Древесный уголь формировался в недрах Земли сотни миллионов лет и стал ключевым фактором промышленной революции, преобразившей мировую экономику за последние два столетия. Преимущества этого топлива заставили закрыть глаза на его недостатки — ущерб, который наносит природе сжигание угля. Готовы ли мы к переходу на более чистые виды горючего?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №6(34). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

История формирования угольных пластов насчитывает сотни миллионов лет. Началась она, когда климат на Земле был влажным и жарким, растения чувствовали себя вольготно и распространились зелёным ковром по всей планете, аккумулировав миллиарды тонн трансформированной солнечной энергии. Отмирая, часть опавшей зелёной массы попадала в воду, где специфические микроорганизмы в условиях дефицита кислорода превращали её в торф — первую эволюционную фазу в процессе формирования ископаемого угля. Затем обширные торфяные болота медленно опускались под землю, а сверху накапливались песок, глина и иные горные породы.

В торфе тем временем росли температура и давление, газы испарялись, вода уходила, и начинался процесс превращения в уголь — карбонизация. Сначала образуется наименее ценный продукт — ­бурый уголь, в нём около 63% углерода. Этот сорт угля относительно молодой (около 50 млн лет), поэтому в его толще можно найти остатки древних растений. Он залегает на глубине от 100 до 200 м, горит с незначительным выделением тепла, при этом сильно дымит. Килограмм бурого угля может содержать до 19 000 кДж — этой энергии хватит, чтобы вскипятить 30 л воды. За 50 млн лет слой опавшей растительности толщиной в 1 км в результате преобразований сжимается до двухметрового пласта ­бурого угля.

Дальнейшие метаморфозы приводят к образованию непосредственно каменного угля. Пласт толщиной в 2 м получается уже из трёхкилометрового слоя опавших растений. Концентрация углерода здесь может достигать 94%, и это делает каменный уголь отличным топливом с высокой теплотой сгорания (энергоёмкостью более 25 000 кДж/кг). В структуре каменного угля нет растительных частей — они полностью разрушились, ведь возраст этой осадочной горной породы около 350 млн лет.

Наконец, самым ценным и древним продуктом угольного ряда по праву считается антрацит: содержание углерода в нём превышает 95%, а энергоёмкость составляет более 36 000 кДж/кг! Этот высококачественный уголь описал в 1725 году английский геолог Джон ­Стречи, и именно описанные им залежи на юго-западе Англии стали энергетической основой промышленной революции, ознаменовавшей переход от ручного труда к машинному. Каменный уголь и антрацит применяли для выплавки чугуна с середины XVIII века, а с начала XIX века они стали основным топливом для паровозов и пароходов.

При нагревании до 800–1100 °С без доступа воздуха уголь превращается в кокс. Твёрдый и пористый кокс при высокой температуре (гораздо выше, чем требуется для антрацита) горит без пламени и дыма. Кокс стали использовать при выплавке чугуна, причём не только в качестве топлива, но и как восстановитель — он отнимает у железной руды кислород, превращая её в железо:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO

Уголь и кокс безусловно способствовали ­сохранению лесов, которые могли быть вырублены человеком, нуждавшимся в топливе.

Газообразным продуктам коксования, занимающим до 20% от исходной массы угля, также нашли применение. Их охлаждают и пропускают через воду, в результате получается очень ценное сырьё — аммиачная вода и каменноугольная смола. Но и это ещё не всё. Оставшийся нерастворённый коксовый газ состоит из горючих веществ: водорода (45%), метана (35%) и угарного газа (35%). Такой коктейль горит светящимся пламенем и долгое время использовался для уличного освещения, несмотря на ядовитый компонент — CO.

Тысячи разных соединений скрыты только в одном продукте коксования — каменноугольной смоле. Исследуя её, немецкий химик Фридлиб Фердинанд Рунге в 1834 году открыл несколько органических соединений, в том числе фенол, пиррол, хинолин и анилин. В настоящее время все эти вещества интенсивно применяются в химической промышленности. К примеру, из хинолина делают лекарственные препараты и красители. Из каменноугольной аммиачной воды получают аммиак — один из основных компонентов аммиачно-фосфорных и азотных удобрений.

По оценкам экспертов, запасы угля в несколько раз превышают нефтяные ресурсы, поэтому учёные ещё в первой половине XX века начали думать, как получить синтетическое жидкое топливо из твёрдых углеводородов. Первые технологии появились в тридцатые — сороковые годы в Германии и долгое время эффективно использовались, однако позже, в связи с открытием нефтяных месторождений в Сибири и на Ближнем Востоке, ушли на второй план.

Коксование и переработка каменноугольной смолы для получения жидкого топлива из угля оказались не лучшим решением. Выход продукта слишком мал, а энергетические затраты велики. Более эффективен процесс газификации угля — его можно осуществлять даже не поднимая уголь на поверхность. Для этого бурят скважину до угольного пласта, создают на глубине очаг горения и собирают поступающий по трубам горючий газ. Если к очагу горения в скважине подавать воздух или паровоздушную смесь, то на выходе получится синтез-газ, состоящий преимущественно из моноокиси углерода и водорода. Процесс газификации угля можно описать уравнением:

C + H₂O --> H₂ + CO

Этот газ можно использовать как топливо в электростанциях, а также в качестве сырья для производственного процесса Фишера — Тропша. В 1925 году директор немецкого Института кайзера Вильгельма по исследованию угля ­Франц Фишер и его коллега Ханс Тропш получили жидкое моторное топливо из синтез-газа. Монооксид углерода восстанавливается водородом при нормальном давлении и температуре около 270 °С в присутствии специфических катализаторов. В итоге получается жидкая смесь углеводородов, которую после очистки можно использовать в качестве моторного топлива. Во время Второй мировой войны Германия, бедная нефтью, но богатая углём, синтезировала таким способом топливо для боевых машин.

Следующий способ получения жидкого топлива — это деструктивная гидрогенизация угля. Под давлением 200–700 атмосфер в присутствии катализаторов на основе железа, вольфрама и молибдена происходит термическое разложение. В результате практически все органические вещества угля превращаются в газообразные и жидкие продукты. Далее следует гидрокрекинг — расщепление тяжёлых молекул на лёгкие и образование насыщенных углеводородов. Самое удобное сырьё для получения синтетического топлива и моторного масла — это бурый уголь: в нём больше всего органического вещества. На последнем этапе из топлива удаляют примеси воды, аммиака и сероводорода.

В последнее время для деструкции угля применяют гамма-лучи — это значительно ускоряет процесс и снижает выбросы углекислого газа в атмосферу.

Люди используют ископаемый уголь многие столетия, и неудивительно, что ему посвящён целый научный раздел — углехимия, которая открывает новые горизонты применения этого ценного природного ресурса. Так, обнадёживают данные о высокой концентрации в угольных пластах ряда элементов: U, Au, Ag, W и др. Вкупе с технологиями глубокой переработки это позволит человечеству уменьшить неблагоприятное для природы сжигание угля в печах теплоэлектростанций.