ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2012, № 3, с. 3-8
УДК 662.73 : 552
КАЧЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ НЕКОТОРЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МОНГОЛИИ1
© 2012 г. С. А. Семёнова*, Н. И. Фёдорова*, З. Р. Исмагилов*, Б. Авид**
*Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН, Кемерово
E-mail: semlight@mail.ru **Институт химии и химической технологии МАН, Улан-Батор, Монголия Поступила в редакцию 21.11.2011 г.
В статье представлены результаты исследования химического состава и технологических свойств углей Хартарвагатайского, Нуурстхотгорского и Хушуутского месторождений Монголии.
Монголия располагает крупнейшими ресурсами ископаемых углей, образованных в каменноугольном, пермском, юрском и меловом периодах. Общие геологические ресурсы углей Монголии оцениваются 152 млрд. т, из них 10.15 млрд. т доступны для разработки [1, 2]. В настоящее время известно более 200 угольных залежей и месторождений, из которых детально изучены около 70. К одним из крупных месторождений каменных углей относятся Хартарвагатайское, Нуурст-хотгорское и Хушуутское. Геологические исследования данных месторождений начали осуществляться в 30—40-х годах прошлого века. Хартарвагатайское месторождение расположено в Убсунурском аймаке в 50 км к югу от г. Улаангом и относится к Хархирайскому бассейну. Это месторождение представлено одним мощным пластом 80—85 м и слоями толщиной 0.5—1.5 м. Разведанные запасы составляют около 20 млн. т. Ну-урстхотгорское месторождение расположено в Убсунурском аймаке в 180 км к западу от г. Улаан-гом и также находится на территории Хархирай-ского бассейна. Месторождение представлено восемью пластами мощностью 2—50 м; разведанные запасы около 143.3 млн. т. Хушуутское каменноугольное месторождение расположено в Кобдос-ком аймаке в 210 км к юго-востоку от г. Кобд. Месторождение относится к Монголо-Алтайскому бассейну и представлено двумя угольными пластами мощностью 15—35 м. Разведанные запасы составляют около 88 млн. т. Промышленная разработка всех указанных месторождений углей в целевые продукты в настоящее время не осуществляется, уголь потребляется местным населением [2, 3].
Работа выполнена в рамках интеграционного проекта СО РАН и МАН № 13 "Разработка научных основ энергосберегающих технологий глубокой переработки углей Монголии и Западной Сибири РФ методами активирующего химического и физического воздействия".
Следует отметить, что при достаточно значимых запасах твердых горючих ископаемых в Монголии, по имеющимся в литературе разрозненным сведениям, невозможно получить их полную характеристику, поэтому имеется необходимость проводить изучение химико-технологических свойств различного рода твердых горючих ископаемых Монголии для обоснования современных рациональных направлений их использования.
В настоящей работе представлены результаты исследования химического состава и химико-технологических свойств углей Хартарвагатайского, Нуурстхотгорского и Хушуутского месторождений Монголии.
Экспериментальная часть
Элементный анализ углей осуществляли на СИМОВ-анализаторе " ТНегто¥1а8к-2000". Количество кислородсодержащих групп определяли: карбонильных — по реакции с гидроксиламином солянокислым, карбоксильных — ацетатным методом, суммарную кислотность — ионным обменом с гидроксидом натрия. Содержание кислорода в "активных" группах (Оакт) определяли суммированием его процентного содержания в идентифицируемых группах; количество "неактивного" кислорода (Онеакт) — по разнице между общим содержанием кислорода и Оакт.
Петрографический анализ выполняли на автоматизированном комплексе оценки марочного состава углей системы "81ЛМБ-620" (Россия). Подсчет микрокомпонентов проводился автоматически при увеличении в отраженном свете 300 раз.
Золу для химического анализа получали медленным озолением аналитических проб углей в муфельной печи при температуре 850°С в течение 3 ч. Микроанализ золообразующих элементов осуществляли с использованием растрового электронного микроскопа 18М-6390 ЬЛ фирмы
Таблица 1. Характеристика качества углей месторождений Монголии
Уголь, месторождение Технический анализ, % Теплота сгорания, МДж/кг
W Ad ydaf S? высшая, Qs низшая, Qr
Хартарвагатай 6.2 23.8 31.6 1.6 29.0 20.0
Нуурстхотгор 2.1 20.8 23.6 1.6 33.2 25.0
Хушуут 2.3 6.2 14.4 1.7 34.1 30.4
Таблица 2. Химический состав углей месторождений Монголии
Месторождение Элементный состав, % на daf Н/С О/С Функциональный состав, мг-экв/г ОМУ Выход спирто-бензольного экстракта, %
C Н O + N COOH OH CO
Хартарвагатай 75.4 4.0 20.6 0.64 0.20 0.45 1.14 1.54 4.1
Нуурстхотгор 84.6 4.2 11.2 0.60 0.10 — 0.29 0.38 2.3
Хушуут 86.8 4.0 9.2 0.55 0.08 0.03 0.34 0.39 1.4
"JEOL", имеющего в качестве аналитической приставки рентгеноспектральный анализатор JED-2300.
Термогравиметрический анализ проводили на термоанализаторе STA 409 фирмы "Netzsch" в среде гелия, скорость подъема температуры 10 град/мин. Определение выхода продуктов полукоксования по методике [4].
ИК-спектры регистрировали на фурье-спектрометре "Инфралюм-ФТ-801" в области 400— 4000 см-1.
Спектры 13С высокого разрешения в твердом теле регистрировались на приборе Bruker Avance III 300 WB с использованием стандартной методики кросс-поляризации с вращением под магическим углом и развязкой от протонов, подавлением сателлитов вращения (CPTOSS) при частоте 75 мГц [5]. Время контакта 2000 мкс, накопление 1024 сканов, задержка между сканами 5 с, частота вращения образца 5 кГц.
Низкотемпературную экстракцию осуществляли спиртобензольной смесью (1 : 1) по методу Грефе в течение 6 ч. Хромато-масс-спектрометри-ческий анализ экстрактов проводили на приборе 19091S-433 фирмы "Agilent" в области 15-500 а. е. м. в режиме программирования температуры от 50 до 250°С со скоростью 4 град/мин; капиллярная колонка HP-5MS (5% дифенил и 95% диметилси-локсан) 30 м х 0.25 мм х 0.25 мкм; газ-носитель — гелий.
Обсуждение результатов
Характеристика основных химико-технологических свойств и химического состава исследуемых образцов углей некоторых месторождений
Монголии приведены в табл. 1 и 2. Из представленных результатов следует, что угли месторождений Хартарвагатай и Нуурстхотгор являются сред-незольными (Ла ~ 20%) с выходом летучих веществ (у-йа]), характерным для среднеметаморфизован-ных углей (24—32%). Образец угля месторождения Хушуут — малозольный (Лй ~ 6%) с наименьшим
значением Уйа] (14%). Содержание общей серы составляет около 1.6—1.7%, что позволяет отнести данные угли к среднесернистым.
Высшая теплота сгорания Qisaf, рассчитанная по [4], изменяется от 29 (Хартарвагатай) до 34 (Хушуут) МДж/кг (табл. 1). С учетом влияния минеральных примесей и влажности углей теплота
сгорания топлива Qri составляет соответственно 20 и 30 МДж/кг.
По данным элементного анализа, наибольшим содержанием кислорода и атомными отношениями О/С и Н/С характеризуется образец угля Хартарвагатай. Данный уголь также имеет наивысшие значения идентифицируемых карбоксильных, фе-нольных и карбонильных групп, что свидетельствует о его наименьшей химической зрелости по сравнению с другими исследуемыми образцами.
Согласно данным петрографического анализа углей (табл. 3), показатель отражения витринита Я0, характеризующий степень карбонизации угольного вещества, увеличивается в ряду исследуемых углей от 0.90 до 1.85, что согласуется с уменьшением значений их выхода летучих веществ (табл. 1) и атомных отношений Н/С и О/С (табл. 2). Основные петрографические составляющие углей Нуурстхотгор и Хушуут — витринит V (43—44%) и инертинит I (41—47%).
Таблица 3. Характеристика петрографического состава углей месторождений Монголии
Месторождение Петрографический параметр, % Показатель отражения витринита % Марка и группа угля согласно ГОСТ 25543-88
Уг ¿V I Ме ЕОК
Хартарвагатай 77.0 8.0 14.7 0.3 20.1 0.90 Г, 1ГВ
Нуурстхотгор 44.0 7.8 46.9 1.3 52.7 1.16 СС, 3СС
Хушуут 42.9 15.2 40.7 1.2 51.4 1.85 Т, 1ТФ
Таблица 4. Выход продуктов полукоксования (мас. %)
Месторождение Полукокс (Х) Смола (Тк) + пирогене-тическая вода (WSХ) Легколетучие и газообразные продукты (08Х)
Хартарвагатай 83.6 6.7 9.7
Нуурстхотгор 91.1 5.1 3.8
Хушуут 91.8 3.9 4.3
При этом доля семивитринита ¿и в образце угля Хушуут вдвое выше (табл. 3). По содержанию отощающих компонентов (2ОК ~ 50%) данные угли являются фюзенизированными, обладают низкими спекающими свойствами и, следовательно, не подлежат коксованию [6]. Наиболее обогащен витринитом (77%) среди исследуемых углей образец Хартарвагатай, роль других компонентов — семивитринита и инертинита не столь значительна. Однако несмотря на высокое содержание спекающих компонентов, спекаемость у образца Хартарвагатай отсутствует (тигельная проба — порошкообразная), что, вероятно, обусловлено незначительной окисленностью угля.
Совокупность проанализированных технологических параметров (показатель отражения вит-ринита Я0, сумма отощающих компонентов 2ОК, выход летучих веществ характер тигельной пробы) позволяет определить марочную принадлежность исследуемых углей месторождений Монголии. Согласно ГОСТ 25543-88 уголь месторождения Хартарвагатай можно отнести к технологической марке Г (газовый), подгруппа 1ГВ (витринитовый), образец угля месторождения Нуурстхотгор — к марке СС (слабоспекающийся),
подгруппа 3СС, а образец месторождения Хушуут — к марке Т (тощий), подгруппа 1ТФ (фюзинитовый).
Для оценки химико-технологического потенциала исследуемых углей Монголии анализировали выход продуктов полукоксования (табл. 4). Максимальным выходом смолы полукоксования и выделением легколетучих и газообразных продуктов обладает образец угля месторождения Хартарвагатай, что характеризует его как наименее метаморфизованный уголь с слабоконденси-рованным углеродным скелетом. Угли двух других месторождений характеризуются большим выходом углеродного остатка — полукокса при меньших количествах выделяемых смолистых и летучих веществ.
Анализ термогравиметрических показателей (табл. 5) согласуется с предыдущими данными (табл. 4) и свидетельствует о том, что наиболее высокой термической устойчивостью обладает образец угля мес
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.