7.6. Направления использования угля

Ископаемые угли имеют широкий диапазон генетических, технологических свойств и качеств, которые позволяют использовать их не только в виде топлива, но и как технологическое сырье.

Примерно 25% поставляемых потребителям углей используют для технологических целей на предприятиях, где они перерабатываются или применяются в качестве сырья. При этом основная доля углей идет на производство кокса. Остальной уголь расходуется на энергетические цели. Свыше половины углей, направляемых на энергетические цели, используется на тепловых электростанциях, значительная часть – для коммунально-бытовых нужд, меньшая – в промышленных и районных котельных. Остальная часть энергетических углей направляется для нужд сельского хозяйства, производства строительных материалов и т. д.

Использование углей для технологических целей. Низкотемпературные методы химической переработки применяют к бурому углю, органическая масса которого слабо полимеризована и состоит по сути из слабосвязанных между собой алифатических и ароматических молекулярных фрагментов, легко извлекаемых путем экстракции. Так, экстракцией органическими растворителями (бензин и бензолы) извлекают битумы – смесь восков, парафинов, масел, асфальтенов и смол. Наиболее ценная часть экстракта – горный, или монтан-воск, который широко используется в машиностроении для точного литья, при производстве пластмасс, в бытовой химии, бумажной и текстильной промышленности. Экстракцией водным раствором едкого натрия с последующим осаждением раствором серной кислоты получают гуминовые кислоты, применяемые в аккумуляторной промышленности, при бурении нефтегазовых скважин, в сельском хозяйстве как регуляторы роста и развития растений.

В диапазоне температур 350–500°С органическое вещество угля (кроме инертинитной компоненты) проявляет способность к термическому растворению (ожижению) и гидрогенизации. Термическому растворению в углеводородных растворителях подвергают измельченный уголь при давлении до 5 МПа, при этом его алифатическая часть извлекается в виде бензиновой, а ароматическая – в виде бензольной фракции. В присутствии водорода или его доноров, сероустойчивых катализаторов и при давлении 30–70 МПа происходит процесс гидрирования термически растворенного вещества, при этом ароматические структуры разлагаются до алифатических, а выход бензиновой фракции превышает 55% массы органической части угля.

Этот способ получения синтетических жидких топлив из угля, несмотря на сложность и относительную дороговизну, широко применялся в Германии и ЮАР в периоды эмбарго на поставки нефтепродуктов.

При нагревании угля без доступа воздуха до 500–600°С происходит его полукоксова3 ние – термическое разложение (пиролиз) органической части с отщеплением и выходом в виде газои парообразных летучих веществ присоединенных групп, алифатических и легких ароматических молекулярных фрагментов. При этом основными являются жидкие продукты полукоксования смесь масел и смол, широко используемых в химической и других отраслях промышленности, а также как заменитель котельного топлива. Газ полукоксования, в который в основном переходит сера угля, чаще всего сжигают для нагрева угольной массы. Твердый остаток применяют как бездымное, обессеренное топливо с высоким содержанием углерода. Наибольший выход целевых (жидких) продуктов полукоксования имеют бурые и сапропелитовые угли, а также сланцы (кроме менилитовых).

В 1735 г. инженером-металлургом Кольбрукделем Авроамом Дерби была решена проблема замены в доменном производстве древесного угля каменноугольным коксом. Этот метод с 1775 г. начал широко внедряться в промышленности при выплавке чугуна.

Если полукоксование угля происходит в атмосфере водяного пара, у твердого ос3 татка существенно развивается пористая структура (удельная поверхность пор дос3 тигает 300–800 м 2 /г). Такой твердый оста3 ток, называемый активированным углем, обладает высокой поглощающей (адсорбци3 онной) способностью.

Если в начале ХХ века активированные угли производились главным образом из древесины, кокосового копра, плодовых косточек и другого растительного сырья и использовались в противогазах, при очистке сахара и алкоголя, в медицине, то к середине века расширенные нужды промышленности обусловили широкое применение технических активированных углей из твердого остатка полукоксования ископаемых углей.

Путем частичного окисления поверхности активированных углей, пропитки химически активными веществами или нанесения микроколичеств катализатора можно создавать избирательные поглотители, ионо- и электронообменники, высоко-активные катализаторы. Так, в современной промышленности обессоливание технической воды, очистка сточных вод, удаление и улавливание микропримесей и многие другие процессы организованы благодаря крупнотоннажному производству активированных углей с заранее заданными свойствами.

Одним из важнейших процессов переработки угля является коксование, которое проводится без доступа воздуха при температурах до 900°С и выше. Его целевым продуктом является металлургический кокс – спекшийся обуглероженный и обессеренный остаток. Побочным продуктом коксования являются каменноугольные смолы, масла, сырой бензол, покрывающие четверть современной мировой потребности в ароматических углеводородах. Газ коксования часто сжигают для нагрева коксовых печей, но он же может служить сырьем для получения аммиака и других ценных продуктов.

Производство цемента. Цемент представляет собой тонкоизмельченную смесь клинкера с различными активными (доменный шлак, гипс) и инертными (известь, песок) добавками. Клинкер – продукт спекания угля с сырьевой шихтой, которая состоит из известково-магнезиальных и глинистых пород, обогащенных оксидом железа. Клинкер получают обжигом шихты во вращающихся печах при температуре 1450°С.

Обжиг известняка осуществляется при температуре 1000–1200°С в шахтно-пересыпных, кольцевых и шахтных печах с выносными полугазовыми топками. Для обжига извести в шахтных печах с выносными полугазовыми топками используют сортовые слабоспекающиеся каменные и бурые угли с небольшим содержанием мелочи.

Производство порошкообразных углещелочных реагентов. Эти реагенты применяют при бурении скважин для добычи жидкого и газообразного топлива и скважин большого диаметра при проходке шахтных стволов. Для производства реагентов используют молодые бурые угли.

Спекание глинозема проводится во вращающихся печах. Для спекания используют каменные и бурые угли крупностью до 300 мм.

14 ноября 1795 г. вышел царский указ «Об устроении литейного завода в Донецком уезде при реке Лугани и об учреждении ломки найденного в той стране каменного угля». Перед назначением на пост директора этого завода англичанином Гаскойном были поставлены две главные задачи: освоить на заводе производство чугуна на минеральном топливе из местной железной руды и организовать добычу угля. Вторая задача предусматривала добычу угля для широкого применения его вместо дров с целью предотвращения истребления лесов.

Об этой своей задаче Гаскойн писал: «Прииск каменного угля и добыча оного на меня возложена, яко главнейшие поручения, с тем намерением, чтобы оным на кораблях Черноморского флота; в крепостях и даже во всем том крае заменить употребление дров, а леса, кои там весьма недостаточны, от совершенного истребления сохранить... За сим мне было поручено стараться открыть уголь в таких местах, откуда бы на судах оный доставлять в Черноморские порты и в разные места тамошних губерний».

Отсутствие опыта в использовании угля, неприспособленность печей и очагов к сжиганию минерального топлива, многовековая традиция применения дров, специфический запах от сгорания угля препятствовали распространению нового вида топлива в России. С целью расширения применения угля в производстве и быту, а также для обучения применению нового вида топлива первый руководитель русской угольной промышленности Н. А. Львов в 1799 г. опубликовал работу.

«О пользе и употреблении русского земляного угля». Н. А. Львов стремился в книге показать пользу от применения отечественного угля и его безопасность. Большой интерес представляют соображения автора, касающиеся производства кокса и изготовления угольных брикетов.

Сульфоуголь получают в результате специальной обработки. Применяется он в водоочистительных установках электростанций, городских водопроводных станций и для специальных производств. Для получения сульфоугля используют донецкие угли марок К и ОС.

Кузнечные работы. Для кузнечных работ пригодны спекающиеся угли марок Ж и К с небольшими зольностью и массовой долей серы, а также антрацит крупностью более 13 мм, обладающий высокими термостойкостью и механической прочностью.

Производства карбида кальция, карбида кремния, электрокорунда. Карбид кальция получают в электропечах сплавлением шихты из антрацита и извести. Используется он с целью получения ацетиленового газа для сварочных работ, а также при производстве резины. Карбид кремния производят в электропечах путем плавки специальной шихты с добавлением антрацита. Применяется для изготовления особо твердых абразивных изделий и инструментов. Электрокорунд получают плавкой глинозема с антрацитом в электропечах. Применяется как абразивный и огнеупорный материал, а также для изготовления литейных форм, стержней и т. д.

Термоантрацит получают термической обработкой крупных классов антрацита с минимальными зольностью, массовой долей серы, фосфора, выхода летучих веществ. Используется для производства электродов и в литейном производстве.

Литейное производство. Для литейного производства, кроме кокса и термоантрацита, применяется и натуральный крупный антрацит, обладающий повышенной механической прочностью и термической стойкостью, с плотной структурой без породных прослоев, с невысокими зольностью и массовой долей серы.

Агломерация (окускование) руд проводится путем спекания мелких классов руды в смеси с антрацитовым штыбом, тощим углем, мелкими фракциями кокса.

Заполнение фильтров. Для заполнения механических фильтров водоочистки на тепловых электростанциях и городских водопроводных станциях применяют антрацитовую крошку с размером частиц от 0,8 до 2 мм, зольностью до 10% и массовой долей серы до 2%. Антрацит, из которого приготавливается крошка, должен обладать высокой механической прочностью.

Энергетическое использование угля. Наиболее давним и распространенным является использование угля в качестве топлива для сжигания. В настоящее время до 50% электроэнергии в Украине вырабатывается на тепловых электростанциях, абсолютное большинство энергоблоков которых сжигают энергетические (некоксующиеся) каменные угли и антрациты. Сжигание угля связано со способностью углерода и водорода, входящих в состав угля, реагировать с кислородом до СО 2 и Н 2 О с выделением теплоты. Условием начала горения является нагрев угольной частицы до температуры воспламенения, при которой скорость тепловыделения за счет реакций окисления превысит скорость отвода тепла от частицы в окружающую среду. При нагреве частиц вначале выходят и воспламеняются летучие вещества, а затем твердый обуглероженный остаток, горение которого является основной стадией. Скорость горения угольных частиц увеличивается с ростом температуры и давления, уменьшением размера (увеличением удельной поверхности) частиц и со снижением степени метаморфизма угля.

В теории горения установлено, что, поскольку атомы углерода в карбонизованной структуре прочно связаны, углерод реагирует с газами (О 2, СО 2, Н 2) главным образом путем хемосорбции (химического присоединения) диссоциированного кислорода к активным центрам, с последующим отрывом СО-ком

Совместное рассмотрение вопросов техники и технологии добычи угля и области его применения явилось фундаментальной основой дальнейшего развития способов подготовки угля к использованию, которое потребовало исследования угля и процессов его облагораживания применительно к различным видам потребления.

Мировой опыт подготовки углей к использованию для бытовых нужд, морского флота и других целей определил необходимость производства сортового топлива с заданными размерами его кусков. Особенно это относилось к донецким антрацитам и малозольным и малозернистым паровично-жирным углям, используемым в топках судов морского флота как военного, так и торгового. Это определило интенсивное оснащение шахтной поверхности сооружениями для разделения рядового угля на сорта различного размера, а также ручного обогащения крупных классов (более 25 мм), в том числе и углей, используемых в рядовом виде.

Последняя четверть XVIII в. и XIX в. характеризуются быстрым развитием производительных сил России. Индустриализация России в это время связана с интенсивным развитием металлургии, что определило повышенную потребность в топливе, которое в тот период было представлено дровами и древесным углем.

Дефицит топлива вызвал необходимость импорта дорогостоящего каменного угля из Англии.

плексов от решетки в виде газообразного СО и с образованием нового активного центра. Этими активными центрами считаются атомы углерода со свободными или ослабленными связями. Как раз такими связями характеризуются атомы углерода в тех местах молекулярной структуры, от которых отщепились группы, образовавшие летучие. Поэтому для углей, у которых выход летучих монотонно уменьшается с увеличением степени метаморфизма, соответственно снижается концентрация активных центров и реакционная способность твердого углеродного остатка.

В процессе горения, кроме составляющих С, Н, О, принимают участие азот и сера угля (органическая и пиритная) с образованием вредных выбросов – оксидов азота и серы, что требует специальных мер по снижению их содержания в дымовых газах. Минеральная часть также подвергается ряду превращений, например, сульфаты теряют кристаллизационную воду, сульфиды железа окисляются с образованием SO 2 и оксида железа (III), оксид

железа (II) переходит в оксид железа (III), кар

бонаты разлагаются с выделением СО 2 и образованием оксида металла. Большинство этих превращений, кроме последнего, не приводит к существенному изменению массы золы (негорючего остатка) по сравнению с исходной минеральной массой. Разложение же карбонатов необходимо учитывать при расчете материального баланса горения. Кроме того, с целью обеспечения золоудаления, затрудненного в интервале температур междуt A иt C , необходимо учитывать температуры плавкости золы при организации процесса горения.

Газификацией называют процесс реагирования угля с СО2и Н2О с образованием горючих газов СО и Н2. Процесс газификации сопровождается поглощением теплоты. Часто в качестве источника теплоты для газификации используют неполное горение самого угля. Удельная скорость газификации в 1000 раз и более ниже удельной скорости горения, а повышение ее связано с теми же факторами, что и в случае скорости горения.

До недавнего времени считалось, что газификация наиболее применима для производства светильного газа (заменителя природного газа), а также СО и Н 2 в качестве сырья для по следующего органического синтеза. Так, воюющая Германия и ЮАР львиную долю своих потребностей в бензине покрывали за счет газификации угля с последующим синтезом Фишера-Тропша. В СССР в 50-е годы прошлого века также были распространены угольные газогенераторы, в том числе вырабатывавшие газ для двигателей внутреннего сгорания. Однако такое применение газификации было связано с низким КПД использования угля, с рядом технических и экологических сложностей.

Второе рождение газификации произошло в энергетике. Относительно недавно были разработаны комбинированные парогазовые установки (ПГУ) с внутрицикловой газификацией угля под давлением, отличающиеся от паровых установок с традиционным сжиганием угля повышенным КПД и экологической чистотой. Широкое внедрение ПГУ на угле возможно уже в ближайшие 10–20 лет.

В результате промышленной революции XVIII века была разработана паровая машина Уайта, что позволило размещать предприятия вблизи источников сырья и рынков сбыта, а не только по берегам крупных водоемов, использовавшихся в качестве источников энергии.

Зола от сжигания углей в различных модификациях кипящего слоя, куда добавляется известняк для улавливания оксидов серы, содержит до 10–20% гипса и остаточного оксида кальция, что обуславливает ее повышенные вяжущие свойства. Для изготовления изделий из такой золы нужна добавка не более 5% цемента.

На ряде угольных электростанций Европы и США отсутствуют золоотвалы, поскольку вся произведенная зола реализуется в промышленности стройматериалов и в дорожном строительстве.

Проблемы утилизации золы. При сжигании угля зола образуется в виде оплавленного (остеклованного) шлака и сухой золы (уноса). Шлак более химически инертен и в связи с этим находит относительно широкое применение (шлакобетоны). Однако использование шлакобетонных изделий ограничено их несколько повышенной радиоактивностью. Сложность хранения сухой золы обусловлена ее мелкодисперсностью, вызывающей пыление, и наличием окислов щелочных металлов, реагирующих с водой до щелочей, попадание которых в грунтовые воды недопустимо. Золы, содержащие разложившийся известняк, добавляемый для связывания серы, при взаимодействии с водой образуют известь и вспучиваются.

Кроме перечисленных макрокомпонентов, минеральная часть углей содержит германий, уран, молибден, рений, вольфрам, серебро, селен, галлий, ванадий, а также такие экологически опасные вещества, как ртуть, мышьяк, бериллий, фтор, хлор, фосфор, селен. В широком смысле проблема утилизации золы сводится к разработке цепочек энерготехнологических процессов, в которых бы ценные неорганические элементы извлекались, а вредные улавливались до попадания в атмосферу, прочно связывались в нерастворимых соединениях и захоранивались. Для ряда элементов (получение германия из шлака электростанций, использование кальцийсодержащих отходов в цементной промышленности) указанные цепочки организованы, но в целом проблема эффективного использования и безопасной утилизации золы с улавливанием вредных выбросов еще ожидает технического решения.

Перспективы развития методов комплексной переработки угля на основе знания его химического состава и физических свойств. Исходя из описания химического состава и физических свойств угля, можно заключить, что существующие методы использования угля не позволяют в полной мере реализовать его сырьевой и энергетический потенциал. Так, в Украине недостаточно применяются методы экстракции, полукоксования, гидрогенизации, хотя бурые угли Днепровского бассейна предоставляют для этого прекрасную сырьевую базу. Развитие методов низкотемпературного сжигания позволило бы утилизировать богатейшие, не используемые в настоящее время залежи засоленных углей марки Д Западного Донбасса. В случае разработки и внедрения технологий сжигания углей с повышенной зольностью, например в циркулирующем кипящем слое (ЦКС), удалось бы существенно снизить потери горючей массы угля при обогащении и утилизировать остаточный углерод, накопленный в отходах обогатительных фабрик в количестве десятков миллионов тонн. Рациональное использование золы и шлака электростанций дало бы возможность решить проблему сырьевой базы при получении алюминия, урана, германия, кремния и других ценных элементов. Одной из наиболее перспективных является идея комплексной энерготехнологической переработки угля. Сущность ее заключается в том, чтобы уголь перед сжиганием подвергать предварительному пиролизу с получением газообразного, жидкого топлива и химического сырья.

Если ХIХ век называли «веком угля», ХХ – «веком нефти», то с учетом быстрого исчерпания нефтяных и газовых запасов и экологических проблем ядерной энергетики ХХI век уместно назвать веком «рационального использования органического топлива», в первую очередь – угля.