ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2010, № 4, с. 29-33
УДК 662.73 : 552
СОСТАВ И СВОЙСТВА УГЛЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ САЙХАН-ОВОО МОНГОЛИИ1
© 2010 г. Б. Пурэвсурэн*, Я. Даваажав*, Х. Серикжан*, С. Батбилэг*, П. Н. Кузнецов**
* Институт химии и химической технологии Монгольской академии наук, Улан-Батор
E-mail: purevsuren_b@yahoo.com ** Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск E-mail: kpn@icct.ru Поступила в редакцию 11.01.2010 г.
Определены основные технические характеристики угля месторождения Сайхан-Овоо Монголии. Уголь соответствует высокой стадии метаморфизма, отвечающей тощему каменному углю переходного к антрациту, отличается высоким выходом полукокса, высокой теплотворной способностью и малым содержанием серы. В минеральной части угля преобладают соединения железа (60.2%) при небольшом участии соединений кремния, алюминия, кальция и других металлов. Содержания токсичных металлов Sr, Mn, Zn и Cu не превышают уровни ПДК. Надмолекулярная структура органической массы угля представлена в основном плотноупакованными графитоподобными пачками, содержащими в среднем 6.7 ароматических слоев. Небольшая доля углерода (около 20%) структурирована в виде гамма-компонент на периферии пачек. Путем термопаровой активации получен активный уголь. Определены его структурные характеристики и сорбционная активность по поглощению иода и метиленового голубого.
Стоимость нефти на мировом рынке растет. Ее динамика такова, что периоды относительно стабильных цен сменяются скачкообразным повышением, а затем столь же резким падением. Учитывая нестабильность на нефтяном рынке, во многих странах приступили к практическому осуществлению диверсификации энергоносителей с вовлечением различных нетрадиционных видов органического сырья, в первую очередь угля, запасы которого многократно превышают запасы нефти и газа [1, 2].
В Монголии уголь в настоящее время является основным энергоносителем для теплоэлектростанций и местных котельных [3, 4]. Страна располагает большими запасами твердых горючих ископаемых различных марок и, по геологическим прогнозным ресурсам (около 152 млрд. т), входит в число первых 15 стран мира [5, 6]. Известно около 140 месторождений углей и углепроявле-ний каменноугольного, пермского, юрского и мелового возраста. К крупным наиболее изученным и промышленно значимым относятся Тавантоло-гойское (ТауаШо^ог) месторождение высококачественных коксующихся углей, Шараингольское (8Нагищо1), Налайхское (Ма1а1кИ), Алагтогское (Л^^оо) месторождения, содержащие антрацит, Баганурское (Baganuur) и Шивеовоское (БМувг-Оуоо) буроугольные месторождения. Однако в целом изученность угольных провинций
1 Работа выполнена при частичной поддержке интеграционной программы СО РАН (проект № 104).
невелика. имеются перспективы значительного увеличения запасов.
Прямое использование угля при сжигании на ТЭЦ, в коммунальных и бытовых топках порождает экологические проблемы, в частности, связанные с выделением парниковых газов, загрязнением почвы и атмосферы вредными выбросами, поэтому все большее внимание в Монголии уделяется проблеме получения из углей высококачественных и экологически безопасных энергоносителей. В этих целях осуществляются мероприятия по разработке и адаптации современных прогрессивных технологических достижений для эффективного и экологически безопасного использования местных углей.
Научные исследования в Монголии по углехи-мической тематике ведутся в основном в Институте химии и химической технологии Монгольской академии наук. Основные направления связаны с получением новых данных по составу углей наиболее крупных месторождений и их технологической классификацией, а также с созданием эффективных методов переработки [7]. Большая часть исследований выполняется по программам международного сотрудничества. В частности, совместно с чешскими исследователями изучены коксующиеся свойства образцов углей Тавантологойского месторождения с целью получения высококачественного кокса [8, 9]. Технологические свойства бурых углей Баянтегского (Bayanteeg), Баганурского (Baganuur) и Овдогху-дугского (Ovdogkhudag) месторождений изучены в
30 ПУРЭВСУРЭН и др.
Таблица 1. Химический состав золы угля Сайхан-Овойского месторождения
В золе, мас. %
SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 SO3 P2O5 Na2O K2O Sr Mn Си Zn
17.1 8.2 60.2 4.8 2.5 0.5 2.1 3.1 0 0.4 247 316 25 225
130* 100* 8* 18*
В угле, г/т
Примечание. Звездочкой отмечены средние содержания в углях мира [18].
Таблица 2. Элементный состав органической массы угля (мас. %)
Cdaf Hdaf Sdaf О + Ndaf Формы серы, Sd
общее S ^орг S ^сульф SSO4
85.90 2.79 0.39 10.92* 0.35 0.32 0.02 0.01
* По разности.
процессах полукоксования и гидрогенизации совместно с исследователями из Института горючих ископаемых (Москва) [10]. Бурые угли Овдог-худугского и Адунчулунского (Aduunchuluun) месторождений в процессах ожижения изучали также совместно с японскими исследователями [11], угли месторождений Шиве-Овоо (БЫувв-Оуоо) и Баганур были испытаны в Японии на установке в режиме жидкофазного облагораживания в среде растворителя при 380—440оС без применения водорода [12]. В Германии [13] и Англии [14] угли месторождений Шиве-Овоо и Баганур изучены также в процессах газификации и пиролиза. С применением современных аналитических методов и оборудования охарактеризованы состав и свойства продуктов, полученных при переработке указанными методами (кокса, полукокса, бездымного твердого топлива, активированных углей, жидких веществ и газов).
В настоящей работе представлены результаты исследования состава и свойств угля Сайхан-Овойского (Ба1Шап-Оуоо) месторождения в процессе пиролиза и получения сорбентов. Месторождение расположено на севере Монголии в провинции Булгана, до настоящего времени практически не разрабатывается.
Экспериментальная часть
Отбор пробы угля на месторождении и определение его технических характеристик осуществляли по методикам в соответствии с монгольскими национальными стандартами (иБТ) (влажность - иБТ 656-79, зольность - иБТ 652-79, выход летучих веществ — иБТ 654-79, теплотворная способность — иБТ669-87, содержание серы — иБТ 895-79).
Опыты по пиролизу угля проводили в лабораторном вертикальном трубчатом реакторе из нержавеющей стали с загрузкой до 1 кг угля с размером частиц 3—4 мм. Реактор обогревался электропечью, скорость нагрева 20°С мин-1. Контроль температуры осуществляли хромель-алюмелевой термопарой, расположенной в кармане, помещенном в слой угля. Парогазовые продукты реакции поступали в стеклянный холодильник с водяным охлаждением, конденсат (смола и пи-рогенетическая вода) собирали в специальном сборнике. Выход твердого остатка (полукокса), смолы и пирогенетической воды определяли по массе, выход газов - по разности.
Активацию полученного полукоксового продукта осуществляли в кварцевом трубчатом реакторе при 850oC в потоке водяного пара. Навеска карбонизата (размер частиц 0.6-1.0 мм) составляла 10 г.
Состав органической массы угля определяли методами элементного анализа и по ИК-спект-рам, которые снимали на ИК-Фурье-спектромет-ре "Vector 22" фирмы "Bruker". Содержание металлов в золе анализировали рентгенофлуорес-центным методом.
Параметры надмолекулярного пространственного строения угля изучали методом рентгеновской дифракции. Кривые рассеяния рентгеновских лучей записывали на дифрактометре "Дрон-3" в СиКа-излучении в диапазоне углов 2© от 5 до 60. Компьютерную обработку рентгенограмм и расчет рентгеноструктурных параметров проводили с учетом рекомендаций [15-17]. Удельную поверхность измеряли методом тепловой десорбции азота, сорбционную способность -по поглощению метиленового голубого и иода из водных растворов.
Результаты и обсуждение
Исследуемый уголь имел следующие технические характеристики: Ad = 10.6%, Wr = 2.24%, Vdaf= = 8.2%, теплотворная способность 33.8 МДж/кг. Зола от сжигания имеет коричневый цвет, содержит в основном соединения железа (60.2% Fe2O3), в значительно меньшем количестве — соединения
СОСТАВ И СВОЙСТВА УГЛЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ САЙХАН-ОВОО МОНГОЛИИ
31
Абсорбция
0.3
0.2
0.1
Ю^Т чо
J_1_
4000
3500
3000
2500
2000
1750
1500 1250
1000
750
см
-1
ИК-спектр угля месторождения Сайхан-Овоо.
кремния (17.1% 8Ю2), алюминия (8.2% А1203) и кальция (4.8% СаО) (табл. 1). Величина отношения ^е2О3 + СаО + М80 + Na2O + К2О)/(8Ю2 + + А12О3 + ТЮ2) > 1, что указывает на основный характер золы. Содержание соединений фосфора составляет 3.1%, что неблагоприятно для использования угля в производстве металлургического кокса.
По концентрации малых элементов наблюдаются заметные превышения над угольными кларками (т. е. средними содержаниями в углях мира) для таких токсичных элементов, как 8г, Мп, Си, 2п (в 2—3 раза). Тем не менее их концентрации, как и концентрации других элементов, не превышают уровня ПДК.
По полученным данным, с учетом результатов корреляционного анализа, выполненного авторами [19], золу исследуемого угля можно отнести к среднеплавкой с температурой начала размягчения в области 1250—1350°С, начала жидкоплав-кого состояния — 1270—1370°С, нормального жидкого шлакоудаления — 1320—1420°С.
Состав органической массы угля характеризуется низким содержанием водорода и серы (с преобладанием серы органической 8орг) (табл. 2). Молекулярный состав ОМУ характеризовали методом ИК-спектроскопии. В ИК-спектре, показанном на рисунке, можно выделить несколько частотных областей (см-1) поглощения: 700—900 (внеплоскостные деформационные колебания связей Сар—Н), 1000—1300 (колебания связей в различных кислородсодержащих группах), 1350— 1470 (деформационные колебания метильных и метиленовых групп), 1500—1630 (скелетные колебания ароматических колец, С=О-связей в кето-нах, альдегидах, хинонах), 1650—1750 (карбонильные группы в карбоновых кислотах, слож-
ных эфирах и лактонах), 2800—2950 (валентные колебания С—Н-связей в насыщенных алифатических структурах), 3030—3050 (валентные колебания С—Н-связей в ароматических и непредельных соединениях), 3100—3600 (валентные колебания гидроксильных групп в фенолах и карбоновых кислотах).
Анализ профиля полос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.