ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2012, № 5, с. 29-33
УДК 662.73:552
АКТИВНОСТЬ УГЛЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МОНГОЛИИ В ПРОЦЕССЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ1
© 2012 г. С. М. Колесникова*, Е. С. Каменский*, П. Н. Кузнецов*, С. А. Семёнова**,
Н. И. Фёдорова**, З. Р. Исмагилов**
*Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск E-mail: kpn@icct.ru
**Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН, Кемерово
E-mail: iuxm@yandex.ru Поступила в редакцию 05.04.2012 г.
Определены состав и технические характеристики серии образцов углей месторождений Монголии. Изучена реакционная способность в процессе термохимической деструкции в тетралине с получением жидких продуктов. По результатам сопоставительных испытаний установлено, что бурые угли Монголии месторождений Багануур, Тэвшийнгоби и Ховил представляют наибольший интерес для деструктивной технологической переработки в жидкие углеводороды: при невысокой температуре 430°С и рабочем давлении реакционной смеси 7.5 МПа выход углеводородных продуктов и газов составлял от 50.4 до 54.2% при небольшом выходе высокомолекулярных продуктов асфальтенов.
Монголия располагает значительными запасами угля, который является основным энергоносителем для теплоэлектростанций и местных котельных [1, 2]. Его прогнозные геологические ресурсы составляют около 152 млрд. т [3]. Известно около 140 месторождений и углепроявлений каменноугольного, пермского, юрского и мелового периода. В разведанных запасах на бурые угли приходится 80%, на каменные — 20%. К крупным наиболее промышленно значимым относятся Ба-гануурское (Baganuur), Шивеовоское (Shivee-Ovoo), Шараингольское (Shariingol), Налайхское (Nalaikh), Алагтогское (Alagtogoo) месторождения, содержащие энергетические бурые и суббитуминозные каменные угли.
Значительные перспективы для развития добычи связаны с крупнейшим Тавантолгойским (Tavantolgoi) каменноугольным месторождением (запасы около 6 млрд. т, в том числе коксующихся марок около 2 млрд. т), а также с крупными месторождениями Тэвшийн Гоби (Tevshiin Gobi), Цайдам (Tsaidam) и Тугронг Нуур (TugrongNuur). В последние годы в южных провинциях Монголии разведаны новые крупные месторождения каменных углей Тугалгатай (Tugalgatai) с извлекаемыми запасами около 2.7 млрд. т и Овоот Толгой (Ovoot Tolgoi).
Добыча угля в Монголии ведется в основном открытым способом, общий объем добычи составляет около 8—10 млн. т в год. Основное количество добывают на буроугольном разрезе Бага-
1 Работа выполнена при частичной поддержке интеграционной программы СО РАН и АНМ (проект № 13).
нуур и каменноугольном разрезе Шиве-Овоо с промышленными запасами 515 и 564 млн. т соответственно. В значительно меньших объемах добыча ведется также на разрезах Адунчулуун, Ша-рынгол и других месторождениях. Уголь потребляется в основном на внутреннем рынке для выработки электроэнергии и теплоснабжения, а также экспортируется в Китай, небольшое количество — в Россию. Потребности в жидком топливе обеспечиваются за счет импорта нефти из России.
Сжигание углей на ТЭЦ, в коммунальных и бытовых топках порождает экологические проблемы, в частности, связанные с загрязнением атмосферы вредными выбросами, выделением парниковых газов. В настоящее время правительство Монголии формирует Национальную программу масштабного развития угольной промышленности, которая предполагает как создание экологически безопасных углеперерабатывающих производств, так и развитие транспортной инфраструктуры с целью увеличения объемов экспортных поставок, в первую очередь высококачественного коксующегося угля месторождения Тавантолгой, в такие страны, как Китай, Японию, Корею, Россию. Для разработки программы квалифицированного использования углей необходимы системные данные по их запасам, составу и технологическим свойствам с целью определения направлений рациональной и эффективной технологической переработки в экологически безопасные высококачественные жидкие, твердые и газообразные продукты.
Ранее в работах [4—11] монгольскими специалистами совместно с исследователями из России,
Таблица 1. Технические характеристики углей
№ Месторождение Мас. % &, МДж/кг
пробы А1 ydaf
Угли месторождений Монголии
1 Хоот 12.9 7.5 47.2 22.8
2 Ховил (блестящий) 17.4 3.8 46.2 22.7
3 Ховил (матовый) 19.3 10.8 46.2 20.7
4 Тэвшийнгоби (блестящий) 14.1 2.1 50.2 21.5
5 Тэвшийнгоби (матовый) 16.3 5.8 46.1 19.2
6 Багахангай 22.2 10.5 49.4 18.0
7 Багануур, пласт 2а 25.4 5.7 46.0 18.3
8 Шиве-Овоо, пласт 2 13.7 16.0 45.2 19.1
9 Тавантолгой 1.0 12.2 28.0 25.2
10 Сайхан-Овоо - 10.6 8.2 30.4
Угли месторождений России
11 Бородинское, Канско-Ачинский бассейн 10.0 4.3 47.0 23.0
12 Жиганское, Ленский бассейн 10.0 11.5 - -
13 Оленекское, Ленский бассейн 12.0 13.5 49.8 21.4
Англии и Японии изучены состав и технологические свойства бурых и каменных углей отдельных месторождений в процессах полукоксования, терморастворения, гидрогенизации и газификации. Коксующие свойства угля Тавантолгойского месторождения изучали в работах [12, 13]. Тем не менее в целом большинство угольных месторождений еще слабо изучены, запасы полностью не оценены, сведения о составе и свойствах углей весьма ограничены.
В настоящей работе приведены результаты сопоставительного исследования состава, технических характеристик углей различных месторождений Монголии, оценки их пригодности для процесса термохимической деструкции в жидкие продукты.
Экспериментальная часть
Серия отобранных образцов включала бурые и каменные угли из восьми различных месторождений Монголии. Для сравнения использовали также три представительных образца бурых углей Бородинского месторождения Канско-Ачинского бассейна и Жиганского и Оленекского месторождений Ленского бассейна России, которые рассматриваются в [14, 15] как перспективное сырье для термохимической переработки в жидкие продукты.
Отбор проб углей, определение их технических характеристик и состава осуществляли стандартными методами. Содержание свободных карбо-новых кислот определяли по реакции с ацетатом кальция. Общее количество кислотных гидрокси-
лов (карбоксильных и фенольных гидроксилов) определяли путем титрования с гидроксидом натрия. По разности находили содержание фенольных гидроксилов. Карбонильные группы анализировали по реакции с гидроксиламином солянокислым. Выход битумоидов определяли низкотемпературной экстракцией угля спиртобензольной смесью (1 : 1) по методу Грефе.
Реакционную способность углей в образовании жидких продуктов оценивали по данным термохимической деструкции в среде водорододо-норного растворителя тетралина. Пробы углей измельчали до частиц размером менее 1 мм и высушивали под вакуумом при 85°С до постоянного веса. Опыты по термохимическому превращению углей проводили в среде водорододонорного растворителя тетралина на установке, содержащей автоклавный блок с пятью автоклавами, помещенными во вращающуюся песочную баню, обогреваемую электрической печью. В каждый автоклав (объемом 90 мл) загружали по 4 г угля и 6 г тетралина марки "ч". Автоклавы продували азотом для удаления воздуха, задавали давление 1 МПа, герметизировали и включали нагрев печи. Скорость нагрева составляла 6°С/мин. При заданной температуре 430°С автоклавы выдерживали в течение 1 ч. Автогенное рабочее давление в автоклаве, создаваемое реакционной смесью (парами растворителя, продуктами деструкции и азотом), составляло 7—8 МПа.
После окончания процесса полученные жидкие продукты отфильтровывали, твердый остаток на фильтре подвергали последовательной экстрак-
АКТИВНОСТЬ УГЛЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МОНГОЛИИ 31
Таблица 2. Характеристика состава органической массы углей
№ пробы Элементный состав , мас. % Атомное Выход
Н<1а/ О^а/ (по разности) отношение Н/С экстракта, мас. % на ОМУ
1 75.1 5.4 2.1 0.7 16.7 0.86 4.8
2 75.1 5.2 0.8 1.6 17.3 0.83 4.0
3 75.3 5.3 1.2 1.1 17.1 0.84 4.1
4 68.2 5.1 2.3 0.7 23.7 0.90 -
5 66.3 4.9 2.3 0.9 25.6 0.89 -
6 69.8 5.0 1.2 0.8 23.2 0.86 5.2
7 70.9 5.2 1.0 0.2 22.7 0.88 3.7
8 73.1 3.9 1.0 0.9 21.1 0.64 3.6
9 82.0 5.2 - 0.4 - 0.76 1.7
10 85.9 2.8 - 0.3 - 0.39 0
11 70.0 4.9 0.9 0.3 23.9 0.84 4.0
12 67.0 4,6 1.0 0.3 27.1 0.82 3.5
13 73.2 5.5 0.9 0.5 19.9 0.90 4.9
ции гексаном, затем толуолом в аппарате Соксле-та. Степень превращения угля определяли по убыли органической массы угля (ОМУ) после экстракции, а также по изменению зольности исходного угля и нерастворимого остатка. Из полученных данных брали среднеарифметическое значение.
Результаты и обсуждение
Результаты технического анализа отобранных углей Монголии и России представлены в табл. 1. Зольность образцов монгольских углей составляла от 2.1 до 16.0%. Содержание аналитической влаги варьировало в широком интервале от 1 до 25.4%, выход летучих веществ — от 8.2 до 50.2%,
теплота сгорания ^ — от 18.4 до 30.4 МДж/кг.
По данным элементного анализа, содержание углерода в образцах составляло от 66.3 до 85.9%, водорода — от 2.8 до 5.4%, серы — от 0.2 до 1.6%, азота — от 0.8 до 2.3% (табл. 2). Для большинства исследуемых углей выход спиртобензольного экстракта изменялся в пределах 3.6—5.2%. Для углей месторождений Сайхан-Овоо и Тавантолгой выход экстрагируемых веществ не превышал 1.7%, что указывает на высокую степень ассоциированности макромолекул их органической массы.
По данным функционального анализа (табл. 3), образцы значительно отличались содержанием свободных карбоновых кислот (от 0.3 до 3.5 мас. %). В наибольшем количестве они присутствовали в образцах № 6 (уголь Багахангай) и № 2, 3 (Ховил),
что указывает на сравнительно высокую степень их окисленности. В большинстве случаев в анализируемых активных функциональных группах находится менее половины всего содержащегося в
Таблица 3. Распределение кислорода по функциональным группам в углях Монголии
№ пробы В функциональных группах, мас. %
ОН СООН СО сумма
1 2.5 0.3 1.2 4.0
2 4.8 3.3 3.1 11.2
3 5.2 2.0 1.7 8.9
4 4.7 0.7 1.2 6.6
5 4.7 1.8 1.5 8.0
6 4.5 3.5 2.8 10.8
7 5.2 1.1 1.8 8.1
8 7.2 1.3 1.5 10.0
Примечание. Для образцов углей № 9—13 данные отсутствуют.
Таблица 4. Показатели термохимич
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.