Газ из угля

За шумными дискуссиями о грядущем изобилии сланцевых газа и нефти почти незамеченной прошла новость из Польши о завершении очередной серии экспериментов по подземной газификации угля — так называется процесс превращения этого твердого топлива в газовую фракцию путем его подземного выжигания. Если все пойдет как надо, старые польские угольные месторождения обретут новую жизнь. А за Польшей может последовать и другая страна, где сильно не хватает, а угля в избытке, — Украина.

Подземная газификация, образно говоря, придумана самой природой: в мире есть места, где возникали подземные пожары. В результате такого пожара на поверхность выделяются газы, в том числе горючие. Однако подземная газификация отличается от пожара примерно так же, как сжигание дров в печке. Это управляемое горение, с отбором горючих газов и их последующей сепарацией. Подземная газификация в XXI веке может стать самым технологически чистым способом добычи энергии, не нарушающим природный баланс, который вдобавок способен изменить положение на рынке топлива.

Ленин как пророк газификации

История газификации как метода связана с именами Карла Вильяма Сименса, первым предложившим в 1868 году получать горючий газ сжиганием угля под землей, и Дмитрия Менделеева, который в 1880 году выдвинул законченную концепцию управляемого горения с подающей воздух скважиной и скважиной получения газов. В 1888 году он уже довел эту мысль до инженерных расчетов, опубликовал научную статью, однако идея не нашла отклика у углепромышленников.

Первый патент в мире на данный метод оформил в Британии американец А. Беттс в 1909 году, чем заинтересовался известный и влиятельный ученый, нобелевский лауреат сэр Уильям Рамзай. Знаменитый своими открытиями аргона, гелия и других благородных газов, Рамзай стал заниматься и газификационной тематикой. Он поддерживал эксперименты, которые были удачными, и надеялся на грядущий успех.

В общих чертах метод не изменился за последние 100 лет. Все секреты кроются в деталях

Одна из научных статей Уильяма Рамзая попалась на глаза бывшему тогда в эмиграции лидеру большевистского крыла российских социал-демократов Владимиру Ленину, который в марте 1913 года, то есть 100 лет назад, опубликовал в газете “Правда” заметку об “одной из великих побед” техники. Примечательно, что на эту заметку обращают внимание и западные специалисты угольной промышленности, поскольку Ленину не только удалось в нескольких фразах обрисовать выгоды нового метода, но и сыграть большую роль в развитии метода в будущем. Ленин решил, что раз для этого метода годятся даже самые бедные залежи каменного угля, то можно сэкономить огромные деньги на шахтах и труде шахтеров и понизить стоимость электроэнергии десятикратно.

По его словам “...электрификация всех фабрик и железных дорог сделает условия труда более гигиеничными, избавит миллионы рабочих от дыма, пыли и грязи, ускорит превращение грязных отвратительных мастерских в чистые, светлые, достойные человека лаборатории. Электрическое освещение и электрическое отопление каждого дома избавят миллионы „домашних рабынь“ от необходимости убивать три четверти жизни в смрадной кухне”.

Но начавшаяся Первая мировая война приостановила работы, которые совсем прекратились после смерти сэра Уильяма от лучевой болезни в 1916 году. Однако идеи Сименса, Менделеева, Беттса и Рамзая не пропали даром. Как известно, в СССР судьба той или иной теории в большой степени зависела от того, каково было отношение к ней в трудах Ленина. Поэтому советские углехимики смело развивали эти идеи, ведь у них был превосходный идеологический козырь.

Внедрение нового метода продвигали низовые организации партии большевиков в качестве “завета Ильича”. Первые эксперименты начались в 1928 году, а в 1933-м была создана Всесоюзная экспериментальная контора “Подземгаз”. К тому времени уже была запущена первая экспериментальная станции в Тульской области на месторождении бурых углей, затем в Лисичанске на Украине.

Но выбранная схема газификации была неудачной. В других условиях метод был бы заброшен как бесперспективный, но сталинская система не могла позволить погаснуть “ленинской искре”. В итоге с учетом проб и ошибок в 1935 году в Горловке, на Донбассе, удалось найти оптимальную на тот момент схему поджига пласта и получить устойчивое газообразование.

Успех Советской России вызвал интерес и на Западе — именно потому, что, как писал Ленин, этот метод позволяет отказаться от шахтерского труда и получать большую прибыль. Однако Вторая мировая война задержала этот процесс. Но после того как отгремели залпы и СССР, и США, и другие страны вновь вернулись к этой тематике, советские успехи открыто признавались и признаются той основой, с которой и началось распространение этой технологии по всему миру.

Такой разный газ

Геология угольных месторождений очень разнообразна. И к сожалению для угледобытчиков, далеко не везде уголь залегает на поверхности, чтобы его можно было добывать открытым способом, как, например, в Канско-Ачинском бассейне. С другой стороны, и подземные пласты часто залегают сложным образом, их мощность далеко не самая лучшая. Есть и просто те месторождения, которые в значительной мере уже выработаны, но еще имеют большие запасы угля, который добывать традиционным способом невыгодно.

Поэтому его хорошо превратить в горючий газ. Для этого уголь, который, по сути дела, является углеродом с различными примесями, нужно поджечь и подать ему окислитель — то есть или воздух (около 20% кислорода), или чистый кислород. Кроме этого, нужно подать туда водяной пар, то есть молекулы, содержащие два атома водорода и один — кислорода. Количество подаваемого кислорода и пара надо контролировать: горение должно быть не слишком активным, как в печке, когда дрова прогорают и по углям начинают бегать голубоватые язычки пламени от угарного газа.

В первом случае при так называемом воздушном дутье после сгорания под землей угля на выходе получается газ, в котором будет примерно 14% углекислого газа СО2, 14% угарного газа СО, до 16% водорода Н2 и около 55% азота N2. Остальное — севозможные примеси. Угарный газ и водород — это горючие газы, а азот и углекислый газ — негорючие. Полученный газ обладает сравнительно невысокой теплотворной способностью порядка 4 Мдж/м3, но он вполне пригоден для успешного использования в газотурбинных установках ТЭЦ или обычных котельных.

Если же задувать под землю смесь водяного пара и кислорода, то на выходе получается синтез-газ, в котором будет угарного газа до 35%, метана СН4 около 7% и водорода — до 50%. То есть горючая фракция в сумме будет превышать 90%. Такой газ имеет теплотворную способность свыше 10, а то и 13 Мдж/м3 и может использоваться на электростанциях для промышленной выработки электроэнергии, а также производства жидкого топлива.

По данным сибирских источников, себестоимость электроэнергии, получаемой таким путем, составляет от 0,45 руб./кВт.ч, при этом себестоимость производства электроэнергии угольной генерацией составляет примерно 1,6 руб./кВт.ч, а газовой генерацией — примерно 1,1 руб./кВт.ч. И хотя первые цифры рассчитаны для Сибири с их Кузбассом, а вторые — для Европейской части России, тем не менее можно говорить, что подземная газификация угля вполне может поспорить за место на энергетическом рынке.

К сожалению, долгое время в СССР и затем в России надеялись то на газ, то на атом и как-то подзабыли о подземной газификации. Из всего обширного советского наследия в 1996 году в России закрылась последняя станция подземной газификации угля в Кузбассе, которая в течение 40 лет бесперебойно снабжала горючим газом 14 малых котельных городов Киселевска и Прокопьевска. Закрылась она по причине физического износа оборудования. Мнение, что в стране полно природного газа, судя по всему, возобладало.

Соседи готовят ответный удар

Соседи России, лишенные доступа к запасам природного газа или желающие диверсифицировать его источники, отнеслись к старым технологиям с большим вниманием. Узбекистан сохранил Ангренскую станцию подземной газификации, запущенную еще в 1964 году, и с успехом газифицирует бурые угли Ангренского месторождения.

Поземной газификацией заинтересовались Казахстан, Киргизия, Грузия и даже Белоруссия, которая задумалась над подземной газификацией местных углей и горючих сланцев. И уж тем более активность растет на Украине, где работы ведутся не только на Донбассе, но так же и на новых площадках, например во Львовско-Волынском угольном бассейне. И первые результаты показали, что себестоимость газового топлива, полученного при подземной газификации углей данного бассейна, ниже почти в два раза, чем на станции подземной газификации в Узбекистане.

Все больше стран включаются в работы по подземной газификации углей

Специалисты из донецкого “Донгипрошахта” активно разрабатывают системы подземной газификации не только для своего региона — именно они консультировали узбекских коллег, чтобы продлить жизнь их станции. Специалисты полагают, что подземная газификация угля в Луганской области Украины позволит решить проблему доработки того угля, который остался после закрытия нерентабельных шахт. А это более миллиарда тонн сырья. Всего же, по подсчетам специалистов, на Украине для подземной газификации пригодно примерно 24 млрд тонн углей.

Считается, что для того чтобы получить 1 млрд кубометров газа, нужно газифицировать от 2 до 2,4 млн тонн угля. Значит, Украина располагает запасами угля для получения примерно 10 000 млрд кубометров газа. При ежегодном потреблении в 73 млрд кубометров газа этих запасов хватило бы на 130—140 лет. Во всяком случае, это неплохая отсрочка, и уж точно — и для Польши, и для Украины — реальная возможность снизить свою зависимость от импорта газа не только из России, а вообще откуда бы то ни было. То есть столь желанная энергетическая независимость.

Плюсы и минусы

Может возникнуть вопрос: а почему ранее метод подземной газификации угля не получил повсеместного развития? Дело в том, что система, предложенная 120 лет назад Менделеевым и развитая его последователями, далеко не совершенна. В 80-е годы появилась другая схема, разработанная в США, известная по своей аббревиатуре CRIP, для которой необходимо горизонтальное бурение скважин, в чем американцы признанные мастера.

Эта система до нынешнего года была самой совершенной. Это та же самая технология горизонтального контролируемого бурения, которая сделала возможной добычу сланцевых газа и нефти. Но в октябре этого года появилась еще одна технология, только-только запатентованная в Британии: система, когда все процессы проводятся через один куст скважин. Новая технология, получившая аббревиатуру SWIFT, обещает новые возможности для развитии подземной газификации.

По сути, именно сейчас, когда буровики практически стали управлять направлением скважин, открылись новые возможности метода. Но не только его эффективность ранее подвергалась критике. Сама идея, что где-то там, под землей, горит огонь, была для многих неприятной, хотя заранее можно рассчитать поле возможных осадок и их величину. В конце концов, горящий на большой глубине уголь можно легко потушить, оставив его без кислорода. Британцы, например, считают совершенно безопасным газифицировать те пласты, что залегают под морским дном. Там это точно никого не побеспокоит.

Другая проблема — это выбросы парниковых газов, в первую очередь углекислого, которым все горение и заканчивается. Сейчас этой проблеме уделяется много внимания. Но подземная газификация позволяет решить и этот вопрос — сепарируя СО2 и закачивая его обратно под землю. С другой стороны, в отличие от добычи сланцевого газа, здесь нет необходимости проводить гидроразрыв пласта, что уменьшает риск загрязнить продуктами горения подземные воды.

И все же метод подземной газификации благодаря развитию технологий бурения и контроля завоевывает все больше симпатий — даже в России. Вполне возможно, первым регионом, который начнет заново продвигать подземную газификацию в России, станет Чукотка. Осенью 2012 года Роман Абрамович вел переговоры с руководством компании Linc Energy, одним из мировых лидеров в подземной газификации, которая уже работает в Британии, Польше, ЮАР, Китае, Вьетнаме, Узбекистане и с декабря 2012 года — на Украине. Так что у старого метода может быть большое будущее, которое изменит многое на энергетическом рынке и в мировой политике.

Константин РАНКС