Текст книги "100 великих достижений в мире техники"

Завод на вулкане

Осенью 2000 года ученые Института минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов РАН начали уникальный технологический эксперимент. Впервые в мире на вершине действующего вулкана они разместили опытно-промышленную установку. С ее помощью исследователи надеются получить из вулканического газа стратегически важный и редкий металл рений.

Зачем нужен рений? Редкие металлы потому так и называются, что их содержание в земной коре невелико. Всего известно около 40 таких элементов. Часть из них заключена в минералах. Другая часть представляет собой так называемые рассеянные редкие металлы. Как показывает уже само название, они не формируют собственных месторождений, а присутствуют в виде примесей в других рудах: германий – в углях, висмут – в медных рудах, галлий – в бокситах…

Рений – металл, который до последнего времени считался рассеянным. В природе он встречается в основном в виде примесей в молибдените. Минералы же рения – например, джезказганит – настолько редки, что представляют собой научную ценность.

На вершине вулкана Кудрявый на острове Итуруп в местах выхода вулканического газа найден новый минерал – рениит

Между тем высокопрочные сплавы для космической и авиационной техники немыслимы без рения. Добавка всего от 4 до 10 % рения позволяет им выдерживать температуры в 2000° и более без потери прочности. Именно из рениевых сплавов изготавливают ныне корпуса и лопасти турбин, сопла двигателей ракет и самолетов. Кроме того, рений используется в нефтехимической промышленности – в биметаллических катализаторах при крекинге и риформинге нефти. Применяется он также в электронике и электротехнике – здесь из него делают термопары, антикатоды, полупроводники, электронные трубки и т. д.

Впрочем, до недавнего времени об уникальных свойствах рения практически ничего не знали. Скажем, за период с 1925 по 1967 год вся мировая промышленность израсходовала всего 4,5 т рения. Ныне же потребность только США составляет около 30 т в год. И спрос все растет…

Дорого не только золото. Однако рений – очень ценный металл. Стоимость даже неочищенного сырья – перрината калия – оценивается на мировом рынке по 800 долларов за килограмм. Очищенный рений стоит и того дороже: в зависимости от степени очистки его цена колеблется от 1,5 до 900 долларов за грамм.

Долгое время его получали исключительно как побочный продукт производства меди и молибдена. При обжиге медного или молибденового концентрата рений в виде оксида вылетает из печных труб. Его улавливают фильтрами и пропускают через серную кислоту. Образуется перринат калия, из которого затем и выделяют чистый рений.

В 1990 году Советский Союз использовал порядка 10 т рения, из которых 70 % – в авиации, 5 % – в нефтехимии, 5 % – в электронике и 20 % – в других отраслях.

Однако потом случилась незадача. В Советском Союзе основным потребителем рения и его соединений была РСФСР (около 70 % суммарного потребления), а производителем – Казахская ССР (более 70 % суммарного производства). Вообще по запасам рения казахи стоят на втором месте в мире после американцев. И после развала СССР они резко подняли цены на рениевое сырье.

Примерное такое же положение и с другими месторождениями. Ведь кроме медистых песчаников Джезказганского месторождения для получения рения использовали медно-молибденовые месторождения в Узбекистане и Армении, а также на крупнейшем в мире медно-молибденовом месторождении Эрдзнет в Монголии.

В общем ныне на нашу долю остались лишь три мелких месторождения в Читинской области и на Кавказе. Разработка их нерентабельна, так что сырьевая рениевая база России сейчас на нуле. Пока наши промышленники выходят из положения, договариваясь с бывшими соотечественниками из Узбекистана и Казахстана и получая рений в порядке обмена на другие товары.

Но этот способ ненадежен. При малейших международных осложнениях мы можем лишиться импортного сырья. Нужно было искать иной выход из положения. Теперь он найден.

Месторождение в кратере. «Рений в виде минерала обнаружен нашими учеными почти случайно, – вспоминает доктор геолого-минералогических наук А. Кременецкий, заместитель директора Института минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (ИМГРЭ) Министерства природных ресурсов и РАН. – На Сахалине в городе Южно-Сахалинске есть Институт вулканологии и геодинамики Российской академии естественных наук. Директор его – Генрих Семенович Штейнберг уже много лет организует научные геологические экспедиции с участием ученых из Новосибирска, Москвы, Иркутска и других городов».

И вот во время такой экспедиции в 1992 году сотрудники Института экспериментальной минералогии (он находится в городе Черноголовка, под Москвой) и Института геологии рудных месторождений (Москва) вели наблюдение на вулканах Южнокурильской гряды и на вершине вулкана Кудрявый на острове Итуруп в местах выхода вулканического газа нашли новый минерал – рениит. Содержание рения в нем достигает 80 %. Стало быть, из него можно получать рений. А еще лучше и проще использовать в качестве сырья прямо выходящий из-под земли газ.

Вулкан Кудрявый высотой 986 м – так называемого гавайского типа – отличается довольно покладистым нравом; он не взрывается, тихо тлеет.

«На его вершину можно взобраться и без особых опасений заглянуть в его кратер, – рассказывают вулканологи. – При этом в темную ночь, вы можете увидеть в глубине раскаленную ярко-красную лаву, бурлящую, словно вода в котле. За последние сто лет она ни разу не прорывалась на поверхность – видимо, кратер хорошо продувается газами»…

Поэтому именно Кудрявый и был выбран в качестве экспериментальной площадки для строительства завода на вулкане. Кроме того, тут имеется 6 фумарольных полей – площадок размером 30×40 м с большим количеством мест выхода газа. Из них четыре – высокотемпературные; вулканические газы в них имеют температуру от 500 до 940 °C. А только на таких «горячих» полях и образуется минерал рениит. Там, где холоднее, рениита намного меньше, а при температуре ниже 200° он практически отсутствует.

Наши исследователи с помощью специально сконструированных приборов установили, что рения непосредственно в вулканическом газе содержится около 1 г на тонну. За одни сутки вулкан выбрасывает в атмосферу около 50 тыс. тонн газов или за год – 20 т чистого рения. Это с лихвой хватит всей нашей промышленности и даже для продажи за рубеж останется.

Кроме того, ученые обнаружили, что в вулканических газах кроме рения содержится по меньшей мере десяток других редких элементов: германий, висмут, индий, молибден, золото, серебро…

Металл из газа. Итак, каким же образом будут добывать рений на вулкане? Наши специалисты разработали и в 1999 году запатентовали технологию извлечения рения, попытавшись сымитировать природный процесс осаждения сульфида рения в местах выхода высокотемпературных вулканических газов. На пути газа они решили поставить улавливатели, на которых сульфид рения осаждался бы в виде тоненьких иголочек, как на вулканическом кратере. В качестве носителей, адсорбирующих на себе сульфид рения, использовали природные минералы цеолиты, имеющие очень большую пористость – около 2 кв. м на 1 г цеолита. А довольно крупное месторождение цеолитов есть на Сахалине – не так уж далеко от вулкана.

Опытная проверка технологии в лаборатории показала, что она намного проще и дешевле традиционного способа извлечения рения из молибденовой руды.

В 2000 году наши специалисты собрали деревянную пирамиду с площадью основания около 9 кв. м. Ею, словно воронкой, вскорости должны накрыть одно из небольших фумарольных полей. Из вершины пирамиды в сторону будет отведена десятиметровая труба. А поскольку газ из вулкана выходит под очень низким давлением, для создания дополнительного напора в конце трубы планируется поставить вентилятор-дымосос. Дальше газ пройдет через емкость со 100 кг цеолита. Далее, цеолит будет промываться серной кислотой, которую тоже попытаются получать прямо на месте из чистой вулканической серы. Затем сернокислый раствор, содержащий рений, прогонять насосами через ионообменную смолу.

Опытно-промышленная установка предусматривает сезонную работу с годовым объемом добычи рения около 280 кг. Если все получится, согласно расчетам, то деревянный купол затем заменят бетонным. И хотя строительство в этих краях стоит недешево – ведь все необходимое оборудование и сырье придется доставлять вертолетами, – за два года работы промышленная установка должна себя полностью окупить. А потом начнет давать чистую прибыль.

Жидкий… уголь?!

Несмотря на то что ныне цены на нефть и газ весьма высоки, а разведанные запасы черного золота и метана весьма приличны, в специальной печати нет-нет да и проскользнет опасение: «Что мы будем делать, когда запасы жидкого и газообразного топлива закончатся?»

Именно над решением этой проблемы и работают в настоящее время российские специалисты, предложившие новый эффективный способ переработки традиционного угля в новое топливо.

«Хлеб промышленности» – так называли каменный уголь в прошлом и позапрошлом веках. И в самом деле, все XIX и добрую половину XX столетий не только печки в домах, но и домны с мартенами на металлургических комбинатах, котельные на заводах и фабриках, топки паровозов и пароходов топились именно углем.

Лишь с появлением все большего количества автомобилей, тракторов и танков, двигатели внутреннего сгорания которых работали исключительно на жидком топливе – бензине и соляре, – на первое стала выходить добыча нефти, а потом и газа.

Правда, во время Второй мировой войны немцы попытались наладить производство синтетического жидкого топлива по процессу Фишера – Тропша. Однако процесс этот оказался экономически не выгоден и использовался в фашистской Германии на заключительном этапе войны, когда Третий рейх стал испытывать острейший дефицит обычного жидкого горючего.

В СССР нефти всегда было достаточно, велики и запасы природного газа. Тем не менее наши производственники интересовались и проблемой рационального использования угля. Зачем, например, везти нефть на Украину, где в Донбассе в достатке имелся отличный уголь? Вот только добыча и использование его всегда считались не очень чистыми работами. Быть шахтерами и кочегарами всегда было не очень много охотников.

А потому, например, в 70-х годах прошлого века в Свердловке – поселке, расположенном неподалеку от легендарного Краснодона, по проекту НИИ угольной промышленности имени Скочинского была заложена «шахта XXI века», на которой, как полагали, ручной труд будет полностью исключен.

Добычу угля решили поручить… воде. Струи из гидромониторов под большим давлением должны были размывать угольный пласт. И куски угля вместе с водой откачивались по специальным трубопроводам на поверхность, и далее – по трубам же – топливо вместе с водой перегонялось на металлургический комбинат в Запорожье, где должно было сгорать в печах.

По крайней мере, так мыслилось теоретически. Но на практике уже при строительстве шахты стали одна за другой происходить аварии, проект пришлось урезать и переделывать, и в конце концов уголь стали добывать обычными, дедовскими методами.

Каменный уголь становится объектом новых энергетических технологий

Правда, трубопровод, по которому гнали уголь с водой, все же опробовали в действии. Только не на Украине, а в Сибири, где с 1989 по 1993 год эксплуатировался 262-километровый водоуглепровод «Белово – Новосибирск», по нему перекачивали топливо для Новосибирской ТЭЦ-5. Там не было нужды в шахте, поскольку уголь добывали открытым способом, в карьере.

При этом выяснилось, впрочем, что роторный экскаватор не измельчает пласты угля так, чтобы куски угля были примерно одинаковой величины и чем мельче, тем лучше. Крупные крыги могут и застрять в трубопроводе. Пришлось их дополнительно дробить, а это требовало дополнительного оборудования и удорожало производство.

В общем, по расчетам специалистов, на изготовление топлива уходило слишком много энергии – 150 кВт/ч на тонну. Овчинка получалась не стоящей выделки.

Работает кавитация. Однако недавно специалисты компании «Компомаш-ТЭК» разработали технологию и оборудование для производства водоугольных смесей нового поколения. При этом энергозатраты не превышают 20 кВт/ч, а сама смесь обладает всеми свойствами жидкого топлива. Более того, если обычно уголь при сгорании дает черный дым из-за несгоревших сажи и пыли, то жидкая смесь сгорает полностью, выделяя белый дым и не загрязняя окружающую среду твердыми частицами.

Угарного газа при сгорании вообще нет, содержание частиц сажи и окислов азота в продуктах сгорания на порядок, то есть в 10 раз, ниже предельно допустимых норм. «Эта технология вполне может конкурировать с ведущими мировыми разработками, в первую очередь китайскими и южноафриканскими. А по ряду показателей их превосходит, – отметил заместитель гендиректора компании Владимир Андриенко. – Ни у кого нет такого помола, как у нас, – сказал он. – У нас средняя крупность частиц составляет 0,7–0,8 микрона. Такого больше нет нигде в мире».

Водоугольная смесь содержит 60 % угля и 40 % воды. Причем она остается стабильной и не расслаивается в течение года. Использование жидкого угля на газомазутных электростанциях не требует особой переделки оборудования в котельных и дает экономию до 100 долларов на тонну мазута, или тысячу кубометров газа. А срок окупаемости новой технологии составляет всего один год.

Но если все так просто, то почему такое горючее не использовали раньше? А вот тут-то и выясняется, что наши специалисты произвели своего рода технологическую революцию на данном участке производства. Они отказались даже от довольно прогрессивных вибромельниц, поручив измельчение угля опять-таки воде. А точнее, процессам кавитации, происходящих в жидкости при определенных условиях.

Кавитацией же (от лат. cavitas – «пустота») называется образование в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения, приблизительно равного давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре. Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называют гидродинамической, а если вследствие прохождения акустических волн – акустической.

Таким образом, кавитация – это явление, характерное для жидкостей. Причем если, например, судостроители всячески борются с ней, поскольку кавитационные пузырьки весьма быстро разрушают лопасти корабельных винтов, изготовленных даже из прочнейшей стали, то тут вред обратили на пользу. Это смогла сделать группа ученых под руководством доктора технических наук, лауреата Государственной премии СССР Валерия Моисеева.

Мало того, исследования проведенные доктором технических наук, профессором А. А. Кричко, главным научным сотрудником Института горючих ископаемых, Научно-технического центра по комплексной переработке твердых горючих ископаемых Минэнерго РФ и его коллегами привели к тому, что во всем комплексном процессе превращения твердого угля в жидкое топливо для специалистов практически не осталось тайн.

Они теперь, например, знают, что для формирования смесей, содержащих 45–50 % твердых компонентов и транспортирования их по трубопроводам обычными насосами, лучше применить метод диспергирования – измельчения в особых условиях. При этом угольный порошок вовсе не придется затем сушить перед сжиганием, а процесс горения можно регулировать практически теми же форсунками, что употребляются для жидкого и газообразного топлива.

Узнали специалисты и какие катализаторы стоит добавлять, если необходимо, чтобы горение шло наиболее интенсивно, и как наилучшим способом очистить продукты горения, и какое оборудование для этого лучше использовать… В общем, получилась уникальная технология, интерес к которой проявили многие страны мира, в том числе Китай, Чили, Аргентина, Бразилия, Уругвай, Греция, Словения, Болгария и т. д.

Вода из Антарктиды

В рамках программы «Чистая вода» сотрудниками Международной академии экологии и жизнеобеспечения человека (Санкт-Петербург) осуществлено технико-экономическое обеспечение, разработаны технические средства и аван-проект по доставке айсбергов к побережью засушливых стран. Для чего нам такая экзотика?

Без воды не обойтись. Чтобы произвести тонну зерна, необходимо затратить 1000 т воды, на тонну картофеля – 500–1500 т, хлопка – 15 000 т, курятины – 3500–5700 т, говядины – 15 000–70 000 т воды. Между тем 97 % мировой гидросферы составляет соленая морская вода, а две трети запасов пресной воды – это льды Гренландии и Антарктики.

Такова статистика. Она же говорит, что истощение ресурсов пресной воды – одна из самых острых проблем на Земле уже сегодня. А завтра чистая вода может стать дороже золота. Футорологи предвидят военные конфликты, которые вскоре будут происходить в мире из-за источников чистой воды – примерно так же, как ныне воюют из-за месторождений нефти и газа.

Между тем ежегодно пятый континент сплавляет в Мировой океан более 10 тыс. айсбергов, общий объем которых – около 1 млрд куб. м чистейшего пресного льда, который затем тает без всякой пользы для жаждущего человечества. Как изменить ситуацию?

Смогут ли айсберги решить проблему нехватки пресной воды?

Мысль о том, чтобы использовать ледяные плавающие горы для снабжения питьевой водой засушливых прибрежных районов стран Южной Америки, Африки и Азии, давно уж обсуждается специалистами. Более того, делались некоторые попытки и для претворения коммерческих проектов в жизнь. Скажем, в конце XIX века пароходы отбуксировывали небольшие айсберги в чилийский порт Вальраисо, а также к побережью Перу. В 50-х годах XX века предприимчивые американцы делали попытки снабжать льдом Антарктиды жаждущий прохлады Сан-Франциско.

В 1973 году американские гляциологи У. Уилкинс и У. Кембелл разработали технико-экономическое обоснование проекта буксировки айсбергов в засушливые районы земного шара. С цифрами в руках они показали, что такая затея вполне может быть выгодной. Их расчеты позднее подтвердили и австралийские специалисты, подсчитавшие: даже если половина массы айсберга растает по дороге, оставшаяся часть все равно оправдает все расходы по транспортировке.

Чистой воды технология. Были даже разработаны детальные планы подобных транспортных операций. Так, согласно одному из проектов, с помощью снимков, сделанных со спутника, выбирается подходящий по размерам, форме и положению айсберг. Предпочтение отдается уже отдрейфовавшим от побережья Антарктиды на чистую воду ледяным горам плоской формы, удобной для буксировки.

Выбранный айсберг дополнительно просвечивают сонаром с вертолета – нет ли где пустот и трещин, из-за которых гора может рассыпаться задолго до доставки ее в порт назначения? Если прогноз положительный, на айсберг высаживают бригаду, которая монтирует буксировочные приспособления. Говоря проще, в лед с помощью тепловой обработки «впаивают» 3–4 кнехта, к которым затем и крепятся буксировочные канаты.

Чтобы улучшить мореходные качества айсберга, его передняя часть может быть заострена электрическими пилами. Кроме того, если, согласно расчетам, получается, что значительная часть айсберга все же растает в пути, подводную часть ледяной горы можно защитить дополнительной теплоизоляцией из пластиковой пленки, протаскиваемой под айсбергом.

По прибытии на место айсберг предполагалось либо резать на пластины и переправлять на сушу в таком виде, либо по мере таяния льда откачивать на берег уже пресную воду.

Еще более совершенный проект предложил в конце прошлого столетия сотрудник Международной академии экологии и жизнеобеспечения человека, имеющей штаб-квартиру в Санкт-Петербурге, доктор технических наук И. П. Калько.

«В настоящее время самый простой способ получения питьевой воды из морской – это опреснение, – говорил Иван Петрович. – Однако чернобыльская и японская экологические катастрофы, неприятности с промышленными стоками могут привести к тому, что вскоре нам нечего будет опреснять. В морской воде появляется все большее количество так называемых легких изотопов, которые не выводятся из воды при кипячении, не устраняются никакими фильтрами и представляют собой достаточно высокую опасность для всего живого»…

Так что волей-неволей нам придется обратиться за чистой водой в Антарктиду. Причем в отличие от проектов прошлых лет, согласно патенту Калько, лед будет перевозиться не на буксире, а в недрах специализированного судна-холодильника водоизмещением около 1,5 млн т. Гигант-матка состоит из нескольких секций, которые по прибытии к берегам Антарктиды или той же Гренландии начинают охоту за льдом самостоятельно. Подходят к той или иной ледовой горе и с помощью фрез, пил и прочих добывающих устройств набивают свои трюмы ледовым крошевом. Затем секции снова воссоединяются воедино, и плавающий холодильник доставляет лед по назначению.

Транспортировка именно льда, причем с малыми потерями, куда выгоднее, чем привозить, скажем, воду, подсчитал Калько. Дело в том, что та же Европа расходует ежегодно тысячи мегаватт электроэнергии, чтобы замораживать воду в холодильниках, а затем бросать ледовые кубики в стаканы с напитками. Доставка льда из высоких широт поможет сэкономить эту энергию.

Еще один проект специализированного тримарана-ледовоза разработал советник Дагестанского научного центра РАН Гамид Халидов. В его трюме изобретатель предлагает располагать плавсредства оригинальной конструкции – барконы. Они представляют собой плавучие контейнеры, способные вмещать в себя не только битый лед, но и нефтепродукты, сжиженный газ, сыпучих грузы и т. д. Таким образом тримаран не будет простаивать, может быть использован круглый год для самых различных транспортных операций.

Себестоимость одного литра полученной из льда воды, по расчету Халидова, составит около одного цента США. Лед будет поступать на реализацию в виде ледяной крошки и сравнительно небольших брикетов льда, удобных для повседневного использования.

Причем лед Антарктиды, накапливавшийся во многих местах столетиями, а то и миллионами лет, в толще своей девственно чист, не имеет никаких вредных примесей, которые ныне обнаруживаются даже в Байкале – некогда хранилище чистейшей пресной воды, составляющем 10 % мировых запасов.

Скупой платит дважды. Калько и его сторонники полагают, что проект «Чистая вода» перейдет в практическую стадию в ближайшие 15–20 лет, поскольку промышленные стоки в Днепре, Волге и других крупнейших реках Европы, насыщенные тяжелыми металлами, легкими изотопами и прочими ядами, заставляют экологов многих стран уже сегодня искать новые источники питьевой воды.

Правда, как отмечают разработчики, для осуществления программы потребуются солидные инвестиции – порядка 500 млрд долларов. И поскольку речь не о новом оружии или ином способе быстро обогатиться, то желающих раскошелиться придется поискать. Возможно, при ООН надо будет создать особый фонд, свои паи в который внесли бы все члены этой международной организации.

Ведь даже в нашей стране, обладающей почти половиной мировых запасов питьевой воды, с нею уже проблемы. 80 % населения России живет там, где сосредоточено всего 8 % воды.

В итоге в Новороссийске воду подают по утрам, в количестве достаточном лишь для элементарной гигиены. Калмыкия пьет опресненную соленую воду из подземных источников, а жители Азова живут на покупной воде из бутылей. Да и вообще, согласно мнению независимых экспертов, ныне 80 % населения нашей страны вынуждено пользоваться водой, которая не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям. Отсюда и болезни, и малые сроки жизни…

К слову, проблема качества воды актуальна не только в России. В благополучной Германии вода сегодня проходит восемь стадий очистки. Для сравнения: в 1870 году требовалась одна, в 1950-м – уже три.

Словом, проблема назрела, ее надо решать. А то ведь в некоторых южных странах чистая вода уже стоит дороже вина и бензина…