребления угля отрасль ГПУ. Существует расхожее мнение, что коксохимия как отрасль устарела, что отечественная коксохимическая промышленность нужна лишь черной металлургии (в которой спрос на кокс упал), что прикладная наука в этой отрасли перестала развиваться. С этим нельзя согласиться. Коксохимия — мощное, современное, отнюдь не устаревшее производство, технологические возможности которого далеки от исчерпания. Имеются значительные резервы для увеличения производительности коксовых батарей, расширения сырьевой базы коксования, снижения себестоимости всех продуктов коксования, снижения загрязнения окружающей среды. Коксохимическая отрасль располагает всем необходимым для развития в лице Национальной коксохимической ассоциации, объединяющей отраслевую науку, проектные, спецмонтажные и пусконаладочные организации. Что же до перспектив развития коксохимии, то они связаны отнюдь не только с черной металлургией. В самом деле, Алтайский коксохимический завод, специализированный на производстве недоменного кокса и химических продуктов коксования, не жалуется на упавший спрос. Нами предложен комплексный метод совершенствования коксохимического производства как кратчайший путь к развитию ГПУ. Кратчайший потому, что он может быть, для начала, применен на действующих коксохимических производствах — это потребует лишь нескольких лет и сравнительно небольших инвестиций. Согласно предлагаемому методу, коксующиеся угли нужно перерабатывать в горизонтальных камерных печах классического типа. Выход химических продуктов коксования предлагается увеличить за счет повышения в шихте доли газовых углей до 30-40%. Снижение прочности получаемого кокса предлагается компенсировать его механической обработкой, за счет которой выход крупного кокса (спрос на который упал) снизится, а мелких (дефицитных) классов кокса возрастет. Производительность коксовых печей предлагается увеличить как за счет частичного брикетирования шихты (этот способ, изобретенный заводским исследователем П.Турченко, широко применяется в Японии и других странах), так и за счет сокращения периода коксования. Кроме того, при неизбежных перекладках следует использовать для стен коксовых камер огнеупоры повышенной теплопроводности. И наконец, избыточный кокс предлагается газифицировать с направлением получаемого газа, например, на производство аммиака. Достоинство кокса как сырья для газификации — его однородность и отсутствие в его составе смолистых веществ, что упрощает технологию. Подчеркнем, что каждый из компонентов предлагаемого комплексного метода уже внедрен в промышленность. Суть предложения в том, чтобы внедрить их в совокупности. Это позволит увеличить масштабы коксования на существующих печах в 1,5-2 раза, при этом производство химических продуктов возрастет более чем в 3 раза, а производство доменного кокса будет соответствовать спросу на него. Дальнейшее развитие коксохимии на базе кузнецких углей предполагает создание в Кузбассе и близлежащих регионах новых, современных (в том числе и в экологическом отношении) коксохимических производств, базирующихся на предлагаемом комплексном методе, в сочетании с крупнотоннажной газификацией кокса и последующим получением из синтез-газа моторных топлив, метанола и другого сырья для органического синтеза. Газификация — третья реально существующая крупнотоннажная технология ГПУ. К сожалению, в России этой отрасли практически нет, но она есть во многих странах: в США, Германии и особенно в ЮАР. Проблема моторного топлива в ЮАР (где нет нефти и газа) решена именно путем газификации угля, объем которой в конце прошлого века достиг 90 млн т в год — это вдвое выше, чем объем коксования углей в России. Специализирующаяся на этом процессе фирма "Сасол" удовлетворяет около половины потребности ЮАР в жидких топливах, ее внешнеторговый оборот составляет более 1,6 млрд. долларов США. Сказанное означает, что крупнотоннажная отрасль газификации углей с производством жидких топлив может быть создана в Кузбассе в относительно короткие сроки путем закупки за рубежом технологий вместе с оборудованием. Этот же путь предлагают для своей страны украинские специалисты, которые, после тщательного изучения зарубежного опыта, пришли к выводу, что "создание крупнотоннажных установок газификации угля ... целесообразно осуществлять в сотрудничестве с какой-нибудь ведущей иностранной фирмой". Энерготехнология — первое из перспективных направлений ГПУ, включенных нами в перечень. Под энерготехнологией понимают группу процессов, в которых, наряду с выработкой чисто энергетических продуктов — тепла и электроэнергии — производят полукокс, химические продукты, строительные материалы, высокоценные металлы и пр. В середине прошлого века З.Чуханов предложил метод высокоскоростного пиролиза, на основе которого и был развит энерготехнологический метод. Суть его в том, чтобы в топках паровых котлов сжигать не уголь, а мелкозернистый полукокс — после того, как в результате высокоскоростного пиролиза образуются, улавливаются и передаются на переработку химические продукты. На основе этих разработок на заводе "Сибэлектросталь" (Красноярск) была создана опытно-промышленная установка скоростного пиролиза бурых Канско-Ачинских углей. На ней вырабатывался мелкозернистый среднетемпературный кокс, обладающий многими замечательными технологическими свойствами. Этот продукт был испытан в процессах сжигания, в процессах коксования углей с получением высокореакционных восстановителей для выплавки ферросплавов, при вдувании в горн доменной печи и в ряде других процессов. На основании этих работ была построена головная промышленная установка на Красноярской ТЭЦ-2 (в настоящее время не эксплуатируется). Как и многие другие перспективные разработки — и по тем же причинам — энерготехнология была фактически заброшена в 90-х годах прошлого века. Тем не менее, в научных кругах энерготехнологический метод З.Чуханова рассматривается как перспективный. Мы также считаем, что за энерготехнологическим методом — будущее. Он может найти применение и для глубокой переработки энергетических каменных углей Кузбасса. Направленное окисление и гидролиз углей и угольных отходов — второе перспективное направление ГПУ. В отличие от газификации, полностью разрушающей сложную химическую структуру угля, эти технологии позволяют использовать богатый химический (прежде всего ароматический) потенциал углей. В отличие от деструктивной гидрогенизации, они не требуют высоких давлений и специального производства водорода. По сравнению с коксохимической технологией (и даже с энерготехнологией) эти методы дают во много раз больший выход химических продуктов, и при этом не требуют использования дорогих коксующихся углей. Напротив, они ориентированы в первую очередь на использование некачественных (с традиционной точки зрения) углей, например, окисленных углей и угольных отходов. Основными продуктами рассматриваемых технологий являются водорастворимые бензополикарбоновые кислоты — ценное сырье для органического синтеза. Сапропелитовые угли (природа которых близка к природе нефти, а запасы в Кузбассе составляют 1 млрд т) образуют при направленном окислении алифатические поликарбоновые кислоты, также являющиеся ценным сырьем. В ИУУ СО РАН уже ряд лет проводятся фундаментальные исследования химической структуры углей и их превращений при термогидролизе и радиолизе (Ю.Рокотов, Ю.Патраков). Но разработка реальных технологий на этой основе и их опытная проверка пока не производятся. В свое время в Кузнецком филиале ВУХИНа проводилась разработка реальной технологии направленного окисления углей и угольных отходов (Э.Старке и Н.Жуков). Целевыми продуктами, в частности, являлись гуматы — удобрения, стимуляторы роста растений. Этот способ позволил резко увеличить выход водорастворимых гуматов из низкокачественных окисленных углей. Он основывался на предварительном экстрагировании сырья, окислении остаточных углей в "кипящем" слое, и повторной их экстракции. Гуматы — промежуточные продукты на пути превращения углей в поликарбоновые кислоты. Думается, что этот подход может быть применен и в технологиях направленного окисления углей в поликарбоновые кислоты, являющиеся более ценными продуктами по сравнению с гуматами. Заманчивость рассматриваемого направления в том, что простыми и недорогими способами удается получать высокие выходы жидких органических продуктов богатой реакционной природы. Поэтому можно не сомневаться, что в конце концов фундаментальные исследования совместно с прикладными разработками выведут окислительные и гидролизные превращения углей на уровень широкого промышленного использования. стр. 6