ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 3, с. 5-11
УДК 662.73:552
СОСТАВ И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ УГЛЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХOOT МОНГОЛИИ1
© 2014 г. С. Батбилег*, Я. Давааджав*, Б. Пуревсурен*, Д. Намхайноров*, П. Н. Кузнецов**,
С. М. Колесникова**
*Институт химии и химической технологии МАН, Улан-Батор ** Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск E-mail: kpn@icct.ru Поступила в редакцию 01.07.2013 г.
Определены состав и показатели реакционной способности угля Хоот Монголии в процессах пиролиза, газификации, термического растворения и получения пористых материалов. Установлено, что уголь отличается высокой активностью в реакциях деструкции. В процессе полукоксования выход жидкой смолы достигает 10%. Путем паровой активации карбонизатов получены высокопористые активные угли с величиной удельной поверхности до 900 м2/г и высокой сорбционной активностью. В процессе терморастворения в водорододонорном растворителе при 450°C без применения водорода из угля Хоот можно получать до 60.8% жидких продуктов при низком газообразовании.
DOI: 10.7868/S0023117714030037
В Монголии имеется свыше 10 млрд. т разведанных запасов угля и 163 млрд. т прогнозных ресурсов [1]. Основную часть запасов составляют бурые и низкометаморфизованные каменные угли. В центральном экономическом районе Монголии расположен крупный угольный бассейн, в который входят месторождения Baganuur, Ovdogkhudag, Aduunchuluun, ТеузЫт govi, Ккоо1, Тза1ёаш nuur и 8Ыуее оуоо, пригодные для крупномасштабной разработки открытым способом. В южной части Монголии в 400 км от ближайшей железной дороги находится крупнейшее месторождение Tavan tolgoi коксующегося угля. В настоящее время уголь этого месторождения в существенном количестве экспортируется в Китай автомобильным транспортом для переработки.
Располагая крупнейшими угольными запасами, Монголия испытывает постоянный дефицит в жидких углеводородах, поэтому последние годы придается большое значение перспективному развитию отечественных перерабатывающих отраслей по обогащению, коксованию, полукоксованию, газификации и ожижению углей. Бурые и низкометаморфизованные каменные угли — это эффективное сырье как для процессов прямого получения жидких углеводородов, так и для гази-фикационной переработки в экологически безопасные энергоносители и различные ценные хи-
1 Работа выполнена при частичной поддержке интеграционной программы СО РАН (проект № 8) по сотрудничеству с
Академией наук и Министерством образования, культуры и науки Монголии.
мические продукты. В последние годы в Монголии построено несколько установок небольшой мощности по переработке углей, в частности в Улан-Баторе по полукоксованию угля, в Дайхане по производству бездымного твердого топлива. На юге Гоби компания Energy Resources построила обогатительную фабрику для мокрого обогащения угля. Промышленно-технологическая компания Сайншанд (Sainshand) планирует строительство завода по коксованию, компания "MAK" — завода по ожижению угля месторождения Адуунчулуун.
Вместе с тем масштабное развитие углеперера-батывающих производств в Монголии требует создания эффективных рациональных технологий. Для их разработки необходимы детальные сведения о составе и технологических свойствах углей крупных месторождений. Однако изученность углей большинства месторождений недостаточна, сведения об их составе и свойствах отрывочны и весьма ограниченны. Угли ряда буроугольных месторождений изучали в процессах пиролиза [2, 3], ожижения [4—9] и газификации [2]. Авторами [8] было проведено сопоставительное исследование состава и свойств углей различных месторождений. Было установлено, что бурые угли месторождений Багануур, Тэвшийнгоби и Ховил представляют наибольший интерес для технологической переработки в жидкие углеводороды. Некоторые сведения о коксующих свойствах и обогатимости каменного угля месторождения Тавантолгой приведены в работах [10—12]. Свойства угля месторождения Сайхан-Овоо охарактеризованы в [13].
Установлено, что уголь данного месторождения отличается высокой степенью метаморфизма, отвечающей тощему каменному углю, малым содержанием серы, высокой теплотворной способностью и может служить в качестве малодымного энергетического топлива, а также технологическим сырьем для получения сорбентов. Общие характеристики состава и термических свойств энергетических углей некоторых месторождений Монголии приведены в работах [14, 15].
В настоящей статье приведены результаты исследования состава и технических характеристик угля месторождения Хоот Монголии, оценки его технологических свойств в реакциях термической и термохимической деструкции и паровой газификации, проведено сопоставление со свойствами каменного угля Кузнецкого бассейна и бурого угля Канско-Ачинского бассейна. Уголь Хоот сравнительно мало изучен, его балансовые запасы составляют около 190 млн. т, месторождение отличается выгодным расположением в Центральном экономическом регионе (недалеко от Улан-Батора), благоприятным залеганием угольных пластов. В настоящее время уголь в небольшом объеме используется местными коммунально-бытовыми потребителями для сжигания.
Экспериментальная часть
Отобранные образцы углей месторождения Хоот, Бородинского и Кузнецкого бассейнов измельчали до фракции 0.25—0.5 мм и высушивали в вакуумном шкафу при 85°С. Характеристики их состава определяли стандартными методами, содержание оксидов металлов анализировали рент-генофлуоресцентным методом после медленного озоления аналитических проб при 850°С.
Петрографические исследования проводили для угля Хоот с полированными аншлиф-брике-тами, приготовленными из смеси угля со смолой. Отражательную способность оценивали для вит-ринита по 50 измерениям стантартным методом.
Сопоставительные опыты по пиролитическо-му разложению отобранных проб углей проводили в кварцевом реакторе в потоке азота при температуре 700°С в течение 1 ч. Опыты по пиролизу угля Хоот проводили также в кварцевой реторте при температурах в области от 200 до 800°С без доступа воздуха. Реторту с навеской угля 1 г помещали в электрическую печь, где температура контролировалась хромель-алюмелевой термопарой. Скорость нагрева составляла 20°С/мин, продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре — 80 мин. Образующиеся парогазовые продукты поступали в стеклянный холодильник с водяным охлаждением, конденсат собирали в специальном приемнике. Выход твердого остатка, смолы и пирогенетической воды
после окончания опыта определяли по массе, выход газов — по разности.
Пиролизованные продукты (карбонизаты), полученные при 700°С, использовали в опытах по паровой газификации в кварцевом реакторе в потоке азота с водяным паром при температурах 700 и 750°С. В реактор загружали навеску карбониза-та 4 г и в потоке азота (2 л/ч) осуществляли нагрев со скоростью 8—10°С/мин. При достижении заданной температуры включали подачу воды с помощью жидкостного насоса со скоростью 42 мл/ч. Продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре варьировали от 45 мин до 4 ч. Степень превращения карбонизата при газификации определяли по убыли количества органической массы в полученном углеродном остатке.
Реакционную способность углей в образовании жидких продуктов оценивали в реакции термохимической деструкции в автоклаве в среде водорододонорного растворителя тетралина. В автоклав загружали уголь и тетралин в соотношении 1 : 1.8, автоклав герметизировали, продували азотом для удаления воздуха и включали нагрев печи. Процесс ожижения проводили без применения водорода в течение двух часов при температурах 350, 400 и 450°С. По окончании реакции автоклав охлаждали, жидкие продукты отфильтровывали, остаток на фильтре подвергали экстракции хлороформом в аппарате Сокслета. Полученный экстракт подвергали дистилляции в ротационном испарителе до полного удаления хлороформа. Степень превращения угля определяли по убыли органической массы навески угля после экстракции.
Состав газообразных продуктов анализировали хроматографическим методом. Удельную поверхность карбонизатов и газификатов определяли по БЭТ по данным низкотемпературной адсорбции азота на анализаторах "2040 Micromeritics" и газохром ГХ-1. Сорбционную активность измеряли по величине поглощения йода по ГОСТ 6217-74.
Результаты и обсуждение
Состав углей. Данные по составу и техническим характеристикам проб углей приведены в табл. 1. Видно, что отобранная проба угля Хоот содержала мало золы (8.1%), сернистых соединений (Б? = 0.7%), повышенное количество водорода (5.4%), невысокое количество кислорода, имела сравнительно высокий выход летучих веществ (47.2%) и низшую теплоту сгорания 22.8 МДж/кг. По составу уголь Хоот приближался к кузнецкому каменному углю.
По данным рентгенофлуоресцентного анализа, минеральная часть угля Хоот отличалась от кузнецкого и бородинского углей высоким содер-
Таблица 1. Состав и технические характеристики углей
Уголь Ж" Ай уйа/ общ аГ / , С Н N О
мас. % МДж/кг мас. % на йа/
Хоот 8.4 8.1 47.2 0.7 22.8/30.5 75.1 5.4 2.1 16.7
Кузнецкий 3.9 8.8 - 0.7 -/31.1 76.0 5.6 0.9 16.8
Бородинский 10.0 5.9 47.0 0.3 17.0/27.8 71.0 4.9 0.9 22.9
Таблица 2. Химический состав золы проб углей, мас. %
Уголь А12О3 Бе2О3 СаО МБО Г1О2 Р2О5 ЯОз №2О К2О
Хоот 73.2 5.3 2.7 6.6 1.8 0.3 3.0 3.7 3.0 0.4
Кузнецкий 48.5 23.2 5.8 10.0 2.0 1.0 0.8 - 3.7 2.5
Бородинский 48.1 7.9 7.4 28.2 2.2 0.2 - - 0.5 0.08
жанием соединений кремния (73.2% 8Ю2, табл. 2), существенно меньшим содержанием алюминия, кальция и железа. Содержание щелочных металлов в сумме составляло 3.4%, отношение суммы основных оксидов к кислым ^е2О3 + СаО + + М§О + Ш2О + К2О)/(8Ю2 + А1203 + 1Ю2) < 1, т.е. зола имела сильно кислый характер. В золе в существенном количестве содержался фосфор (3.0%), что неблагоприятно для использования угля Хоот в производстве металлургического кокса. Согласно корреляционной связи, установленной в работе [16], золу угля Хоот можно отнести к среднеплавкой с температурой начала размягчения в области 1280-1430°С.
На рис. 1 показан ИК-спектр угля Хоот. В спектре видны характеристичные полосы пог
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.