Горючие сланцы — полезное ископаемое из группы твердых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 млн лет назад на дне моря из растительных и животных остатков. При сгорании горючие сланцы выделяют тепло, а при термическом разложении — сланцевое масло (этот продукт является аналогом тяжелой нефти и используется как топливо вместо мазута), горючие газы и подсмольные воды. Оба процесса сопровождаются образованием золы.
Горючие сланцы:
Горючие сланцы – это полезное ископаемое, твердая горючая осадочная порода, вид ископаемого топлива, состоящая из органической и минеральной частей.
Горючие сланцы – это осадочная порода со слоистой (пластинчатой) структурой серого, тёмно-серого, черного, коричневого, желтого и оливкового цвета. Легко распадается на отдельные плитки, слои.
Минеральная часть представлена осадочной горной породой, а органическая – керогеном. Кероген является одной из форм нетрадиционной нефти. Внешне он напоминает смолу. При нагревании горючих сланцев из керогена выделяется нефть, именуемая «сланцевая нефть» или «керогеновая нефть», и природный газ, именуемый «сланцевый газ».
Горючие сланцы загораются от спички и при горении издают запах жженой резины, сильно коптят. Воспламеняются и горят в нем только органические вещества.
Залегает горючий сланец на глубине 80-200 метров.
По расчетам геологов запасов горючих сланцев на порядок больше, чем обычной нефти. Однако, залежи сланца не играют ведущей экономической роли. Он относится к альтернативным источникам тепла и химического сырья.
Применение в народном хозяйстве
Использование горючих сланцев в качестве топлива малоэффективно: тепла выделяется немного, зато копоти – чрезмерное количество. Гораздо резоннее получать из них топливо в виде масел и смолы.
Страны Прибалтики активно используют сланцевое топливо для производства электроэнергии на своих электростанциях, а США и Канада широко освоили выпуск сланцевого газа и нефти.
Кроме того из этого класса минералов получают бензин, бытовой газ, целый ряд веществ химической промышленности. Ароматические углеводороды, бензол, кокс, клей, пластмассы, синтетический дубитель, гербициды, битумы и даже лекарства содержат в своей основе вещества, полученные из горючих сланцев. Сланцевая смола отлично защищает от коррозии, имеет хорошие изолирующие свойства, обеспечивает надёжное соединение материалов, а также применяется в качестве химического удобрения почвы.
Месторождения горючих сланцев:
Основные ресурсы сосредоточены в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг) и связаны с формацией Грин-Ривер. Крупные бассейны имеются в Бразилии (Ирати, Параиба), Китае (Фушунь), России (Прибалтийский, Волжский, Вычегодский, Тимано-Печорский, Сырдарьинский, Амударьинский бассейны, Кендерлыкское и Баженовское месторождения). Многочисленные месторождения горючих сланцев найдены в Болгарии, Великобритании, Германии, Франции, Испании, Австрии, Канаде, Австралии, Италии, Швеции, Казахстане, Украине, Югославии.
Мировые запасы
Хотя, по оценкам специалистов мировые запасы этого вида топлива оцениваются в 650 трлн. тонн, из которых предполагается извлечь 26 трлн. тонн сланцевой нефти, что на порядок превосходит запасы обычной нефти, добыча столь дорого вида энергетического сырья малорентабельна.
70% процентов этого богатства сосредоточено в Вайоминге, Колорадо и Юте – штатах США.
Лидерами по запасам сланцевой нефти являются:
- Россия – 10,23 млрд. тонн.
- США – 7,911 млрд. тонн.
- Китай – 4,365 млрд. тонн.
По запасам сланцевого газа места распределены следующим образом:
- Китай – 31,55 трлн. м3.
- Аргентина – 22,7 трлн. м3.
- Алжир – 20,0 трлн. м3.
Химический состав горючих сланцев:
В состав горной осадочной породы входят следующие минералы: кальцит, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и другие.
Органическая часть состоит из керогена. Кероген представляет собой смесь органических материалов (петроленов, битумов, гумусовых веществ и т.п.). Его состав меняется от месторождения к месторождению. Он не может быть описан какой-либо единой химической формулой. Во всяком случае, в его состав входят углеводороды и примеси: сероводород, азот и пр.
В обычных горючих сланцах доля керогена составляет 10-30 % от массы. И только лишь в сланцах самого высокого качества достигает она достигает 50-70 %. Остальное – осадочная порода.
Наличие в сланцах углеводородной составляющей позволяет извлекать ее. Получается нефть и природный газ. Однако их добыча не всегда экономически и экологически оправдана.
Способы добычи
Сланцы добывают двумя способами:
- Открытым(карьерным)
- Подземным
Карьерным получают породу находящуюся близко к земной поверхности. Этот способ является наименее вредным для экологии и природы в целом.
Подземный способ добычи наиболее затратен и сопряжена с использованием спецтехники, бурением скважин, привлечением к работе квалифицированной рабочей силы. Это способ добычи более эффективен, но менее экологичен, поэтому его применяют вдалеке от населенных пунктов и водоемов.
Губительными последствиями такого способа добычи являются:
- загрязнение почвы и воздуха вредными веществами, применяемыми для гидроразрыва пластов;
- проседание почвы в местах добычи ископаемого сырья;
- возникают разрушительные процессы в почве и грунте;
- загрязняются подземные воды.
Губительными также являются соединения, образующиеся после гидроразрыва. В таких местах отмечен мор флоры и фауны. Появляются “кипящие” ручьи из-за газа метана. Отмечают отравления и рост онкологических заболеваний людей проживающих недалеко от буровых вышек.
Лечебные и магические свойства камня
Сторонники народной медицины утверждают, что черный сланец положительно влияет на работу человеческого организма. Жилища, сделанные из данного материала, становятся для людей настоящим храмом: камень снимает нервное перенапряжение, избавляет от ночных кошмаров, восстанавливает энергетический фон.
Целители и светлые маги связывают серый сланец с Космосом. Минерал получает сигналы из Вселенной, обрабатывает их и передает своему хозяину. Камень помогает толковать сны и открывает талант видеть будущее. Чтобы настроить минерал на работу, хозяину необходимо проводить с ним большое количество времени, мысленно задавать ему вопросы и благодарить за помощь. Особой силой глинистый сланец обладает в полнолуние и праздничные церковные дни. Слюда также обладает магическими свойствами. Она способна притягивать богатство и лечить тяжелые заболевания.
Камень сланец благотворно влияет на людей, чья профессиональная деятельность связана с творчеством. Это могут быть литераторы, писатели, философы, художники и музыканты. Кроме того, глинистый сланец часто становится помощником в проведении магических ритуалов у экстрасенсов и магов.
Доминирующий знак – Рыбы. Представителям этого знака необходима поддержка со стороны и уверенность в собственных силах. Слюдяной сланец зарядит их жизненной энергией и даст сил для воплощения самых необычных идей в реальность.
Происхождение
Горючие сланцы образовались на дне морей благодаря одновременному отложению органического и неорганического ила около 450 миллионов лет тому назад.
Образуются из осадков морских, озерных водоемов, лагун при одновременном осаждении глинистых и карбонатных частиц, тонкого органического ила, состоящего из мельчайших водорослей и других организмов. Разлагаясь под водой, без доступа воздуха, органические остатки постепенно превращают ил в темное горючее вещество, затвердевающее при диагенезе. Слагают протяженные пласты мощностью 15-20 м.
Классификация твердых топлив
Твердое топливо – это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. К твердому топливу относят древесину, торф, горючие сланцы, каменный уголь и бурые угли.
Содержание углерода, водорода, кислорода, азота и серы, называемое химическим составом определяет свойства твердого топлива. При сжигании одинаковые количества различного топлива выделяют различные количества тепла. Тогда для оценки теплотворной способности топлив производят определение наибольшего количества теплоты, которое может быть выделено топливом при полном его сжигании в количестве 1 кг. Наибольшей калорийностью обладает каменный уголь.
Рис. 1. Некоторые типы твердого топлива
Как известно из курса теплотехники твердое органическое топливо часто применяют для получения теплоты и других видов энергии с последующим их преобразованием в механическую энергию. Помимо этого из твердых топлив при их соответствующей перегонке (обработке) можно получить более 300 различных химических соединений.
Рис. 2. Дерево это твердое топливо
Основные провинции сланцевой нефти:
- формация Баккен, формация Ниобрара, Барнетт и Игл-Форд в США,
- формация Р’Мах в Сирии,
- формация Саргелу в северной части Персидского залива,
- формация Атель в Омане,
- бассейн Аркаринга в Австралии,
- формация Чиконтепек в Мексике,
- нефтяное месторождение Вака Муэрта в Аргентине.
В России аналогом сланцевых отложений tight oil являются толщи:
- Баженовская свита в Западной Сибири,
- Аачимовские отложения в Западной Сибири,
- Доманиковые отложения Волго-Уральской нефтегазоносной провинции,
- Хадумская свита Предкавказья и др.
Российские сланцевые толщи:
- также представлены кремнисто-глинисто-карбонатными породами, обогащенными органикой и другими компонентами нефти в рассеянном состоянии (микронефть).
- органическое вещество в породах относится к категории «слабо- и умеренно концентрированного» и составляет 2,5-10 %, достигая 20-40 %.
Применение традиционных технологий добычи, традиционных технологий вывода углеводородов из нефтегазоматеринской породы в традиционные ловушки нефти и газа не дает результата. Более 70% от сгенерированных углеводородов остается в матрице генерирующей толщи.
Влияние сланцевой нефти на экономику
С 2014 г. добывающие компании сланцевой нефти увеличили производительность. Это позволило им сохранить бизнес, несмотря на снижение цен на нефть, и продолжить бурение. Когда они прекращают добычу, они хранят нефть в коллекторах. Когда цены на нефть вернутся к равновесным 60 — 70 долл США/ баррель, компании могут начать добычу нефти из уже пробуренных скважин. Так уже бывало, и это предотвращает дальнейший рост стоимости нефти.
Это важно, потому что цены на нефть определяются не только законами спроса и предложения. Настроения инвесторов больше влияют на цены на нефть. Они торгуют нефтью на мировых товарных биржах. Трейдеры могут предлагать цену на нефть вниз или вверх, в зависимости от их предположений о факторах, влияющих на нефть. В 2008 г. они создали нефтяной пузырь на рынке активов, подняв цену нефть сорта West Texas Intermediate до 145 долл США/ барр, а потом опустив до 30 долл США/ барр просто из-за страха, а не из-за значительного изменения спроса или предложения.
В 2011 г. цены на нефть выросли до 100 долл США/ барр, и добывающие сланцевую нефти компании снова активизировали начали бурение скважин и добычу. Это привело к снижению цен в 2014 г. Но сланцевые компании смогли удешевить добычу нефти, внедрив все более инновационные технологии. Это сначала вызвало бум добычи сланцевой нефти в США, а потом привело к стагнации этой отрасли промышленности.
Что такое торф?
«Горящая земля» — так образно раньше называли торф. В частности, такое наименование полезного ископаемого встречается у римского историка Плиния Старшего. И это название вовсе не является образным, ведь известно, что в Западной Европе на нем даже подогревали еду. По цвету торф очень напоминает гумусовый горизонт грунта.
Процесс его образования довольно интересный. Торф — не что иное, как не до конца разложившиеся остатки трав, деревьев и мха. По сути, это начальная стадия образования каменного угля. В формировании торфа чаще всего участвуют такие древесные породы, как ива, береза и ольха, а также травы: аир, багульник, хвощ и белый сфагновый мох.
Брикетное топливо
Брикетное топливо – это еще одно назначение каменноугольных брикетов. Брикетирование происходит путем спекания угольных или торфяных частиц, под действием температуры и давления, в брикеты правильной формы. Для лучшей спекаемости угольных частиц в угольные брикеты при их производстве добавляют связующие.
Торфяные брикеты – это готовый к сжиганию продукт, изготавливаемый из сырого торфа с добавлением связующих веществ или без них, последующей сушкой и обработкой высоким давлением.
Рис. 14. Торфяные топливные брикеты
Буроугольные брикеты – изготавливают из бурого угля и лигнита. Их спекание производят под высоким давлением без добавления связующих веществ после предварительного дробления и сушки с образованием брикетов правильной формы.
Кокс
Кокс – это твердый остаток, получаемый путем сухой перегонки каменного угля или лигнита при полном отсутствии доступа воздуха (карбонизация).
Различают каменноугольный, буроугольный и газовый кокс.
6.1 Кокс каменноугольный
Кокс каменноугольный (от нем. Koks и англ. coke) – это твѐрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путѐм коксования каменного угля при температурах 950-1100 °С без доступа воздуха. Кокс содержит 96-98 % С, остальное Н, S, N, O. Пористость 49-53 %, истинная плотность 1,80-1,95 г/см³, кажущаяся плотность ≈ 1 г/см³, насыпная масса 400-500 кг/м³, зольность 9-12 %, выход летучих веществ 1 %. Влажность при тушении водой и инертным газом соответственно 2-4 % и не более 0,5 %. Предел прочности при сжатии 15-25 МПа, при срезе (характеризует устойчивость к истиранию) 6-12 МПа, теплота сгорания 29-30 МДж/кг.
Рис. 15. Кокс каменноугольный
Для выплавки чугуна в основном применяют каменноугольный кокс как высококачественное бездымное топливо или по-другому доменный кокс, также его применяют как восстановитель железной руды и разрыхлитель шихтовых материалов. Также каменноугольный кокс используют как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса).
Доменный кокс выпускают с размером кусков не менее 25- 40 мм, наличие мелочи должно составлять не более 3% (куски до 25 мм и не более 2-3 % для кусков больше 80 мм.
Литейный кокс, если рассматривать его по размерам кусков, то окажется что он крупнее доменного. Он также более пригоден как продукт, в котором присутствуют куски менее 60-80 мм. Главное чем отличается литейный кокс от доменного является то, что в нем содержится очень мало серы, менее 1 % против 2 % в доменном коксе.
При производстве ферросплавов активно применяют кокс мелких фракций порядка 10-25 мм. Применяемые коксы обладают высокой степенью реакционной способности. Если говорить о прочности кокса то эти требования менее строгие, чем, например, к доменному или литейному коксу.
Рис. 16. Доменный процесс
Наиболее лучшим коксом для любого типа производства является прочный, малозольный кокс с низким содержанием серы и малым количеством мелких фракций.
В современном мире производство каменноугольного кокса составляет около 550-650 млн. т/год. Больше половины от этого объема производится в КНР (60-70 % мирового производства).
6.2 Газовый кокс
Газовый кокс – это побочный продукт переработки угля, используемого для производства искусственного газа на газовых заводах, и печной кокс, к которому относятся все другие виды кокса, получаемые из каменного угля.
6.3 Буроугольный кокс
Буроугольный кокс – это твердый продукт, получаемый путем карбонизации буроугольных брикетов.
Рис. 17. Частицы угля в буроугольном коксе
Сегодня основными потребителями буроугольных коксов являются черная и цветная металлургия. Здесь его используют в качестве восстановителя или технологического топлива для агломерации, и изготовления ферросплавов, в качестве отощающей добавки в производстве металлургического кокса и основного наполнителя при изготовлении коксобрикетов. Изготовленные коксоугольные брикеты применяют как бытовое топливо. Основные наполнители такого кокса это тяжелая или суммарная смола и полукокс. Полукоксы активно используются и для их газификации с получением горючего газа и в некоторых химических производствах.
