Повышение эффективности использования минерального сырья. Грани проблемы

ние стали редкоземельными элементами резко повышает ее качественные характеристики. Редкие земли могут быть использованы для повышения продуктивности почв.

При сооружении в Кузбассе энерготехнологического комплекса, перерабатывающего низкозольные энергетические угли, будет производиться генераторный газ для целей коммунального потребления и среднетемпературный кокс, подлежащий помолу для последующего направления в домны в качестве пылеугольного топлива. Содержащиеся в среднетемпературном коксе редкие земли легко отделить и направить для дальнейшего использования.

Априорно было ясно, что с увеличением количества предприятий, охватываемых метатехнологией, экономический, экологический и социальный эффекты будут нарастать. Это предположение было подтверждено работой украинских специалистов, которые выполнили анализ по группе из сотен предприятий, расположенных на территории Донецко-Приднепровской впадины. Там также результаты определялись возможностью изменения и слияния основных единичных технологических процессов. Показана возможность сокращения объема перерабатываемой горной массы в семь раз с соответствующим экономическим эффектом. Для этого густонаселенного района с развитой горнодобывающей и металлургической промышленностью особую значимость имеет снижение нагрузки на окружающую среду.

До настоящего времени наличие сероводорода, в частности в природном газе, рассматривалось с позиции защиты от его вредного воздействия на последующие технологические процессы. Международный научнотехнический центр следующим образом формулирует тематику исследования: разработка высокоэффектив-

21

ной технологии обессеривания природного газа на основе недорогого, компактного устройства сероочистки для энергоустановок на топливных элементах. Безусловно, работа в современных условиях необходима. Однако обращает на себя внимание то обстоятельство, что сжигание обессеренного природного газа не избавляет от выбросов в атмосферу двуокиси углерода — одного из главных компонентов формирования парникового эффекта.

Вподавляющем большинстве энергоустановок на топливных элементах в качестве топлива используется природный газ, который подвергается каталитическому риформингу, превращаясь в газовую смесь, обогащенную водородом, используемую в батарее топливных элементов для электрохимической реакции окисления. Однако риформеры и топливные элементы быстро теряют активность и выходят из строя при отравлении ядами, содержащимися в природном газе. Поэтому при использовании в топливных элементах природного газа возникает необходимость его предварительной очистки от сероводородсодержащих соединений, в частности от сероводорода и меркаптана. Задача разделения сероводородсодержащего природного газа на два и даже на три компонента является очень сложной, особенно для реализации в промышленных установках.

Вэнергоустановках на топливных элементах обычно используют методы сероочистки на синтетических цеолитах и каталитического поглощения предварительно гидрированных сероорганических соединений. Во многих случаях сероочистку природного газа предпочтительнее проводить в режимах низких температур. Поэтому в настоящее время в отечественной практике наиболее широко в энергоустановках на топливных элементах очистку газов от серы производят методом

22

физической сорбции с использованием синтетических цеолитов. Такая технология отличается низкой сероемкостью и ограниченной селективностью серосодержащих элементов в присутствии других компонентов, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик и удорожанию устройств.

Технология каталитического поглощения требует разогрева аппарата примерно до 4000 °C, что связано с поглощением генерируемой энергии, это удлиняет время запуска и затрудняет работу аппарата при переменных режимах. Кроме того, в описанных технологиях эффективность сероочистки изменяется в зависимости от концентрации сероводородсодержащих соединений в газе. За кадром также остается вопрос о том, что дальше делать с забитыми серой адсорбирующими синтетическими цеолитами.

До сих пор решалась задача применительно к условиям группы оренбуржских месторождений природного газа, где содержание сероводорода имеет относительно ограниченное значение — 15–17 %. Задача многократно усложняется при переходе к отработке Астраханского месторождения в России и группы месторождений в районе полуострова Мангышлак в Казахстане, особенно Тенгизского, где содержание сероводорода в природном газе достигает 42 %.

Альтернативой перечисленным методам является процесс прямого разложения сероводорода на водород и элементную серу. Этот путь кажется привлекательным в силу возможности получения водорода, а также утилизации примесей в виде элементной серы.

Целью разработок, проводимых Центром международных проектов, являются создание хемосорбентовкатализаторов и технологии очистки природного газа перед его использованием в энергоустановках на то-

23

пливных элементах методом низкотемпературного разложения на водород и элементарную серу, а также создание на их основе средства сероочистки природного газа. Эффективность функционирования хемосорбента-катализатора не должна зависеть от концентрации сероводорода в природном газе. Сероемкость хемосорбента-катализатора не должна быть менее 5 % весовых. Кроме того, намечено разработать катализаторы для низкотемпературного удаления меркаптанов из природного газа.

Основываясь на результатах фундаментальных исследований Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Центр международных проектов предлагает принципиально новый подход к осуществлению реакции прямого разложения сероводорода, который обеспечит очистку природного газа.

Несомненно, этим направлением надо продолжать заниматься. Однако ввиду сложности и многооперационности предлагаемой технологии есть основания сомневаться в том, что она выйдет за пределы лабораторных работ. А если и выйдет, то в весьма измененном в сторону упрощения виде.

Необходимо иметь в виду, что концентрация сероводорода достигает своих высоких значений в крупнейших мангышлакских месторождениях природного газа, для эксплуатации которых необходима прокладка газопроводов в центры сосредоточения промышленного производства. Здесь уже трудно сказать, что является определяющим фактором освоения месторождений: производство водорода для водородной энергетики и серы для химии, в том числе химии серополимеров, или производство природного газа для последующего использования в котлах и топливных элементах. Оба эти способа использования природного газа несвободны

24

от масштабного образования двуокиси углерода как тепличного газа. Также еще предстоит изучить вопрос о том, в какой мере концентрированное производство водяного пара и возникающее при этом тепловое загрязнение скажутся на состоянии окружающей среды.

Вэтой связи целесообразно обратиться к другим источникам получения сероводорода для того, чтобы не ставить себе задачей очистку природного газа от примесей серы, а использовать традиционный изобретательский прием «обратить вред в пользу». При этом целесообразно напомнить высказывание акад. А. Е. Ферсмана

отом, что из всех полезных ископаемых на земле самым ценным является вода.

ВЧерном море сероводород присутствует во всей глубинной акватории, приближаясь к поверхности в центре моря, и до 300 м у берегов. Сероводород в морской воде — не уникальное свойство Черного моря. Воды, содержащие этот газ, бывают в Индийском (Красное море), Атлантическом (побережье Намибии) и Тихом (побережье Перу) океанах, временами появляются в Каспийском и других морях и даже в пресноводных озерах (Мертвое море). Запасы сероводорода в Черном море оцениваются в 80 % мировых и достигают одного миллиарда тонн. Сегодня известны три главных источника сероводородного насыщения водоемов: 1) переработка сульфатредуцирующими бактериями сульфатов при разложении мертвого органического вещества; 2) сероводород просто выделяется при гниении серосодержащих органических веществ; 3) сероводород может поступать из глубин земной коры гидротермальными водами из расщелин морского дна. Таким образом, этот ресурс является возобновляемым.

Известно, что во время Крымского землетрясения в 1927 г. Черное море «горело». Пламя охватывало значи-

25

тельные районы как по площади, так и по высоте. В Библии написано, что «горело» и Мертвое море, поскольку в древние времена эта область была очень сейсмически активной. Все изложенное позволяет говорить о том, что сероводород является крупным энергетическим ресурсом, который пока недостаточно оценен.

Появляется возможность управляемого использования этого энергоносителя для производства электроэнергии с применением созданных технологий предварительного разложения сероводорода на водород и серу. Серьезную потребность в экологически чистом источнике (водородная энергетика) в этом регионе испытывает не только Россия, но также все причерноморские государства: Украина, Молдова, Румыния, Болгария, Турция, Грузия и Абхазия.

Важными преимуществами извлечения сероводорода из воды являются следующие: технология извлечения газа из жидкой среды гораздо проще, чем из однородной; не требуется бороться с отравляющими катализатор веществами, содержащимися в природном газе; степень извлечения сероводорода как возобновляемого ресурса не имеет значения с позиции полноты использования, и она превращается в задачу технико-экономического обоснования.

Представляют определенный интерес разработки Института биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины, которые открывают путь к получению электроэнергии и серы прямо из сероводорода, без предварительного химического преобразования в водород. Ключевыми элементами разработки являются электрохимические генераторы и топливные элементы, которые работают на водороде или водородсодержащем сырье. Такие элементы пока существуют только как лабораторные образцы. Привлекательной сторо-

26

ной разработки является то, что она позволяет получать электроэнергию непосредственно из морской воды, содержащей сероводород без выделения и очистки водорода. Важно и то, что при выработке электроэнергии таким способом в окружающую среду не выделяется углекислый газ, а вода без извлеченного из нее сероводорода возвращается обратно в море.

Существуют также и технические трудности на пути использования сероводорода. Для питания электрохимического генератора мощностью только 60 МВт требуется площадь поверхности электродов около 1 кв. км. Топливные элементы на природном газе существуют в лабораториях уже несколько десятков лет, но промышленный образец пока не создан.

Не менее актуальна проблема расширения области использования серы за пределы ее применения в сернокислотном производстве, где потребляется порядка 50 % этого вещества. В производстве 88 из 150 важнейших химических продуктов используют либо саму серу, либо

еесоединения. Тем не менее в мире существует избыток серы. Обнаружена эффективная область использования

еев виде серополимеров, сероасфальта и серобетона, но реальные объемы применения пока весьма ограничены.

Водород может быть использован для гидрирования угля в целях повышения теплоты его сгорания. Сероводород — сильный восстановитель, и этим его свойством пользуются во многих химических производствах.

Наукоемкие высокотемпературные технологии с использованием расплавленных и твердых электролитов, развитием которых занят Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН (г. Екатеринбург), будут играть всё возрастающую роль при решении и реализации базовых практических задач, определяющих технический прогресс:

27

-производство новых материалов с заданными свойствами для машиностроения, включая авиа- и ракетостроение, электронику, энергетику, синтетическую химию и другие отрасли промышленности, каталитические аспекты использования твердых и расплавленных электролитов;

-электрохимическая энергетика, связанная с протеканием окислительно-восстановительных реакций в системах с расплавленными и твердыми электролитами (в первичных источниках тока, аккумуляторах, топливных элементах и электролизерах для получения водорода и природных топлив), обеспечивающих прямое и наиболее рациональное превращение химической энергии

вэлектрическую;

-технологии глубокой переработки природного и техногенного сырья с использованием электрохимических методов, включая подготовку и регенерацию ядерного горючего и переработку радиоактивных отходов.

Дражный способ эксплуатации россыпных месторождений является одним из самых неэффективных с точки зрения полноты использования недр. Замечено, что дражный полигон приходится отрабатывать по три-четыре раза, и при этом количество извлеченного полезного компонента меняется незначительно. Это не может быть объяснено поступлением дополнительного материала из выветриваемого коренного массива.

Кроме того, разделение полезного компонента и песков производится на драге с помощью спиралеобразных лотков, в которых водный поток с содержанием песка и полезного компонента центробежной силой делится на части. Для выгрузки полезного компонента на всем протяжении лотка созданы отверстия определенного размера. Если размер полезного компонента превышает размер отверстия (а это, как правило, самород-

28

добывающих стран происходят по нескольку десятков ежегодно. Идея использования в шахтах искусственной атмосферы не является новой, этой проблемой отечественная наука занималась в 1960–1990 гг., однако практических решений не было найдено. В 2001 г. такое решение было получено и запатентовано.

Вместе с тем новация, кроме кардинального решения проблемы безопасности, имеет еще несколько положительных сторон. Газовые шахты могут стать производителями не только угля, но и второго ценного вида топлива — метана, количество которого по энергетическому потенциалу может достигать десяти и более процентов от угледобычи. При этом метан добывается попутно.

Экономическая эффективность работы шахт может значительно увеличиться за счет интенсификации производственных процессов. В настоящее время очистное оборудование на газовых шахтах не может использоваться на полную мощность из-за ограничений по газовому фактору, так как при повышении нагрузок на него технически невозможно разбавить метан до безопасных концентраций. При использовании искусственной атмосферы возможны применение более экономичных систем разработки угольных пластов, сокращение количества объемов проведения подготовительных выработок.

При полномасштабной реализации новшества можно говорить и об экономическом эффекте. Исключается выброс метана в атмосферу, который, как парниковый газ, в 20 раз опаснее двуокиси углерода.

Схема может быть реализована в течение полуторадвух лет при затратах (включая медико-биологические исследования) в 12–15 млн руб.

30