научная статья по теме ГИДРОГЕНИЗАЦИЯ УГЛЯ ЧАЙДАХСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЛЕНСКОГО БАССЕЙНА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ГИДРОГЕНИЗАЦИЯ УГЛЯ ЧАЙДАХСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЛЕНСКОГО БАССЕЙНА»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2013, № 3, с. 37-42

УДК 662.74:552

ГИДРОГЕНИЗАЦИЯ УГЛЯ ЧАЙДАХСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

ЛЕНСКОГО БАССЕЙНА

© 2013 г. А. С. Малолетнев*, П. Н. Кузнецов**, С. М. Колесникова**, О. А. Мазнева*

* Московский государственный горный университет Е-таИ: АпаЫу-Ма1вШп^@ rambler.ru ** Институт химии и химической технологии Сибирского отделения РАН, Красноярск

Е-таИ: kpn@icct.ru Поступила в редакцию 01.11.2012 г.

Приведены результаты оценки угля Чайдахского месторождения Ленского бассейна как сырья для получения жидкого топлива методом гидрогенизации. Угли Чайдахского месторождения, запасы которых превышают 250 млн. т, имеют благоприятные горно-геологические условия залегания, содержат небольшое количество золы и серы, могут рассматриваться в качестве перспективного сырья северных районов Ленского бассейна (с дефицитом моторных топлив и горюче-смазочных материалов) для переработки в жидкое топливо, что подтверждено настоящим исследованием их реакционной способности при гидрогенизации под давлением водорода до 10 МПа.

БО1: 10.7868/80023117713030043

В настоящее время в связи с нарастающим дефицитом нефтяных топливно-энергетических ресурсов на Востоке России, резким увеличением стоимости транспорта моторных топлив из Центральной части России и из Западной Сибири в угледобывающие регионы Забайкальского края, Якутии, Приморья, Камчатской и Магаданской областей актуализировалась проблема получения в этих угледобывающих регионах моторных, котельного и печного топлив, а также химико-технологического сырья из угля.

Ленский угольный бассейн — один из крупнейших в стране. В нем сосредоточены угли широкого метаморфического ряда: от лигнитов до антрацитов. Преобладают малозольные и малосернистые угли низкой стадии метаморфизма — бурые и длиннопламенные каменные. Большие запасы и широкий диапазон марочного состава позволяют рассматривать угли Ленского бассейна не только как энергетическое топливо, но и как ценное сырье для комплексной переработки в продукты различного назначения, включая жидкие углеводороды. Вместе с тем, несмотря на огромные запасы, в целом угли этого бассейна слабо изучены. К наиболее изученным относятся лишь угли Кангаласского и Жиганского месторождений [1—3], которые используются в качестве топлива в основном для коммунально-бытовых потребителей.

В последние годы в результате геологоразведочных работ в северной провинции Ленского бассейна в Салга-Табалахской угленосной площади (Оленекский район) выявлено и изучено

Чайдах-Юряхское месторождение, угленосность которого связана с нижнемеловыми отложениями укинской и лукумайской свит. Основной угольный пласт для открытой разработки — пласт "Целевой". Залегание пласта спокойное, со слабым наклоном на юго-запад под углом 1—2°, тектоническое строение площади блочное, основные зоны нарушения без видимых смещений. Отсутствие в углях и вмещающих породах радиоактивных аномалий, высокая технологичность и энергетическая составляющая углей, относительно благоприятное (приморское) географическое положение и возможная морская схема транспортировки продуктов переработки месторождения, высокая вероятность открытия других крупных месторождений в Оленекском угленосном районе, постоянная дефицитность твердого, жидкого топлива и фактическое отсутствие других видов энергоносителей в данном районе позволяют рассматривать Салга-Табалахскую угленосную площадь как перспективный объект для дальнейшего исследования с целью энергетического и технологического использования углей. Перспективное направление их технологического использования — организация на месте производства жидких моторных топлив. Для реализации этой задачи в настоящее время в России имеются научные, технические и экономические предпосылки [4, 5].

Ранее были выполнены исследования [6, 7] по изучению состава и активности углей в процессах гидрогенизации и гидропиролиза углей новых месторождений, разведуемых в Оленекском угле-

Относительная интенсивность

3800 3550 3300 3050 2800 2550 2300 2050 1800 1550 1300 1050 800 550 300

ИК-спектр угля Чайдахского месторождения.

носном районе Севера Ленского бассейна. Показано, что большинство исследованных углей обладает сравнительно высокой реакционной способностью: выход жидких продуктов при гидрогенизации в зависимости от условий составлял от 65.5 до 71.9%. Полученные бензиновые фракции гидрогенизата содержали в 2—6 раз больше ароматических углеводородов и существенно меньше изо-парафинов по сравнению с нефтяными фракциями. При гидропиролизе (500°С, 10 МПа) на железосодержащем катализаторе степень превращения угля составляла 63% при выходе жидких углеводородов 31% в расчете на ОМУ, что почти в 3 раза выше, чем в процессе простой перегонки угля [7].

В настоящей статье приведены результаты гидрогенизации угля Чайдахского месторождения Ленского бассейна в присутствии рудного железосодержащего катализатора под невысоким давлением водорода в среде технических пастооб-разователей.

В работе для экспериментальных исследований применяли уголь со следующими характеристиками (мас. %): Wr воздушно сухого угля 10.05;

Л* 13.5; У** 49.8; С^ 73.20; Н** 5.49; Sf 0.53;

0.89; О^ 19.89; теплота сгорания ^ = = 29.02 МДж/кг (6942 ккал/кг). Химический состав минеральной части угля представлен в основном соединениями кремния (48.6 мас. % 8Ю2) и алюминия (21.4% А12О3), в меньшем количестве соединениями кальция (13.5% СаО); железа (8.1% Fe2Oз). В небольшом количестве присутствовали также соединения магния (1.2% М§О), натрия (2.7% Ш2О) и калия (2.0% К2О).

Уголь имеет достаточно однородный петрографический состав, относится к невысокой стадии углефикации (Вг 0.49%), соответствующей буро-

му углю марки 2Б (бурый плотный) или низкоме-таморфизованному каменному. Петрографический состав представлен главным образом микрокомпонентами группы гуминита (87%). Отмечены обе разновидности гуминита — коллинит и телинит. Включения инертинита незначительны и составляют около 1.0%. В существенном количестве присутствуют мацералы группы липтинита (12%): кутинит, суберинит и, преимущественно, спо-ринит.

В ИК-спектре угля (см. рисунок) проявляется характеристичная полоса с максимумом около 1620 см-1, указывающая на присутствие ароматических структур. В достаточно большом количестве в угле содержатся фрагменты парафиновых углеводородов, о чем свидетельствуют сравнительно интенсивные полосы с максимумами при 2930, 2850 и 1380, 1460 см-1, характеристичные для валентных и деформационных колебаний С—Н-связей соответственно. Судя по слабому поглощению при 1700 см-1 (в виде плеча на полосе колебаний сопряженных С=С-связей), карбоксильные группы содержатся в небольшом количестве.

В низкочастотной области спектра при 400550 см-1 наблюдается ярко выраженный триплет, который может быть обусловлен деформационными колебаниями групп 81-О-Ме, 81-О-А1 минеральной части - каолинита и галлаузита [8]. Интенсивное поглощение наблюдается в области 950-1300 см-1, характеристичной для минеральных веществ, наиболее интенсивные пики при 1000-1100 см-1 принадлежат глинистым минералам. Присутствие указанных минеральных компонентов маскирует анализ содержания в угле эфирных и спиртовых групп и анализ ароматических фрагментов по внеплоскостным колебаниям С-Н-связей в области 750-900 см-1.

Гидрогенизацию угля проводили во вращающемся автоклаве объемом 0.09 л. В качестве пас-тообразователей применяли технический тетра-лин (с содержанием основного вещества 86.5%, 9.5% декалина и 4.0% нафталина), мазут марки М-100, смеси мазута с 30% донора водорода (тет-ралина), а также высококипящие фракции угольного гидрогенизата, полученного в ходе проведения опытов.

В качестве катализаторов применяли элементную серу (от 1 до 5%) и высокодисперсный гематит рудного происхождения с удельной поверхностью 36 м2/г в количестве 3—5% в расчете на уголь [9]. Каталитические свойства соединений железа при гидрогенизации углей исследованы достаточно подробно. Известно [10—13], что при гидрогенизации углей в зависимости от парциального давления сероводорода, образующегося в процессе, высокую каталитическую активность проявляют триолит FeS и пирротин FeS1 ± х, где х = 0.01—0.14. Максимальным каталитическим эффектом обладает пирротин. Установлено, что активность Fe-содержащего катализатора зависит от степени восстановления железа и наличия соединений серы (исходных или добавленных) в реакционной смеси. В присутствии оксидов железа глубина превращения ОМУ существенно возрастает при добавлении элементной серы или сероводорода [13, 14].

В автоклав загружали 4 г высушенного угля (фракция меньше 1.25 мм), 6 г пастообразователя и необходимое количество элементной серы и катализатора. Сосуд закрывали, проверяли его на герметичность, продували азотом и заполняли водородом до начального давления 5.0 МПа. Рабочее давление водорода составляло 10 МПа. В экспериментах применяли электролитический водород (ТУ 6-20-00209585-26-97) чистотой 99.98 об. % (остальное — азот с примесью кислорода и аргона). Скорость нагрева и охлаждения автоклава 5°С/мин; продолжительность опытов 60 и 120 мин. Процесс осуществляли при температурах 400—460°С. По окончании опыта газообразные продукты анализировали на хроматографе; содержимое автоклава извлекали, твердый остаток экстрагировали сначала петролейным эфиром, затем толуолом. Общую степень конверсии угля определяли по количеству органической массы в остатке после экстракции толуолом.

На первом этапе экспериментов была выполнена оценка влияния количества добавленной элементной серы на величину конверсии угля при гидрогенизации с использованием в качестве пастообразователя смеси мазута +30% тетралина (донора водорода) (табл. 1). Проведенные исследования показали, что при 400°С максимальная степень конверсии (62.2%) достигается при добавлении 3.0 мас. % серы. Повышение температуры до 460°С приводит к уменьшению степени

Таблица 1. Влияние добавок серы на показатели гидрогенизации угля Чайдахского месторождения при температуре 400 и 460°С (Рн = 10 МПа, т = 2 ч, смесь

мазут + 30% тетралин, Бе-содержащий катализатор 3.0 мас. % в расчете

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.

Показать целиком