Глава 2 Роль угля в промышленной революции и в последующий период

Образование месторождений угля происходило в каменноугольном геологическом периоде, который начался примерно 360 и завершился около 290 млн лет назад. Появление угля явилось результатом анаэробного разложения растений. Напомним, что обычное разложение организмов до воды и С0₂ происходит в присутствии кислорода, а в отсутствие 0₂ отмирающие растения обуглероживаются. При отмирании растения часто погружались в болота или в илистые водоемы, где было мало кислорода, или покрывались осадочными породами. В условиях нехватки кислорода разложение растений протекало не до конца. Образовавшаяся губчатая масса, обогащенная углеродом, вначале превращалась в торф, который при последующих геологических процессах в условиях высоких температур и давлений в конце концов превратился в уголь.

В ходе этой эволюции уголь вобрал в себя не только углеродистый материал растений, но и аккумулировал энергию Солнца, накопленную в процессе фотосинтеза растений за многие миллионы лет. Этот источник энергии хранился в недрах Земли до тех пор, пока современный человек не проник в эти недра и не приступил к его использованию. В шкале геологического времени человечество начало использовать уголь совсем недавно. Исторически использование угля началось, когда римляне вторглись на Британские острова. Тогда уголь редко использовали для отопления, а основное применение «черного камня» было связано с изготовлением драгоценностей, поскольку он легко поддавался резьбе и полировке. Только к концу XII в. на Британских островах вновь заговорили об угле, но уже как о топливе, которое добывали вдоль берегов реки Тайн, особенно вблизи Ньюкасла, где находились богатые месторождения угля. Вплоть до середины XVI в. уголь как топливо использовался только в некоторых местностях. Но население Англии быстро увеличивалось, в особенности в Лондоне. И по мере того как город рос, с пригородных участков земли постепенно сводили лес, и древесину приходилось завозить из все более отдаленных районов. Лес использовали тогда не только для обогрева домов и приготовления пищи, но он служил топливом в большинстве производств, таких как пивоварение, выплавка железа и судостроение. Поскольку нехватка леса становилась все более и более заметной, его цена возросла настолько, что самые бедные слои населения уже не могли приобретать древесину. Это было особенно трудное время, потому что на Европу надвинулся так называемый «малый ледниковый период», который продолжался вплоть до XVIII в. Однако серьезный энергетический кризис так и не разразился благодаря углю, который к началу XVII в. постепенно стал основным топливом в стране. Правда, неприятные последствия не заставили себя ждать: из-за густого дыма от сжигаемого угля Лондон заработал себе репутацию города с самым скверным воздухом во всей Европе. В некоторые дни солнечный свет едва проникал сквозь угольный дым, а путешественники издалека чувствовали «запах» города.

В начале XVIII в. был изобретен паровой двигатель и уголь стал важнейшим источником энергии. Паровой двигатель, работавший на угле, стал основной движущей силой промышленной революции. В то время одной из главных проблем, стоящих перед угольной промышленностью, была борьба с затоплением шахт водой. В подземные угольные выработки поступала дождевая вода, проникающая с поверхности. Дополнительные сложности возникали, когда шахта уходила ниже уровня подземных вод и туда также проникали подземные воды. Шахты постепенно затапливались. Если шахты строились на холмистой местности, то для осушки можно было воспользоваться дренажными туннелями. Однако по мере того как шахты становились все глубже и глубже, необходимо было искать иные способы борьбы с водой. Самый старый метод заключался в том, что шахтеры поднимали воду в ведрах, привязанных к спине. Ясно, что этот способ был неудобным, и начались поиски путей увеличения эффективности труда рабочих. В частности, стали использовать цепочки ведер, т. е. примитивные формы насосов, приводимых в действие не только мускульной силой человека, но зачастую и ветряными мельницами, водяными колесами (рис. 2.1) или лошадьми. Однако ни один из этих способов нельзя было назвать дешевым или удобным.

Итак, одной из самых насущных проблем для тогдашней Англии был поиск способа борьбы с водой в угольных шахтах. Он и привел, в конечном счете, к появлению устройства, изобретенного провинциальным торговцем скобяными изделиями

Рис. 2.1. Откачка воды из средневековой шахты. Из гравюры книги Георга Агриколы «De Re Metallica» (книга 6, рис. 36), 1556 г.

А - ось, В - колесо, приводимое в движение ногами, С - зубчатое колесо, D - барабан из стяжек, Е - барабан с закрепленными железными хомутами, F - дополнительное колесо, G - шары

Томасом Ньюкоменом, который, хотя и не был ученым, но отличался пытливым умом. Его устройство состояло из поршня, который выталкивался наверх паром, выделяющимся при нагревании воды раскаленным углем, а затем двигался вниз за счет

Рис. 2.2. Машина Уатта, 1774 г.

падения давления, которое происходило при конденсации пара холодной водой. Поршень был связан со стержнем насоса, используемого при откачке воды.

В 1712 г. одна из машин Ньюкомена впервые была испытана в угольной шахте и сразу же завоевала популярность среди рабочих, потому что она обходилась дешевле, чем содержание лошадей, и с ее помощью можно было откачивать воду из более низких горизонтов. Недостаток машины состоял в том, что для ее работы, связанной с производством пара, необходимого для движения поршня, требовалось большое количества угля, и поэтому она не нашла широкого применения за пределами угольных шахт.

Приблизительно в это же время Джеймс Уатт, сын плотника из Шотландии, значительно улучшил паровой двигатель Нюко- мена. Уатт понял, что при впрыскивании пара и последующем охлаждении пара водой много тепла растрачивается впустую, поскольку один и тот же цилиндр необходимо непрерывно нагревать и охлаждать. Если же двигатель оборудовать отдельным холодильником, погруженным в холодную воду, и связать его с цилиндром, то цилиндр будет все время горячим, и можно будет избежать ненужных потерь тепла (рис. 2.2). Тем самым производительность парового двигателя была увеличена не менее чем в четыре раза, а сам двигатель вышел за пределы угольных шахт и нашел применение на заводах.

Однако настоящий прогресс в промышленной революции был связан с другим важнейшим технологическим изобретением: при выплавке чугуна стали применять коксующийся уголь. Прежде для производства чугуна, необходимого для создания механизмов и при сооружении заводов, использовали древесный уголь, получаемый сжиганием огромного количества древесины, из-за чего лес на Британских островах быстро исчезал. Древесный уголь давал тепло и углерод для восстановления железа из руды. Использование ископаемого угля при выплавке железа имело большой недостаток: из-за содержащихся примесей этот уголь часто оказывался непригодным для металлургии. После экспериментов в течение целого столетия, был найден ключ к решению проблемы выплавки чугуна с помощью ископаемого угля. Оказалось, что обжиг, который превращает древесину в древесный уголь, можно использовать и для отгонки из угля летучих веществ и превращения древесного угля в кокс. Уже к 1770 г. технология стала настолько совершенной, что кокс можно было использовать на всех этапах производства чугуна. Такой технологический прорыв не только избавил Англию от необходимости импортировать чугун, но уже через несколько лет вывел ее в число основных мировых производителей чугуна. Это позволило создать в стране мощные промышленные предприятия у себя дома и построить гигантскую империю за рубежом.

Развитие «угольной экономики» привело к концентрации все более крупных и механизированных предприятий вместе с работающими на них жителями в городских районах, что сделало их высокоэффективными производствами. Эпицентром этой промышленной революции стал Манчестер, занявший место главного производителя тканей в Англии. В этом же городе впервые в стране была построена общедоступная железная дорога на паровозной тяге. Эта дорога, соединившая Манчестер и Ливерпуль, была открыта в 1830 г. (рис. 2.3). «Отцом железных дорог» стал Джордж Стефенсон, который первым предвидел, что огромные массы угля можно будет перевозить по суше. С 1814 г. он начал строить паровозы, создав их первые практические модели, в числе которых «Ракета» (1829 г.). Изобретение паровоза со временем принесло поистине революционные результаты, выходящие далеко за пределы угольной промышленности.

Рис. 2.3. Локомотив Стефенсона «Ракета», 1829 г.

Введение в строй железной дороги между Ливерпулем и Манчестером принесло огромную пользу. За несколько первых месяцев ею воспользовались сотни тысяч пассажиров. Таким образом, стало ясно, что сеть железных дорог со временем превратится в транспортную систему, и в эту область хлынул поток капиталовложений. Хотя и другие европейские страны поспешили последовать примеру Англии, эта страна вступила в век индустриализации на 50 лет раньше, чем другие нации, и свое лидерство она сохраняла на протяжении почти всего XIX в. В 1830 г. на долю Англии приходилось 80% мировой добычи угля, а в 1848 г. - более половины мировой выплавки чугуна. В результате Англия вплоть до конца XIX в. оставалась самой высокоразвитой мировой державой. Только затем США, страна, находящаяся по другую сторону Атлантики и обладающая еще большими запасами угля и других ресурсов, обогнала Англию на пути индустриализации.

С исторической точки зрения уголь можно считать наиболее важным ископаемым топливом, давшим толчок промышленной революции, которая привела к современному индустриальному обществу. В XX в. нефть и природный газ, а также атомная энергия были дополнительными энергетическими ресурсами, и лишь постепенно вытеснили уголь при производстве электроэнергии. Стало распространяться мнение, что уголь является «грязным топливом», которое должно отойти в прошлое, и в будущем у него будет очень ограниченное применение. Только после того как в начале 1970-х годов разразился энергетический кризис и возникли большие сомнения по поводу безопасности атомной энергии, представления об угле как важном источнике электроэнергии вновь получили распространение. Поскольку запасы угля часто удалены от потребителя на значительное расстояние, а сам уголь представляет собой тяжелый и объемный материал, перевозка которого обходится дорого, обычно его используют вблизи от места добычи. Экономически обоснованные запасы угля огромны и по некоторым оценкам близки к 1 трлн т [2, 3]. При современных темпах потребления угля этих запасов хватит более чем на 170 лет. Обеспеченность добычи запасами оценивается отношением объема запасов к объему добычи (3/Д ); этот показатель для угля в три раза превышает показатель 3/Д для природного газа и в четыре раза - для нефти. В отличие от нефти и природного газа запасов угля хватит не меньше чем на 200 лет. Общие запасы угля по оценкам составляют более чем 6,2 трлн т [4]. Показатель 3/Д для угля мог бы быть еще большим, но поскольку уже имеющиеся запасы огромны, поиски новых промышленных месторождений ведутся слабо. За последнее столетие добыча угля возросла в 10 раз, хотя цена на уголь увеличилась мало. Благодаря непрерывному внедрению новых технологий добычи, продуктивность угольной промышленности улучшилась и продолжает улучшаться. Соответственно снижается стоимость добычи и переработки. Транспортировка угля, на которую падает до 50% стоимости при импорте угля в европейские страны и Японию, также становится все более рентабельной [5]. Более того, из-за наличия крупных месторождений, а также из-за конкуренции среди стран - производителей угля непрерывный рост цен на уголь вряд ли возможен и в обозримом будущем цены на угль, скорее всего, останутся стабильными. Ни запасы угля, ни его стоимость не смогут оказать решающего влияния на перспективу обеспечения населения топливом. Скорость извлечения угля из земляных недр определяется все еще ограниченным спросом на это ископаемое. В индустриально развитых странах, в которых уголь используется главным образом при производстве электроэнергии, спрос на уголь будет зависеть от конкуренции между углем и природным газом. Результат этой конкуренции будет определяться не столько экономическими соображениями, сколько возрастающими экологическими требованиями. Одна из причин, по которым от повсеместного использования угля приходится отказываться, связана с заботой об окружающей среде, поскольку по сравнению с нефтью и газом уголь является более экологически вредным топливом. При сгорании угля в воздух попадают значительные количества диоксида серы, оксидов азота и частиц в виде твердых аэрозолей. Уголь трудно очистить от ртути, свинца, мышьяка и даже урана, и эти тяжелые металлы при сжигании угля также оказываются в воздухе. В настоящее время непрерывно ведутся работы, направленные на уменьшение экологического ущерба от сжигания угля. Для этого разрабатываются методы очистки, которые могут существенно снизить или свести на нет выбросы S0₂, NO_x и аэрозольных частиц на уже существующих или строящихся предприятиях. Сейчас в ряде стран, в том числе и в США, разрабатываются нормы на выбросы ртути и других вредных примесей в угле. Однако до сих пор на крупных электростанциях не внедрены технологии улавливания выбросов С0₂. Учитывая растущую в обществе тревогу по поводу глобального потепления, электростанции, работающие на угле, должны срочно заниматься этой проблемой. В расчете на единицу выработанной энергии угольное топливо дает значительно больше выбросов С0₂, чем нефть и газ. Чтобы справиться с этой проблемой, разрабатываются «технологии чистого угля». Они направлены на повышение КПД станций, снижение доли выбросов и соответственно на снижение вредных экологических последствий работы угольных электростанций [4-6]. Ряд таких технологических процессов уже можно приобретать.

В процессе, известном как «сжигание угля на воздухе в кипящем слое» (AFBC, Atmospheric Fluidized Bed Combustion), уголь сжигают в кипящем слое при атмосферном давлении, а выделяющееся тепло приводит в действие паровые турбины. В настоящее время ведется разработка усовершенствованного варианта этой системы, получившей название «сжигание угля в кипящем слое под давлением (СУКСД)» [PFBC, Pressurized Fluidized Bed Combustion]. В этом процессе газ, образующийся при сгорании угля, непосредственно используется для вращения газовой турбины; электростанции работают в сверхкритических или даже в ультрасверхкритических условиях, под давлением пара свыше 22,1 МПа и при 566 °С. В таких условиях границы между водяным паром и жидкой водой стираются и обе фазы образуют гомогенный флюид. Такие станции уже действуют, и в обычном режиме они работают при давлениях до 30 МПа с КПД свыше 45%. Ведутся работы по использованию специальных металлических сплавов, которые, хотя и дороже, но более устойчивы к коррозии. Они позволяют работать при давлении до 35 МПа и поднять КПД электростанций свыше 50%.

Другая технологическая разработка, прошедшая промышленные испытания, но пока еще не получившая широкого распространения, известна как «интегрированный комбинированный цикл газификации угля (ИКЦГ)» [IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle], В этом процессе путем сгорания угля получают синтез-газ, который затем под большим давлением сжигают в газовой турбине, где генерируется электроэнергия. Отработанный газ, нагретый в этой же турбине, используется для производства водяного пара, который поступает в паровую турбину и там генерирует дополнительную электроэнергию. В США поставлена задача, использовать этот процесс и к 2010 г. довести КПД электростанции до 52%. Однако даже при такой эффективности электростанция, работающая по схеме ИКЦГ, выбросит в два раза больше С0₂ в расчете на 1 кВт-ч энергии, чем турбина, работающая в комбинированном цикле переработки природного газа, т. е. в том режиме, в котором работает большинство тепловых электростанций. Тем не менее в далекой перспективе стратегическое преимущество схемы ИКЦГ очевидно, поскольку этот процесс представляет собой первую технологическую схему производства электроэнергии на газифицированном угле. Этот процесс может служить мостиком на пути внедрения модернизированных электростанций, работающих на газе, таких, какие предусмотрены в грандиозном проекте FutureGen. Этот проект стоимостью 1 млрд долл, разработан по инициативе Департамента энергетики США и нацелен на создание экономически жизнеспособной электростанции с нулевым уровнем выбросов [7, 8]. Помимо электроэнергии эта станция должна производить водород из синтез-газа, образующегося при газификации угля, а С0₂ будет улавливаться и закачиваться под землю (см. также гл. 12, раздел по использованию С0₂ и Н₂ при производстве метанола).

С точки зрения перспективы получения энергии уголь имеет несомненное преимущество, поскольку его запасы огромны и распространены по всему земному шару. Кроме того, в отличие от нефти и газа уголь в будущем останется надежным сырьем, стабильность поставок и стоимость которого будут подвержены значительно меньшим колебаниям. Правда, у угля есть большой недостаток, связанный с очень высоким содержанием углерода, а кроме того, сохраняется неопределенность по поводу перспективы борьбы с вредными экологическими последствиями. Поэтому долгосрочные прогнозы использования угля будут зависеть от внедрения чистых процессов переработки угля, которые могли бы снизить или даже свести на нет выбросы соединений углерода. В любом случае, запасов угля хватит на двести-триста лет, т. е. на больший срок, чем запасов нефти и газа, хотя в масштабах времени существования человечества этот отрезок времени невелик.