Тема 4. Горючие сланцы

ВВЕДЕНИЕ

Сланцы также относятся к горючим ископаемым, как уголь, торф, нефть и природный газ. Соответственно по мере обострения энергетического дефицита интерес и актуальность темы добычи сланцевого газа возрастает. Многие эксперты рассматривают природный газ как сырье, которое быстро кончится и ищут альтернативу ему, например в сланцевом газе. В США происходит бурное освоение месторождений сланцевого газа. Но горючие сланцы это не только сланцевый газ.

Концепция безотходности позволяет по-иному взглянуть на проблему. Цель данной публикации - показать необходимость и эффективность приложения концепции безотходности к добыче этого вида сырья.

Горючие сланцы – достаточно распространенные породы. В пределах 500 км их можно найти у любого мегаполиса.

В частности разведаны российские месторождения:

▪Ленинградское;

▪Яренгское и Айювинское (Республика Коми);

▪Кашпирское под Сызранью, Озинкское в Саратовской области и Общесыртовское в Оренбургской области;

Месторождения на востоке Мордовии, в Чувашии, Кировской и Костромской областях;

Месторождения Восточной Сибири: Оленёкские - кембрийское и Забайкальское - раннемезозойское.

Широко развита добыча и переработка горючих сланцев на северо-востоке Эстонии. В США в больших объемах

осуществляется добыча сланцевого газа из сланцевых месторождений. Для его выделения из них применяется

горизонтальное бурение и гидравлический разрыв. На Украине пласты залегают достаточно глубоко, не на 1500 метрах,

как в Штатах и Германии, а на 2500, если не глубже, что изрядно поднимает себестоимость.

Общие потенциальные ресурсы горючих сланцев в мире оценены в 650 трлн т (26 трлн т сланцевой смолы).

Основные ресурсы - около 430450 трлн т (24-25 трлн т сланцевой смолы) сосредоточены в США (штаты Колорадо,

Юта, Вайоминг) и связаны с формацией Грин-Ривер. Большие запасы горючих сланцев есть в Бразилии, КНР, меньшие -

в Болгарии, Украине, Великобритании, Германии, Франции, Испании, Австрии, Канаде, Австралии, Италии, Швеции, на территории бывшей Югославии.

1.Понятие о горючих сланцах

Горючий сланец относится к топливно-энергетическому и химическому сырью и является нетрадиционным источником углеводородного сырья.

Горючий сланец - полезное ископаемое, залегающее на сравнительно небольших глубинах, относится к группе твердых каустобиолитов и состоит из органического вещества (10-50% по массе) и минеральной части. Промышленную ценность представляет как органическая, так и минеральная части сланцев, основными компонентами которой являются карбонаты и алюмосиликаты.

Сланцы используются для энергетических и технологических целей: в качестве топлива в производстве тепловой и электроэнергии (при прямом сжигании), являются сырьем для получения жидкого топлива (при глубокой переработке),

а также сырьем для химической, металлургической отраслей и строительства. горючий сланец топливо термохимический

Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальцыты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит,

каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и др.) и органических частей (кероген), последняя составляет 10—30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50—70 %. Органическая часть является био- и

геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение

(талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).

Горючие сланцы бывают нескольких типов:

• сапропелитовые-кукерситы. Эти горючие сланцы состоят в основном из продуктов превращения простейших водорослей и животных материалов.

• гумито-сапропелитовые. Эти горючие сланцы состоят в основном из измененных остатков высших растений.

Установлено, что по сравнению с традиционными способами редких металлов из сланцев подземное выщелачивание имеет ряд несомненных преимуществ:

-низкие капитальные и эксплуатационные затраты на организацию производства;

-быстрый возврат капитальных вложений;

-сокращение сроков ввода предприятия в эксплуатацию; -меньший расход электроэнергии, малая потребность в оборудовании;

-меньшее воздействие вредных факторов производства на персонал и окружающую среду;

-резкое сокращение потребности в объектах сбросных продуктов и объемов их утилизации;

-возможность рентабельной отработки низкосортных руд, что повышает извлекаемые запасы и расширяет сырьевую базу;

- способ подземного выщелачивания был достаточно хорошо опробован в урановой отрасли и трансфер технологий сведет производственные риски к минимуму

2.Применение горючих сланцев

Горючий сланец используется в качестве топлива и энергохимического сырья. Из сланцевой руды, например,

хорошо получаются различные химические продукты. Это фенолы, пластификаторы, клеевые вещества, а так же вещества для борьбы с эрозией почв и борьбы с сорняками. Из отходов горючих сланцев получаются строительные материалы (цемент и прочее). В основном сейчас горючие сланцы рассматривают как возможное сырье для получения нефти и газа.

Горючие сланцы Беларуси представляют собой глинистые, мергелистые, известковистые и туфогенно-

карбонатные породы, содержащие от 2-3% до 28% органического вещества сапропелевой природы.

В Беларуси выявлено два месторождения горючих сланцев - Туровское и Любанское. Прогнозные ресурсы Любанского месторождения - 1,2 млрд.т, Туровского - 2,7 млрд.т. Глубина залегания сланцев - от 50 м до 375 м,

мощность пласта - от 0,6 м до 2,7 м.

Белорусские сланцы характеризуются низким качеством: низшая теплота их сгорания составляет 1-1,5 тыс.ккал на кг, зольность - 78-80%, выход первичной смолы - 7,8-9,5%, выход летучих соединений - 15-25%, содержание серы - 2-

3%. Они непригодны для прямого сжигания и требуют предварительной химической переработки. При проведении геологоразведочных работ на месторождениях свободного сланцевого газа не установлено.

Разработка горючих сланцев с учетом глубин залегания и мощности пластов может осуществляться только подземным (шахтным) способом. Вовлечение ресурсов горючих сланцев в топливный баланс республики возможно путем их термической переработки с твердым теплоносителем. Эта технология отработана и имеет самую высокую эффективность использования горючих сланцев. При переработке 5 млн.т в год горючих сланцев Туровского месторождения по данной технологии можно получить около 300-325 тыс.т сланцевой нефти, газового бензина - 45-50

тыс.т, газа - 175-275 млн.куб.м.

Исходя из особенностей горючих сланцев в Беларуси и условий их залегания, получение сланцевого газа методом подземной газификации не представляется возможным. Определенные надежды возлагаются сегодня на наземные технологии переработки этих полезных ископаемых.

Вообще технологии, связанные с искусственным получением жидких и газообразных энергоносителей из твердых видов топлива путем термической обработки, прекратили свое активное существование в 70-х годах прошлого века, не выдержав элементарной конкуренции, когда начала бурно развиваться добыча природного газа и нефти. При дешевой нефти добывать и перерабатывать горючие сланцы, обнаруженные в Беларуси еще в 60-е годы прошлого века, было экономически невыгодно. С учетом нынешней цены нефти переработка горючих сланцев пока по-

прежнему может казаться не очень экономически выгодной. Но если цена барреля нефти будет свыше 100 долларов

(тонна нефти, соответственно, 600 долларов), то переработка горючих сланцев в Беларуси станет экономически

Макет космического корабля «Восток-1» в павильоне «Космос» на ВДНХ. За ним — цитата К. Э. Циолковского:

«Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчёт. И уже в конце концов исполнение венчает мысль»

целесообразной. Во всяком случае, надо быть готовыми к изменению ситуации и хорошо представлять, что мы можем получить из собственных сырьевых ресурсов.

В Институте природопользования НАН Беларуси есть лабораторные установки, на которых мы можем получить газ из бурого угля, торфа, растительной биомассы и горючих сланцев. Это оборудование хорошо моделирует те процессы, которые имеют место в промышленности. В 2007 году, когда геологи достали нам технологическую пробу –

150 килограммов горючих сланцев Туровского месторождения, мы провели исследование на наших установках. В

результате подтвердился выход смолы в 8-10 процентов (это 100 килограммов) и горючих газов – пять процентов (около

40 кубических метров высококалорийного газа) из тонны сланца. Сегодня мы отрабатываем технологии, которые позволят добиться максимального выхода либо жидких продуктов, либо газа. Во что перерабатывать горючие сланцы – в смолу (сланцевую нефть) или газ, зависит от потребностей каждой страны. Если ставится задача максимального получения сланцевой нефти, предлагается одна технология, с одной температурой пиролиза (термического разложения вещества без доступа воздуха). Если нужен высокий выход сланцевого газа, соответственно, требуется совсем другая технология с иным температурным режимом. При пиролизе в неподвижном слое получаем около пяти процентов газа, а

при пиролизе в подвижном слое в два раза больше. Наиболее прогрессивной считается сейчас технология с твердым теплоносителем (пиролиз сланца в подвижном слое, где он нагревается за счет собственной золы).

Именно эта технология используется в Эстонии, где добыча и переработка сланцев очень развита. При переработке горючих сланцев на агрегатах с твердым теплоносителем УТТ-3000 (его цена около 100 млн. долларов,

производительность миллион тонн в год) получается 65 тыс. тонн смолы, газового бензина – около 10 тыс. тонн, газа –

36-58 млн. кубометров, золы – 750 тыс. тонн в год из миллиона тонн. Из сланцевой нефти можно получить бензин,

дизельное топливо и мазут. Самый серьезный недостаток данной технологии переработки горючих сланцев состоит в высоком выходе золы. Поэтому свою задачу сейчас мы видим в том, чтобы найти применение минеральной части горючих сланцев, свести к минимуму негативные для экологии последствия, которые неизбежны при любом способе переработки. Мы рекомендуем использовать золу в дорожном строительстве, для получения строительных материалов,

в сельском хозяйстве. Сейчас все чаще говорят о том, что применение золе можно найти, рационально ее использовать и не создавать огромных отходов. В этом случае, по нашим предварительным расчетам, себестоимость сланцевой нефти может составлять примерно 600 долларов за тонну.

Повышение эффективности горючих сланцев возможно за счет их совместной термической обработки с торфом,

бурыми углями, сапропелем или полимерными отходами, что позволит повысить выход целевых продуктов и снизить их себестоимость. Выход смолы, скажем, при переработке горючих сланцев с сапропелями (то вещество, из которого сланцы образовались) примерно в два-три раза больше. Переработка горючих сланцев с полимерными отходами

(полипропилен, полиэтилен, или изношенные шины) тоже дает очень хорошие экономические показатели. Одним словом, если задействовать весь потенциал твердых горючих ископаемых (торф, бурый уголь и сланцы), а также горючие отходы, то значительный процент топливных ресурсов в перспективе можно получать из местного сырья.

Но для того, чтобы получение сланцевой нефти (или газа) приобрело промышленные масштабы, нужно провести детальную разведку месторождений и организовать добычу горючих сланцев. Только в этом случае можно говорить о составлении бизнес-проекта для реализации.

Предварительно можно сказать, что, несмотря на невысокое качество наших горючих сланцев при соответствующих технологии и оборудовании, методом термохимической переработки можно получить ценные углеводородные жидкие и газообразные энергоносители.

3.Запасы горючих сланцев

Общепринятой оценки мировых запасов горючих сланцев нет. Общие потенциальные ресурсы горючих сланцев в мире оценены в 450 трлн. т (26 трлн. т сланцевой смолы). Основные ресурсы — 431 трлн. т горючих сланцев (24,6 трлн.

т сланцевой смолы) — сосредоточены в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг) и связаны с формацией Грин-Ривер.

Крупные бассейны имеются в Бразилии (Ирати, Параиба), KHP (Фушунь). Многочисленные месторождения горючих сланцев известны также в НРБ, Великобритании, ФРГ, Франции, Испании, Австрии, Канаде, Австралии,

Италии, Швеции, СФРЮ. Общие ресурсы горючих сланцев в CCCP (1984) 214 млрд. т, балансовые запасы (категорий А+В+С1+С2) 12 млрд. т. Основные бассейны и месторождения CCCP (в скобках ресурсы и балансовые запасы, млрд. т):

Прибалтийский бассейн (21,1 и 7,6), Волжский (29,7 и 3,3), Вычегодский (28 и 0), Тимано-Печорский (6 и 0,55),

Сырдарьинский (24,6 и 0), Амударьинский (ресурсы 22,3), Кендерлыкское месторождение, восточный Казахстан (2,5 и 1,7), Болтышское месторождение, УССР (ресурсы 4,5).

В промышленном масштабе горючие сланцы добываются в CCCP (37 млн. т) и KHP (30-50 млн. т). В других странах (Франция, США, ФРГ, Австралия, Великобритания, Швеция, НРБ, ЮАР) добыча горючих сланцев велась в разные периоды. В CCCP горючие сланцы добываются на

(1984). Подземная добыча осуществляется механизированным способом с применением главным образом камерно-

столбовой системы, меньше — камер-лавами и в отдельных случаях — длинными столбами с отработкой их

мощные из них — Прибалтийская и Эстонская — потребляют около 20 млн. т горючих сланцев в год. Технологическая переработка осуществляется на трёх крупных сланцеперерабатвающих предприятиях; Кохтла-Ярве, Кывыили

(Эстонская CCP), Сланцы (Ленинградская область) и на небольшом Кашпирском сланцеперегонном заводе.

Переработка горючих сланцев в CCCP — полукоксованием в шахтных генераторах с целью получения сланцевой смолы и водно-растворимых фенолов и коксованием в камерных печах для производства бытового газа. Смола используется как жидкое топливо, компонент шпалопропиточного масла, для производства электродного кокса и др.

Фенолы идут на производство синтетических дубителей, клея, лаков, мастик, модификаторов резины, тампонажных составов и других ценных химических продуктов. На Кашпирском сланцеперегонном заводе из горючих сланцев получают ихтиол. Твёрдые отходы переработки горючих сланцев (зола, сланцевый полукокс и кокс) широко используются в промышленности строительных материалов для производства минеральной ваты, сланцезольного портландцемента, силикатного кирпича, автоклавных изделий из тяжёлого сланцезольного бетона и газозолобетона, а

также в дорожном строительстве и для известкования почв. Карбонатные отходы добычи и обогащения горючих