научная статья по теме СВОЙСТВА БУРЫХ УГЛЕЙ КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СВОЙСТВА БУРЫХ УГЛЕЙ КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2013, № 6, с. 19-23

УДК 622.74: 662.75

СВОЙСТВА БУРЫХ УГЛЕЙ КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ПЕРЕРАБОТКИ1

© 2013 г. П. Н. Кузнецов

Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск E-mail: kpn@icct.ru Поступила в редакцию 26.03.2013 г.

Рассмотрены особенности состава, химических и физико-химических свойств различных бурых углей как сырья для глубокой термохимической переработки. Изучено влияние модифицирующих обработок углей на их свойства. Установлены корреляционные соотношения между содержанием кальция в углях и показателями строения органической массы и реакционной способности. Показано, что угли с повышенным содержанием кальция отличаются плотной жесткой надмолекулярной структурой и низкой активностью при гидрогенизации в водорододонорных растворителях. В отличие от этого в процессах высокотемпературной окислительной переработки (окислительной деструкции на воздухе и паровой газификации) соединения кальция оказывают значительный каталитический эффект на скорость реакций и состав образующихся газообразных продуктов.

Б01: 10.7868/80023117713060066

Российская Федерация располагает значительными запасами углей различных марок (второе место в мире). В балансовых запасах более половины приходится на бурые угли, которые сосредоточены в крупнейших буроугольных бассейнах-гигантах — Канско-Ачинском и Ленском. По объему добычи угля Россия занимает пятое место в мире. В основном добывается энергетический каменный уголь, на бурый уголь приходится около 25% добычи. Основная часть угля используется на внутреннем рынке в энергетическом секторе (31— 34%), в коксовании (13—14%), в коммунально-бытовом секторе (8—10%) [1]. За последние годы быстрыми темпами растут экспортные поставки каменного угля (в 2011 г. более 35%). Отечественная углехимическая промышленность представлена лишь традиционными коксохимическими предприятиями, работающими по устаревшим технологиям.

В последние годы в условиях нестабильного мирового нефтегазового рынка в топливно-энергетическом комплексе развитых стран осуществляется масштабная диверсификация источников энергии на базе процессов глубокой переработки угля. Бурые угли, обладая высокой активностью во многих реакциях, представляют ценное сырье для технологической переработки в квалифицированные продукты широкого назначения (твер-

1 Пленарный доклад на II Всероссийском симпозиуме с международным участием "Углехимия и экология Кузбасса", Кемерово, 3—4 октября 2012.

дые, жидкие и газообразные топлива и химические вещества) [2].

В работе представлены результаты исследований физико-химических свойств бурых углей как сырья для глубокой технологической переработки. Объектами исследования служили бурые угли Канско-Ачинского и Ленского бассейнов, а также крупнейшего буроугольного бассейна Лэтроб Вэли в Австралии. Основная цель — рассмотрение вопросов влияния минеральных компонентов на свойства органической массы бурых углей и их поведение в гидрогенизационных и окислительных реакциях, лежащих в основе базовых процессов глубокой технологической переработки.

1. Состав и надмолекулярная организация бурых углей

Исследованные образцы углей значительно различались общим содержанием минеральных веществ и содержанием основных макрокомпонентов. Отдельные образцы подвергали деминерализации обработкой разбавленными растворами минеральных кислот, в результате чего содержание минеральных веществ уменьшалось в 2—4 раза. После однократной обработки слабыми растворами кислот достигалось практически полное извлечение таких макрокомпонентов, как На, М§, Са, катионов других щелочных и щелочно-земельных металлов. Дополнительная обработка разбавленным раствором фтористоводородной кислоты позволяла снизить общее содержание минеральных веществ в угле до сотых долей процента.

19

2*

20

КУЗНЕЦОВ

Сттф 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4

Рис. 1. Коэффициенты набухания 6тгф в зависимости от содержания Са в угле (1 — природные и 2 — де-

катионированные бурые угли).

В структурном отношении органическая масса углей, в том числе бурых, рассматривается как по-лимероподобное твердое тело неоднородного состава и нерегулярного пространственного строения и имеющее определенную пористость. По данным ртутной порометрии установлено, что открытая поровая структура бурых углей КАБ и Яллоурн (Австралия) представлена мезопорами с преимущественными радиусами около 10—20 нм и макропорами с размерами около 1 мкм и более [3]. Кроме того, в углях имеются поры молекулярных размеров и замкнутые поры.

Пространственная структура бурых углей мало упорядочена. На рентгенограммах дифракционный рефлекс, связанный с внутримолекулярным упорядочением, слабо выражен. Межмолекулярное упорядочение в отдельных участках структуры проявляется в виде широкого асимметричного рефлекса в диапазоне углов 2© = 5—33°. Установлено, что данный рефлекс может быть описан суперпозицией трех гауссовых составляющих, которые на основании литературных данных [4] отнесены к сравнительно упорядоченным графи-топодобным структурам, содержащим упакованные в пачки поликонденсированные ароматические молекулы; и к двум слабо упорядоченным у-компонентам, расположенным на периферии ароматических кластеров и содержащим нафтен-ароматические, парафиновые и кислородсодержащие соединения.

Корреляционный анализ данных, полученных методом рентгеновской дифракции, показал, что имеет место закономерное изменение в содержании рентгеноструктурных составляющих в зависимости от концентрации кальция в угле: при увеличении его концентрации от 0.15% (для австралийского угля) до 1.65 мас. % (для кангалас-ского угля) доля мало упорядоченной угкомпо-

ненты заметно возрастает (от 43 до 58%), доля наименее упорядоченной у2-компоненты уменьшается более чем в 2 раза (от 29 до 12%); при этом доля сравнительно упорядоченной графитопо-добной компоненты изменяется мало. Наличие такой связи указывает на влияние катионов кальция (которые преобладают в бурых углях) на процессы структурирования их органической массы.

Для определения особенностей сшивания и межмолекулярной ассоциации была изучена способность бурых углей к набуханию в различных полярных и неполярных растворителях с различными химическими свойствами и молекулярными размерами [5]. Установлено, что действие малых полярных молекул этанола и метанола слабо специфично, все угли имеют высокие и близкие величины коэффициента набухания. В тетралине природные бурые угли почти не набухают даже при повышении температуры до 250°С, после извлечения катионов металлов начинают набухать при температуре 150°С.

Действие объемных молекул ТГФ с цикличной структурой специфично и зависит от концентрации Са в угле. Приведенные на рис. 1 данные показывают закономерное уменьшение способности к набуханию с ростом содержания кальция.

На основе полученных результатов сформулировано представление о буром угле как о природном супрамолекулярном образовании, в котором катионы металлов участвуют в процессе самоорганизации органической массы (ОМУ). Определяющую роль при этом играют катионы кальция, которые в качестве ионных сшивок способствуют формированию плотной пространственной структуры, мало доступной для крупных молекул растворителей. Обработка разбавленными растворами кислот разрушает ионные сшивки, что приводит к частичной деполимеризации органической массы.

По данным, полученным при изучении кинетики набухания, все бурые угли подразделены на три группы, различающиеся свойствами органической массы. Первую группу представляют дека-тионированные угли с относительно деполиме-ризованной структурой. Ее фрагменты обладают определенной подвижностью, проникновение молекул ТГФ в объем осуществляется по "дыркам", которые образуются в результате релаксационных колебаний подвижных фрагментов. Вторую группу представляют природные бурые угли с небольшим содержанием кальция (<0.8 мас. %) и сшитой структурой, куда молекулы ТГФ проникают посредством физической диффузии по порам в соответствии с законом Фика. Угли с высоким содержанием кальция (более 0.8 мас. %) образуют третью группу, отличающуюся неоднородной плотно сшитой жесткой структурой с малым размером пор. Проникновение молекул ТГФ в ОМУ определяется

О .0 • 1

02

р\

-

- О • •

| | | ■ • •V А | |

0 0.5 1.0 1.5 2.0 Содержание Са, мас.%

медленной "псевдофиковской" диффузией с изменяющимся коэффициентом диффузии.

Указанные особенности строения органической массы различных бурых углей предопределяют их поведение и реакционную способность при термохимических превращениях. Так, извлечение из бурых углей катионов поливалентных металлов придает им новые свойства: при повышении температуры они могут переходить в пластическое состояние и спекаться, что нехарактерно для природных бурых углей.

2. Процессы гидрогенизационных превращений бурых углей

Бурые угли — это ценное сырье для гидрогени-зационной переработки. Нами установлено [6], что степень их превращения в процессе гидрогенизации в водорододонорном растворителе коррелирует с содержанием кальция. На приведенном графике (рис. 2) для природных углей наблюдается определенный разброс данных относительно общей закономерности, что может быть связано с влиянием других особенностей состава и строения. Если скоррелировать данные для регулярной серии образцов, полученных частичным декатио-нированием одного и того же природного угля разбавленными растворами кислоты, то между величиной конверсии и логарифмом остаточной концентрации кальция выполняется строгое линейное соотношение с высоким коэффициентом корреляции —0.99 (вставка на рис. 2).

Отмеченные выше эффекты влияния кальция связаны с его участием в сшивании органической массы. Частичная деполимеризация структуры за счет удаления ионных сшивок облегчает проникновение растворителя в объем органической массы, что благоприятствует эффективному превращению ее фрагментов в низкомолекулярные продукты.

Увеличения реакционной способности углей путем частичной деполимеризации ОМУ можно достичь с помощью других химических методов обработки, механической обработкой в энергонапряженных измельчительных ап

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