Ülevaade põlevkivitööstuse arengust

Viimastel aastatel on Eesti põlevkivitööstusettevõtted ilmutanud suuremat huvi kukersiitpõlevkivi kaevandamise ja sellest põlevkiviõli tootmise vastu. Keskkonnaministeeriumile on laekunud ligi 20 uut põlevkivi kaevandamise loa taotlust. Huvi ei piirdu ainult kukersiidiga. Ollakse huvitatud ka teistest välismaa põlevkividest (Ukrainas Boltõši, Jordaanias El-Lajjuni leiukoht). Samas hoiavad välismaa investorid juba silma peal diktüoneemakildal.

Nagu teada, mängivad põlevmaavarad majanduselus väga olulist rolli ja nendeta, eriti naftata on ajakohast industriaalühiskonda võimatu ette kujutada. Need on asendamatud nii energiaallikana kui keemiatööstuse toormena. Maailma naftavarudest kättesaadav naftakogus on hinnanguliselt 140–160 mld t. Sellest piisaks praeguse tarbimise juures – üle 4 mld t aastas – vähem kui 40 aastaks. Kuid naftasaaduste tarbimine kasvab üha kiiremini, arvestades niisuguste suurriikide nagu Hiina ja India kiiret majandusarengut. Samas on uuritava naftavaru juurdekasv aeglasem. Naftat pumbatakse ka järjest sügavamalt ja kaugematest piirkondadest ning see teeb hinna veelgi kallimaks. Seega tõuseb põlevkiviõli kui nafta ühe asendaja väärtus pidevalt [1].

Põlevkivis ei ole küll valmis naftalaadset ainet nagu looduslikus bituumenis, mida samuti vaadeldakse kui naftale alternatiivset allikat. Bituminoossetest liivadest toodetakse vedelkütust Kanadas ja Venezuelas oluliselt suuremates kogustes kui meil põlevkiviõli. Põlevkivi orgaanilise aine (OA) koostises on ülekaalus orgaanilistes lahustites lahustumatu aine – kerogeen. Vaid termilisel mõjul utmisel ja OA lagunemisel tekkivad põlevkiviõli aurud, mis vedeldatakse jahutamise teel nn toorõliks, on toormeks peamistele põlevkivitööstuse toodetele (diisliõli, petrooleum, bensiin, kütte- ja määrdeõli, parafiin, meditsiinilised preparaadid jt keemiatooted).

Põlevkivi levik maailmas

Maailmas on teada üle 600 põlevkivi leiukoha enam kui 30 riigis. Samas on paljud regioonid geoloogiliselt vähe uuritud ning põlevkivile kui maavarale ei ole vajalikku tähelepanu pööratud [2]. Potentsiaalset põlevkiviõli ressurssi on hinnatud väga erinevalt – 530 kuni 1225 mld t. Seega ületab põlevkiviõli ehk nn tehisnaftaressurss mitmeid kordi loodusliku naftavaru koguse. Kõige suuremaks on hinnatud põlevkiviõli ressurssi maapõues USA-s (220–400 mld t), Brasiilias (110–120), Venemaal (kuni 70), Hiinas (kuni 68), Austraalias (kuni 35), Jordaanias (kuni 20), Ukrainas (kuni 6,2). Eestis Eesti ja Tapa kukersiidileiukoha õliressurss on hinnanguliselt ligi 1,6 mld t, diktüoneemakilda on üle 2 mld t. Eesti maardla on põlevkiviõli ehk nn tehisnafta koguse poolest maapõues võrreldav (naftamaardlate klassifikatsioonide järgi) suure naftamaardlaga [3]. Võrdluseks: Balti sünekliisi keskosas ja Läänemeres Kaliningradi oblastis esinevate suuremate naftamaardlate naftavaru jääb alla 10 mln t. Leedu omad on veelgi väiksemad. Naftat on selles piirkonnas ammutatud alates 1972. aastast ligi 30 mln t ehk praktiliselt sama palju, kui on olnud põlevkiviõli kogutoodang Balti põlevkivilevilas [4].

 Põlevkivi kui põlevmaavara olulisemad kvaliteedinäitajad on kütteväärtus, õlisaagis, väävlisisaldus, niiskus ja põlevkiviõli koostis. Kütteväärtuse (alumine kütteväärtus) ja niiskuse järgi hinnatakse põlevkivi energeetilist potentsiaali, õlisaagise ja õli koostise järgi keemilis-tehnoloogilist potentsiaali. Kaht koostiselt ja kvaliteedilt ühesugust põlevkivi ning sellest saadavat õli maailma levilates üldiselt ei esine. See on tingitud põlevkivi tekke- ja järgnevate tingimuste suurest mitmekesisusest, seda nii kliima, settebasseini sügavuse, orgaanilise ja mineraalse lähtematerjali suhtelise koostise ning terasuse jt asjaolude poolest.

Põlevkiviõlitööstuses on kasutatud erineva õlisaagisega põlevkivi – 6 kuni 30%. Eestis on generaatorites ja tunnelahjudes kasutatud termiliseks töötlemiseks rikastatud tükipõlevkivi tööstusliku õlisaagisega 16–19% ning tahke soojuskandjaga seadmetes peenpõlevkivi õlisaagisega 12–14%. Nii põletamisel kui termilisel töötlemisel on kasutatud põlevkivi, milles väävlisisaldus on alla 2% ja niiskus ei ületa 20%.

Põlevkiviõli tüübid

Kui vaadelda põlevkiviõli naftasaaduste asendajana, on kõige olulisem selle koostis. Eristatakse kolme põlevkiviõli tüüpi [5].

Parafiini tüüpi õlid on oma koostise poolest ligilähedased parafiinnaftadele. Neid võib kasutada ja käesoleval ajal kasutataksegi vedelkütuste tootmiseks. Leiukohti on teada nt Hiinas, USA-s, Brasiilias, Austraalias, Kasahstanis.

Väävlirikkaid õlisid (üle 2% väävliühendeid) saadakse põhiliselt orgaanilisest väävlirikkast põlevkivist. Venemaa Volga-Petšora levila kõikide leiukohtade, Usbekistani, Vahemere piirkonna (Türgi, Jordaania, Maroko, Iisrael) põlevkivid ja diktüoneemakilt annavad seda sorti õli. Selle kasutusvõimalused on piiratud ökoloogilistel ja tehnoloogilistel põhjustel. Väävli kõrvaldamine õlist hüdrogeenimise teel on väga kulukas ega ole seni ennast õigustanud. Väävlirikast põlevkivi kaevandatakse väheses koguses vaid Venemaal Kašpiri maardlas meditsiiniliste preparaatide valmistamiseks.

Kolmanda tüübi moodustavad spetsiifilised õlid. Siia kuulub ka kukersiidist saadav põlevkiviõli, millele ei ole seni leitud analooge teistest põlevkividest saadava õli seast. See õli on paljude ühendite segu: alkaanid, alkeenid, aromaatsed süsivesinikud, karboksüülhapped, hapnikuühendid, väävliühendid. Õli omapära on väga spetsiifiliste fenoolide – alküülresortsiinide üsna kõrge sisaldus. Sellisest õlist ei ole võimalik ilma täiendava töötlemiseta saada kõrgemargilist mootorikütust, kuid seda õli võib kasutada keemiatööstuse toormeks.

Tabelis 1 on toodud maailma mõne suurema ja tähtsama põlevkivimaardla põlevkivi ja põlevkiviõli koostise ja kvaliteedi põhinäitajad [5, 6].

Eesti maardla kukersiit on oma kvaliteedi poolest (suhteliselt kõrge ja stabiilne kütteväärtus ja õlisaagis, madal väävlisisaldus ja niiskus) üks paremaid põlevkivisid maailmas. Ka kaevandamistingimused on siin paljude teiste leiukohtadega võrreldes soodsamad (lihtne geoloogiline ehitus, kihindi väljapeetud paksus, väike sügavus ja rõhtne lasuvus, tugevad ümbriskivimid).

Põlevkivi kasutamine maailmas

Olemasolevatel andmetel on põlevkivi kaevandatud 19 riigis ja selle kasutussuunad on olnud erinevad (tabel 2). Esimesed andmed põlevkivi kasutamise kohta pärinevad 1350. aastast Austriast, kus Tirooli maarahvas ajas kohalikust põlevkivist õli, mida tarvitati mitmete haiguste raviks. 1694. aastal anti Šotimaal välja esimene patent põlevkivist pigi, tõrva ja õli saamise meetodile. Aastal 1832 leiutati Prantsusmaal põlevkivist valgustusõli tootmise meetod ja Prantsusmaast sai esimene riik, kus 1838. aastal tekkis põlevkiviõlitööstus. Šotimaal hakati põlevkivi tööstuslikult kasutama 1850. aastal parafiini ja õli saamiseks [5].

Põlevkivi kasutati 19. sajandi lõpuaastatel ja 20. sajandi esimesel poolel vedelkütuse tootmiseks Austraalias, Šotimaal, Hispaanias, Kanadas, Brasiilias, Prantsusmaal, Rootsis, LAV-is, Uus-Meremaal ja Šveitsis. Põlevkiviõlist valmistati ka meditsiinilisi preparaate (Austria, Venemaa, Šveits). Põlevkivi kasutamise kõrgperioodiks olid II maailmasõja eelsed ja esimesed sõjajärgsed aastad. Edaspidi ei suutnud nn tehisnafta loodusliku naftaga konkureerida ning põlevkivi töötlemisest enamikus riikides loobuti.

Ülemaailmse energiakriisi ajal 1970ndatel aastatel, kui arvati, et naftavarusid jätkub vaid aastateni 2010– 2020, hakkasid paljud riigid (nt USA, Brasiilia, Jugoslaavia, Maroko, Rumeenia, Süüria) põlevkivi, eelkõige selle keemilis-tehnoloogilise töötlemise vastu suurt huvi tundma. Tehti laboriuuringuid, 12 riigis projekteeriti ja ehitati ligi 30 eri tüüpi katse- ja tööstusseadet, peamiselt põlevkivist mootorikütuse saamiseks. Prognoositi, et juba 2000. aastaks hakkab nn tehisnafta mängima olulist rolli naftadefitsiidi kompenseerimisel.

1980ndatel aastatel, pärast uute naftamaardlate avastamist Põhjameres ja Mehhikos, hakkas huvi põlevkivi vastu vähenema. Naftasaaduste hind langes 1998. aastal maailmaturul sedavõrd (alla 10 $/barrel), et põlevkiviõli (tol ajal oli õli tootmise tasuvus Eestis nafta hinna juures vaid üle 16 $/barrel) kaotas konkurentsivõime ja põlevkiviõlitööstus suri ka Eestis välja. Juba 1999. aasta teisest poolest hakkas nafta hind oluliselt tõusma ja taas käivitati põlevkiviõli generaatorid Kohtla-Järvel ja Kiviõlis. Tänapäeval on nafta hind maailmaturul tõusnud 100 $/barrel piirimaile. Seega on järjekordsest mõõnaperioodist põlevkivi kasutamises üle saadud ja põlevkivi vastu tuntakse taas huvi.

Ajalooline ülevaade näitab, et enamikus riikides kasutati põlevkivi põhiliselt keemilis-tehnoloogilise töötlemise teel vedelkütuse, keemiatoodete, meditsiiniliste preparaatide saamiseks. Samas põletati seda suuremates kogustes otseselt elektri- ja soojusenergia saamiseks, kuid siiski vähestes riikides (põhiliselt Hiina, Venemaa, Eesti).

Kõige suurem oli põlevkiviõli toodang maailmas aastatel 1960–1970 (1,3–1,4 mln t aastas). Praegu toodetakse aastas 650–700 000 t põlevkiviõli, sellest üle poole Eestis. Brasiilias on põlevkiviõli tootmises märgata tõusu (üle 200 000 t). Möödunud sajandil oli kõige suurem põlevkivist õli tootja Hiina – üle 25 mln t. Eestis saadi ligi 23 mln t, Venemaal üle 7,5 mln t põlevkiviõli [1].

Põlevkivitööstus Eestis

Põlevkivitööstuse algaastatel (1918– 1924) kasutati Eestis põlevkivi põhiliselt vedurite, majapidamiste ja Kunda tsemenditööstuses kütteks [7].

Elektri- ja soojusenergia tootmiseks hakati põlevkivi kasutama alates 1924. aastast Tallinna, hiljem Püssi, Kunda, Kiviõli, Kohtla-Järve (1949), Ahtme (1951), Balti (1959) ja Eesti (1969) SEJ-is.

Termiliseks töötlemiseks (poolkoksistamiseks) põlevkiviõli saamiseks on kasutatud põlevkiviõli tehastes mitmesuguseid seadmeid (tabel 3).

• Kohtla-Järvel (1921– 2008) nn gaasigeneraatoreid (GGJ-i vertikaalsed retordid), tunnelahjusid
• Kiviõlis (1926–2008) – gaasigeneraatoreid, tunnelahjusid, tahke soojuskandjaga seadmeid (TSK)
• Narvas (Eesti SEJ-i juures) – 1980–2008 tahke soojuskandjaga seadmeid
• Kohtla-Nõmmel – 1931– 1961 Davidsoni horisontaalset pöörlevat retorti
• Sillamäel – 1928–1941 tunnelahjusid
• Vanamõisas – 1924–1925 katsetehases Fusiooni pöörlevat retorti Põlevkiviõli tootmiseks

GGJ-ides kasutatakse tükipõlevkivi (25–125 mm). Varem kasutati tükikivi ka tunnelahjudes jt retortides. Poolkoksistamisel eralduvad lagunemisproduktid põlevkivist 300–500 °C juures. Lisaproduktina saadav gaas on madala kütteväärtusega – alla 1000 kcal/ m³. GGJ-i protsess on kasutusel 1921. aastast kuni tänase päevani (tuntud kui Kiviteri protsess). Retorte on uuendatud, põhiliselt suurendatud nende läbilaskevõimet: 1921. aastal ehitatud retortide läbilaskevõime oli 30 t/ööp; 1950 – 100 t/ööp; 1980 – 1000 t/ööp; 1987. aastal hakati ehitama seadet läbilaskevõimega 1500 t/ööp, kuid 1992. aastal lammutati see vanametalliks.

Põlevkivi termiline töötlemine (gaasistamine) majapidamisgaasi saamiseks toimus Kohtla-Järvel kamberahjudes aastatel 1948–1987. Gaasiga (kütteväärtus 3000–4000 kcal/m³) varustati Leningradi (esimene gaasijuhe ehitati 1948., teine 1957. aastal) ja Tallinnat (1953). Leningradi gasifitseerimist loeti väga tähtsaks üleliiduliseks ettevõtmiseks [8, 9].

Põlevkiviõli tootmine

Juba alates 1927. aastast hakkas Eesti müüma oma põlevkiviõlisaadusi paljudesse välisriikidesse. Põhilised müügiartiklid olid immutusõli, kütteõli, bituumen, katuselakk, estokarbolineum, bensiin. Saksamaa tundis põlevkivi kui strateegilise tähtsusega maavara ja eriti sellest saadava põlevkiviõli kui spetsiifiliste omadustega vedelkütuse vastu suurt huvi juba enne II maailmasõda [7].

Aastatel 1960–1980 saadi põlevkivi toorõli ja vees lahustuvate fenoolide baasil üle 30 nimetuse tooteid (nt puiduimmutusõli, nerosiin, tehniline väävel, aromaatsed süsivesinikud, fenoolid, elektroodkoks, tosool, epoksüvaigud, lakid, kummipehmendi, parkained, mitmesugused mastiksid, pesuvahendid).

Käesoleval ajal toodetakse põlevkiviõlist põhiliselt nn merekütuseid ja kütteõli, millest suurem osa eksporditakse, elektroodkoksi, teebituumenit ning fenoolidest mitmesuguseid keemiasaadusi. Siin võiks ka mainida, et Slantsõ keemiakombinaadis Leningradi oblastis toodeti alates 1960ndate aastate algusest kukersiidist kerogeeni kontsentraati OA sisaldusega 70%, mida kasutati plastmassi- ja kummitööstuses aktiivse täiteainena. Katseliselt on gravitatsioonilise rikastamisega saadud ka 90% kontsentraati.

Eesti TA energeetikanõukogu istungil 1999. aastal märgiti, et põlevkiviõli tootmisel GGJ-is (Kiviteri protsess) on tehnoloogilistes lahendustes olulisi puudusi:

• kasutatav on vaid rikastatud tükipõlevkivi;
• seadmed on energia- ja materjalimahukad;
• utmisel on suur orgaanilise aine kadu;
• tõsine keskkonnasaastamine;
• ei ole tekkivate tööstusjäätmete kasutamise võimalust;
• tehnoloogial ei ole tulevikuväljavaateid.

Kuna saastetaset pole võimalik viia vastavusse Euroopa Liidu normidega, tõusevad kiiresti keskkonnamaksud. Varsti ei tasu õli tootmine generaatorites end enam ära. Üks väljapääs oleks utteagregaatide väljavahetamine ajakohasemate, tõhusamate ja keskkonnasõbralikumate vastu. Samuti võiks toorõli vääristada kvaliteetseks mootorikütuseks, laiendada keemiatoodete valikut ning leida kasutust töötlemisjääkidele (nt ehitusmaterjalide tootmiseks).

Tunnelahjusid loeti omal ajal ideaalseteks utteseadmeteks: kõrge õlisaagis, saadav gaas kõrge kütteväärtusega, bensiini (madala oktaaniarvuga 58) saagis ca 10–15%, kuid ahjude konstruktsioon oli keeruline. Ahjud olid kõrge elektri- ja soojuseenergiakasutusega. Kvaliteetse bensiini saamiseks on tarvis kergete naftasaaduste lisandeid.

Narva SEJ-i juures õlitehases kasutusel olev TSK (Galoteri protsess) on mitme näitaja poolest GGJ-i protsessist parem:

• võib kasutada rikastamata madalama OA sisaldusega peenpõlevkivi;
• täielikum on OA õlipotentsiaali kasutamine;
• tööstusjäägid on vähem keskkonnaohtlikud;
• gaas on kõrge kütteväärtusega (11 000 kcal/m³).

Kirjandus

1. Kattai, V. 2003. Põlevkivi – õlikivi. Tallinn, Eesti Geoloogiakeskus, 162 lk.
2. Kattai, V., Saadre, T., Savitski, L. 2000. Eesti põlevkivi: geoloogia, ressurss, kaevandamis tingimused. Tallinn, Eesti Geoloogiakeskus, 226 lk.
3. Kattai, V. 2003. Kui palju võiks saada põlevkivist vedelkütuseid. Eesti põlevloodusvarad ja -jäätmed. Tallinn, lk 6–13.
4. Kattai, V., Lokk, U., Mokrik, R., 1998. Reviev of oil deposits in the East Baltic. Bull. of the Geol. Survey of Estonia., 4/1, p.12–16.
5. Tšerepovski, V. (toim), 1988. Maailma põlevkivileiukohad (vene keeles). Moskva, Nauka, 263 lk.
6. Urov, K., Sumberg, A. 1999. Characteristics of oil shales and shale-like rocks of known deposits and outcrops. Oil Shale, 16/3, 64 p.
7. Riigi Põlevkivitööstus (1918– 1938). Tallinn, AS-i Esimene Eesti Põlevkivitööstus kirjastus, 118 lk.
8. Rooks, I. 2004. Esimesest Eesti põlevkivitööstusest Kivitereni. Kohtla-Järve, 132 lk.
9. Jefimov, V., 2000. Oil shale processing in Estonia and Russia. Oil Shale, 17/4, p. 367–385.

Artikli autor on VELLO KATTAI, Inseneribüroo STEIGER OÜ

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 4/2008, lk 26–30

Foto: Viru Keemia Grupp / Wikimedia Commons CC BY-SA4.0