Реферат потеме:
СОСТОЯНИЕ ИПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ
ВВЕДЕНИЕ
Твердые горючиеископаемые – каменные и бурые угли, горючие сланцы, торф – составляют более 90%всех горючих ископаемых мира. Россия располагает более 40% мировых ресурсовтвердых топлив. В нашей стране находятся такие крупные угольные бассейны, какКузнецкий, Канско-Ачинский и др. По запасам угля Россия уступает только США, ав Украине уголь является единственным реальным энергоносителем на дальнююперспективу.
Уголь был основным источником энергии и химического сырья в XIX и начале XX века. Начиная с 30-х годов и особенно в 40–70-е годы напервое место в топливно-энергетическом балансе СССР и развитых зарубежных странвышли нефть и природный газ. Их преимущества перед углем заключаются вотсутствии балласта (золы и воды), они характеризуются большей теплотойсгорания, лучшей транспортабельностью, возможностью быстрого наращивания объемапроизводства и получения жидких топлив и химического сырья с меньшими, чем прииспользовании угля, затратами. В результате к концу 70-х годов доля угля втопливно-энергетическом балансе уменьшилась до 25–27% (против 65 – 70% в первыепослевоенные годы).
Увеличение стоимости нефти и постепенное истощение наиболеебогатых ее источников привело к возрастанию доли угля в топливном балансе иразвитию работ по производству из угля новых продуктов, включая и синтетическиежидкие, и газообразные топлива.
В связи с этим 80–90-е годы следует считать периодомподготовки к новому значительному увеличению доли угля в топливно-энергетическомбалансе, к осуществлению новых многотоннажных технологических процессовпереработки угля и других твердых горючих ископаемых.
В последние годы,благодаря высоким ценам на нефть и газ (средняя мировая цена на газ за десятьлет выросла с 2,5 дол. США за миллион британских тепловых единиц почти до 6дол.), интерес к углю в мире как альтернативному энергоносителю постояннорастет. При сегодняшней конъюнктуре рынка цена на жидкое топливо, получаемое изугля с себестоимостью 20 дол. за баррель, уже не кажется слишком высокой, темболее что специалисты уверены, что при приложении усилий ее можно снизить какминимум до 15 дол. Сказался и всплеск спроса на черные металлы, благодарякоторому заметно выросло потребление коксующихся углей. В будущее мировая угольнаяотрасль может смотреть со сдержанным оптимизмом. Специалисты (последний прогнозМВФ World Economic Outlook) прогнозируют достаточно высокие цены на нефть ещекак минимум пару десятилетий. Целый ряд сильных национальных экономик (преждевсего, США и Китай, а также Индия, Канада) намерены серьезно увеличиватьколичество угольных электростанций.
Определенные измененияпроисходят и в России: “Энергетическая стратегия России на период до 2020 года”предполагает постепенное увеличение доли угля в топливно-энергетическом балансестраны. Если произойдет предполагаемая либерализация газового рынка, исоотношение цены на газ и уголь подтянется к мировым (по той же Стратегиивыравнивание цен предполагается уже к 2006 г., а в 2010 г. соотношение цен нагаз и уголь должно составить 1,4/1), то спрос на уголь внутри страны начнетрасти опережающими темпами.
Угольявляется важнейшим элементом функционирования электроэнергетики итеплоснабжения. Его доля в выработке электроэнергии в Сибири составляет 36%, впроизводстве тепла – почти 100% [1]. Необходимо отметить, что одной из главныхзадач, которую необходимо решать при переработке угля, является комплексноеиспользование его энергетического и химического потенциала.
Сибирьобладает уникальной топливной базой. Запасов сибирского угля – более 100 млрд.т – хватит не менее чем на 800 лет надежного обеспечения потребностей всейэнергетики России. Только в Красноярском крае запасы превышают 30 млрд. т, чтосравнимо с совокупными запасами ряда угледобывающих стран мира.
Кузбассявляется основным поставщиком России по добыче высококачественных каменныхуглей для обеспечения потребностей теплоэнергетики, металлургии, коммунальногохозяйства и населения региона и страны в целом. В 2005 году в Кузбассе былодобыто свыше 167 млн. т угля, что составило 52% от общероссийской добычи. Впоследующие годы предполагается рост добычи с ожидаемым максимумом 220 млн. т в2010 году.
Угольявляется важнейшим элементом функционирования электроэнергетики итеплоснабжения. Его доля в выработке электроэнергии в Сибири составляет 36%, впроизводстве тепла – почти 100% [1]. Необходимо отметить, что одной из главныхзадач, которую необходимо решать при переработке угля, является комплексноеиспользование его энергетического и химического потенциала.
Целью настоящей работы является знакомство с составом и строением угля, егоклассификацией, применением и перспективами комплексной переработки какрядового угля, так и золошлаковых масс, образующихся при сжигании угля.
1. СОСТАВ ИКЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ
Угли – это твердые горючие вещества органического происхождения. Ископаемыеугли имеют различные физические и химические свойства, что обусловленоразличием в исходном растительном материале, глубине химических превращений ивнутримолекулярных перестроек растительных остатков.
В зависимости от стадии метаморфизма различают: бурый уголь,каменный уголь и антрацит, отличающиеся химическим составом, физическимисвойствами и показателями качества.
Бурые угли делят на две группы: лигниты и собственно бурые угли.
Лигниты состоят из остатков древесины и имеют волокнистое строение.
Собственно бурые угли не имеют ясно выраженных растительных остатков. Цвет этихуглей различный – от темно-бурого до черного. Содержание углерода – 68 – 80 %,гигроскопической влаги – 25 – 30 %, выход летучих веществ – более 45 %, плотность– 800 – 1250 кг/м3. Бурый уголь, находясь на воздухе, рассыпается вмелочь.
Каменный уголь имеет черный цвет, теплоту сгорания 31 – 37 кДж/кг, плотность1250 – 1500 кг/м3; содержит 3–4 % гигроскопической влаги, 80–92 %углерода, 11–45 % летучих веществ.
Антрацит имеет черную со стекловидным блеском поверхность, острые края при изломе,теплоту сгорания 35–38 кДж/кг, содержит летучих веществ до 6 %.
Уголь не является однородным веществом, а состоит из несколькихпетрографических разновидностей:
дюрен – матовый, твердый, не имеющий слоистости уголь, встречается в виде мощныхпачек;
кларен – блестящий уголь с выраженной полосчатой текстурой, встречается в видемощных пачек или даже целых пластов;
витрен – блестящий уголь, напоминающийкларен, но отличающийся небольшими размерами включений, отсутствием включенийдругих разновидностей и большей плотностью;
фюзен – матовый уголь волокнистого строения, по внешнему виду напоминаетизмельченный древесный уголь, встречается в виде небольших линз на плоскостяхнапластования.
Разновидности угля имеют следующую зольность: витрен и кларен– до 2 %; дюрен – 6–12 % и фюзен – 15–25 %. Кларен и витрен хорошо коксуются,дюрен слабо, а фюзен не коксуется. Наиболее прочной разновидностью являетсядюрен, а наиболее хрупкой – фюзен.
Знание петрографического состава углей необходимо дляопределения оптимальных пределов дробления, рационального предела их обогащенияи способов технологической переработки.
Угли состоят из органической (горючей) массы и негорючихкомпонентов (минеральных примесей и влаги).
В состав органической массы входят следующие химическиеэлементы: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), сера (S), фосфор (Р). Самый ценный элемент в углях – углерод, содержаниекоторого возрастает с увеличением стадии метаморфизма.
К минеральным примесям относятся: глинистый сланец (Al2O3··SiO2·2H2O),песчанистый сланец (SiO2), пирит (FeS2), сульфаты (CaSО4), карбонаты (MgCО3,FeCО3 и др).
Минеральные примеси, перешедшие в уголь из растительныхорганизмов, называются связанными, а примеси, попавшие в периоднакопления растительных остатков, – наносными. Минеральные примеси,которые попали в уголь при его добыче, называются свободными. Приобогащении могут быть удалены только свободные минеральные примеси.
Промышленная классификация углей предусматривает деление углей на различные маркии группы в зависимости от их физико-химических свойств и возможностииспользования для технологических или энергетических целей.
Угли каждого бассейнаразделяют на марки и группы, причем угли одноименных марок и групп различныхбассейнов имеют неодинаковые пределы классификационных параметров. Поэтому углиразных бассейнов, характеризуемые одинаковыми классификационными параметрами, притехнологическом использовании могут давать различный по физико-механическимсвойствам продукт.
Все угли условно делят на две технологические группы:коксующиеся и энергетические.
2. ЗОЛОШЛАКОВЫЕПРОДУКТЫ И ИХ СОСТАВ
Анализсостава углей показывает, что они содержат цветные, черные, редкие,благородные, радиоактивные, рудные и нерудные элементы, на долю которыхприходится около 1% минеральной части. В золошлаковых массах (ЗШМ) эти элементыеще более сконцентрированы [2,3].
Втабл.1 приведены обобщенные данные из [3] по содержанию элементов в ЗШМкузнецких энергетических углей по маркам. Анализ табл.1 показывает, что в ЗШМкузнецких энергетических углей марки Д содержится 1090,4 г/т РЗЭ; 109174 г/талюминия; 59405 г/т железа; 16920 г/т натрия; 30234 г/т магния и т.д. Общеесодержание элементов составляет 560613,8 г/т.
Длясравнения отметим, что в ЗШМ кузнецких углей марок ДГ, Г и Т общее содержаниеэлементов составляет соответственно 521,84; 637,43 и 653,49 кг/т.
Такимобразом, угли и золошлаковые массы (ЗШМ) содержат в своем составе примеси,составляющие определенную ценность.
Таблица1 — Содержание элементов (в г/т) в ЗШМ кузнецких энергетических углейЭлемент Марка угля Д ДГ Г ТС СС Т А Редкоземельные элементы (РЗЭ) La 308,1 103,2 133 113,5 188,3 153,7 98,7 Ce 737,2 145,1 204 136 339,2 172,4 108 Sm 18 15 26,2 20,4 22.1 17,3 14,7 Eu 5 5.8 6,8 3,5 8,4 5.2 2.9 Tb 3,2 2,3 9,8 5,3 24,4 3,7 3,2 Yb 15,3 14,4 16,3 9 18,5 12,3 12,5 Lu 3,7 2 3,3 2.8 11,6 3,8 2,3 Сумма РЗЭ 1090,4 286,7 399,2 290,5 612,5 368,4 242,3 Радиоактивные элементы Th 25,5 26,6 35,1 18,3 34,6 31,1 29,3 U 69,4 18,7 32,4 – 33,2 30,1 17,9 Другие элементы Li 239,2 126,6 139 113.6 166.2 140,1 133,2 Be 24,9 14,6 14,7 18,6 27,19 14,4 10 B 864 427,4 343,2 265,2 238,8 141,6 76,2 F 949,4 – – – 806,1 441,2 285,7 Na 16920 34862 23381 3375 26384 14078 12000 Mg 30234 14551 35265 14716 32617 27329 3017 Al 109174 126799 110267 125582 98575 134256 136531 Si 171652 224587 231406 242121 205534 229362 288446 P 3123 2715 2292 3901 2388 4768 514 S 25142 9268 24343 12496 16414 32180 2406 Cl 4225 – 1435 – 3466 2097 – K 29977 – 20386 – 25436 17359 – Ca 71315 32571 66832 71587 74274 68778 14289 Sc 43,9 32,4 40,5 29,4 38,5 30,9 21,8 Ti 16700 9904 14130 12626 12767 12696 16000 V 301,6 162,8 185,2 157,8 163,3 134,2 95,2 Cr 240,2 153,9 290,4 143,3 205,8 162,9 129,7 Mn 1086 1696 2247 1515 2704 1770 2476 Fe 59405 51536 90978 43276 67148 94939 33929 Co 74,1 54,7 53,8 56,6 77,4 46,4 28,2 Ni 100,8 54,7 38,2 98,5 120,6 100,5 36,2 Cu 107,7 48,8 19,8 101 114,2 90,6 57,1 Zn 454,3 97,7 157,2 265,2 347,7 186,6 171,4 Ga 57,4 28,5 2,9 45,4 51,5 40,6 24,3 Эле-мент Марка угля Д ДГ Г ТС СС Т А Ge 21,4 – 19,8 7,6 11,5 8,8 – As 248,5 473,2 157,2 – 843,9 431,2 – Se – – 2,9 – 6,5 4,9 – Rb 227,7 300,7 416,6 299,2 228,8 274,5 126,6 Sr 4765 3286 2726 2462 2394 2443 1286 Y 238,1 160,3 175,9 136,4 186,6 137,8 85,7 Zr 2905 1859 2129 3157 2109 2583 1294 Nb 126,8 89,5 97,6 60,6 137,7 87,6 47,6 Mo 13,8 9,1 9,6 6,1 11,4 8.2 6,4 Ag 1,3 0,02 1,3 – 5,5 4,4 – Cd – – 8,8 – 2 1,8 – Sn 18,6 11,9 12,4 10,7 15,3 12,6 11,4 Sb 31,7 – – – 8,3 9,6 – Cs 18,2 27,2 30,9 14 23,9 17,4 11,7 Ba 8288 5454 6800 5024 7697 5774 6105 Hf 18,7 22,3 25,5 17,8 36,5 27,5 10,6 Ta 6,6 75,9 5 – 19,6 7,7 1,6 W – – – – 6,9 – – Au 1,2 0,27 17,5 0,24 0,65 0,45 – Hg 0,6 0,4 1 0,08 12 1,5 0,06 Tl – – – – 133,3 – – Pb 72,5 30,4 67,9 132,6 73,8 72,5 57,1 Bi 14,3 17,4 10,8 10,7 10 9,3 7,6
Итого
560613,8
521840,69
637432,5
544137,42
584718,74
653489,35
520017,86
3. СТРУКТУРАИ СТРОЕНИЕ УГЛЕЙ
Ископаемый уголь представляет собой сложную дисперснуюсистему, включающую в себя три взаимосвязанные макросоставляющие: органическуюмассу, влагу и минеральные компоненты. Они характеризуют марочный состав иопределяют пути рационального использования углей [4 – 8]. Для характеристикисвойств конкретного угля следует учитывать роль каждой из трех составляющих егочастей.
Элементный состав органической массы углей (ОМУ), структурамакромолекул и характер надмолекулярного структурирования определяют основныефизико-химические и химико-технологические свойства углей [8, 9].
Физико-химические свойства органического вещества углейсущественно зависят от степени их метаморфизма. Определение пригодности углейдля конкретных технологических процессов невозможна без учета физико-химическихособенностей строения угля. В связи с этим возникает необходимость вустановлении связи между структурой и свойствами углей. Это — одна из основныхпроблем углехимии.
Все физико-химические свойства ОМУ определяются внутри- имежмолекулярным взаимодействием. Внутримолекулярные взаимодействияобусловливают совокупность энергетических характеристик изолированной молекулы,а межмолекулярные взаимодействия — надмолекулярное строение твердого тела(форма упаковки, тип кристаллической решетки и т.д.). Оба типа взаимодействий — следствие особенностей элементного состава и химической структуры ОМУ. Этодемонстрирует рис. 1, где показано, что многие физико-химические свойства ОМУменяются в зависимости от стадии углефикации; ряд свойств характеризуетсямаксимальными или минимальными значениями при содержании углерода 80-90 % [10].
Структура органическоймассы углей весьма разнообразна, но условно структура углеводородной частинаходится в промежутке между двумя крайними состояниями, а именно: междунасыщенными и ароматическими структурами, которые существенно различаются пофизико-химическим свойствам [9, 11]. В насыщенных соединениях углеродные атомынаходятся в sp3-гибридном состоянии. Они образованы с помощьюотносительно менее прочных простых С–С связей и более склонны к термическойдеструкции. Множественные пространственные конформации этих соединенийсоставляют непрерывный ряд по энергиям, что обусловливает метастабильностьструктуры. В ароматических структурах углеродный атом находится в sp2-гибридном состоянии; С–С связи примерно в 1,5 разапрочнее, чем простые связи С–С, поэтому ароматические соединения имеютотносительно жесткую структуру. Конденсированные ароматические соединениясклонны к образованию кристаллической структуры и при числе колец n ≥ 4 из-за сильного межмолекулярного взаимодействия принагревании, не успев сублимировать, разлагаются.
Взаимосвязь структуры исвойств ОМУ базируется на фундаментальных исследованиях. В целом,фундаментальные исследования ОМУ условно можно разделить на два направления:исследование молекулярной структуры и исследование надмолекулярного строения.
/>
Рис. 1 — Физико-химические свойства углей в зависимости отстепени углефикации: W –показатель механической прочности; />/> – действительная плотность, г/см3;/> – выходлетучих веществ из аналитической пробы, % (масс); Рmax – максимальное давление распирания,кгс/см2; х – пластометрическая усадка, мм; Y-толщина пластического слоя, мм; RI – индекс Рога; SI – индекс свободного вспучивания; />– индекс максимальной пластичности(по методу Гизелера); С – содержание углерода, % (масс.)
Одна из главных задач углехимии – исследование реакционнойспособности углей в различных процессах с целью разработки эффективных путейпереработки ОМУ в продукты с заданными свойствами [9–11]. Естественно, чторешение этой задачи должно базироваться на данных структурно-химическихпоказателей ОМУ.
В настоящее время накоплен большой экспериментальный материалпо исследованию структуры и реакционной способности ОМУ физико-химическимиметодами [4, 10]. Однако интерпретация данных по связи структуры и свойств ОМУчасто противоречива из-за отсутствия единой точки зрения на ее структуру [9, 12]носит описательный, качественный характер и не может быть использована дляколичественной оценки свойств углей в термохимических процессах их переработки.
Молекулярная структура ОМУ устанавливается как по даннымпрямых спектроскопических и рентгеноструктурного методов анализа, так икосвенно, по составу продуктов превращения. Согласно этим данным, структура ОМУнеоднородна и состоит, в основном, из макромолекул нерегулярного строенияразличной величины. Поэтому, когда речь идет о молекулярной структуреорганической массы, подразумевается средняя структура единицы массы угля, котораяконструируется по экспериментальным данным.
Структурная единицамакромолекулы – этофрагмент структуры, умножением которого на целое число восстанавливается ееполная структура. В случаях регулярных одно-, двух- или трехмерных полимеровструктурной единицей является элементарный фрагмент, который транслируется всоответствующих направлениях. Однако ОМУ состоит из ассоциатов макромолекулнерегулярного строения. Вводя в рассмотрение «среднестатистическую структурнуюединицу», ОМУ представляется в виде гипотетической макромолекулы регулярногостроения. В этом смысле среднестатистическая структурная единицаотождествляется с элементарным фрагментом структуры.
Следовательно, за среднюю статистическую структурную единицуОМУ в целом или отдельных ее ингридиентов (витринитов, липтинитов иинертинитов) принимается единица массы, которая по элементному, функциональномуи фрагментальному составу отождествляется с макросистемой.
В углехимии для отражения структурно-химических особенностейОМУ широко пользуются структурными моделями. В настоящее время известнонесколько десятков таких моделей, предложенных разными авторами в разное время.Некоторые из них приведены на рис. 2. Модели наглядно отражают эволюциюпредставлений о структуре ОМУ. В них, как правило, представляются основныеструктурные фрагменты (конденсированные ароматические шести- и пятичленныекольца и нафтеновые циклы), соединенные между собой мостиковыми связями (-(СН2)n -, >СО, -О-, -NH-, -S-), функциональные группы (-СООН, -ОН, -ОСНз, -NH2, и т. д.) и боковые заместители, в основном,состоящие из алкильных групп.
Следует отметить, чтоконкретные структурные модели носят чисто иллюстративный характер [9],способствуя при этом познанию ряда особенностей «молекулы угля».
/>
Рис. 2 — Модель Ван-Кревелена (1953 г.) [14]
4. О НЕОБХОДИМОСТИ И МЕТОДАХГЛУБОКОЙ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ
энергетический уголь детерминация макромолекула
Следуетотметить, что энергетические угли должны обладать конкретными свойствами,определенными соответствующими нормативными документами. Необходимые качестваугольной продукции зависят от последующего направления их использования.
Прииспользовании угля в теплоэнергетике он должен иметь определенные крупность,зольность, влажность и т.д. С этой целью добытый уголь подвергают обогащению.
Общийобъем переработки угля в нашей стране в 2005 году с учетом переработки наустановках механизированной породовыборки составил 107,6 млн. т [15]. Динамикаобогащения угля на обогатительных фабриках России показана на рис. 3. При этомв [15] указывается, что коксующийся уголь практически весь обогащается (в 2005году – 92%), доля же обогащаемого энергетического угля незначительна (в 2005году она составила всего 13%).
/>
Рис.3 — Динамика обогащения углей на обогатительных фабриках России [15], млн. т
Динамикаиспользования угля показана по [15] на рис. 4.
Всероссийскиепоставки за 2005 год составили 192,9 млн. т и по основным потребителямраспределились следующим образом:
–обеспечение электростанций – 89,2 млн. т
–нужды коксования – 39,8 млн. т
–обеспечение населения, коммунально-бытовые нужды, агропромышленный комплекс –29 млн. т
–остальные потребители (РАО «РЖД», Минюст, Минобороны, МВД, Минтранс, ФПС идругие ведомства) – 34,3 млн. т.
/>
Рис.4 — Динамика поставок российской угольной продукции, млн. т
Объемэкспорта в 2005 году составил 80,1 млн. т. Основная доля экспорта приходится наэнергетические угли (более 85% от общего экспорта). Основным поставщиком угляна экспорт в 2005 году оставался Западно-Сибирский экономический район, долякоторого в общих объемах экспорта более 80%. Россия по объему экспорта углявышла на 5 место, а по энергетическим углям – на 3 место.
Импортугля в Россию в 2005 году составил 21,1 млн. т. Импортируется в основном угольдля энергетики. В Россию завезено из Казахстана на электростанции РАО «ЕЭСРоссии» 20,2 млн. т энергетического угля и 0,9 млн. т угля для коксования.
Такимобразом, всего на российский рынок в 2005 году поставлено с учетом импорта 214млн. т. угля и угольной продукции.
Современноесостояние горно-металлургического и топливно-энергетического комплексов Россиихарактеризуется, с одной стороны повышением требований к качеству концентратов,а с другой – вовлечением в переработку труднообогатимых руд и угля сложноговещественного состава. В этих условиях повышение полноты и комплексности обогащенияминерального сырья, создание малоотходных, экологически безопасныхэнергосберегающих технологий приобретает первостепенное значение и определяетсовременную стратегию оценки месторождений, технологии их добычи и переработки.Основой при этом будут как современные методы обогащения и оборудование,комбинации их, использующие новые физико-химические и механохимическиезакономерности, так и нетрадиционные процессы с учетом новейших достиженийфундаментальных наук [16].
Массатвердого горючего ископаемого до обогащения состоит из кусков практическичистого топлива, кусков свободной от топлива породы и кусков, в которых вразличном соотношении содержаться и органическая, и минеральная части.Эффективность обогащения топлив существенно зависит от строения таких«смешанных» зерен – сростков. Если порода образует с углем сростки, которыелегко разделяются дроблением, то топливо будет обогащаться легко. Если жеминеральное вещество равномерно распределено среди органической массы топлива ввиде мелких включений, то топливо обогатить будет трудно.
В[17] показаны типы сростков и энергетический подход к их эффективному раскрытию,а в [18] приведены границы крупности минерального сырья для его обогащения.
Основныеколичественные характеристики, необходимые для оценки обогатимости топлив иэффективности процесса обогащения, получают на основании экспериментальнополученных данных ситового и фракционного анализов пробы угля. Достаточноподробно методика их получения и последующей обработки результатов с построениемобобщенных кривых обогатимости показана в [19].
Располагаятакими кривыми можно выбирать технологический режим обогащения угля с цельюполучения концентратов необходимого качества как по зольности, так и посодержанию общей серы. В [16] показано, что с использованием компьютерногометода анализа изображений возможно обоснование технологических режимовглубокого обогащения угля с одновременным его обессериванием. Экономическийэффект такого обогащения при расчете затрат от добычи угля до полученияэлектроэнергии на ТЭЦ составит от 2,44 до 9,98 долл. США на 1 тонну сжигаемогоугля в зависимости от глубины обогащения рядового угля.
Приналичии подобных данных (гранулометрический и фракционный анализ) поинтересуемым элементам (табл.1) по обобщенным кривым обогатимости можноразрабатывать технологические режимы для выделения этих элементов, а точнее,минералов, в которых они содержаться, в концентрат.
Какпоказано в [20] на примере углей Дальнего Востока необходимо развиватьисследования по рациональному использованию углей с учетом сопутствующихполезных компонентов, возможности и экономической целесообразности ихизвлечения. При этом следует учитывать, что значительная часть элементовмаксимально концентрируется в золе углей, а некоторые элементы уносятся с газамипри высоких температурах сжигания.
Важнейшимитехническими характеристиками топлива являются теплота сгорания, выход летучихвеществ и свойства кокса. Теплотой сгорания топлива называется количествотеплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг массы твердого или жидкоготоплива или 1 м3 газового топлива при нормальных физическихусловиях. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания />называетсяколичество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива с учетом теплотыконденсации водяных паров, образующихся при сгорании водорода HPи испарении влаги топлива WP.Низшей теплотой сгорания />называется теплота сгораниятоплива при условии, что влага, образующаяся при сгорании водорода топлива 9НР,и влага топлива WPнаходятся в парообразном состоянии.
Теплотасгорания топлива может быть рассчитана по эмпирическим формулам, наиболееточная из которых принадлежит Д.И. Менделееву. Для твердых и жидких топлив онаимеет вид:
/> МДж/кг,
гдеC, H,O, S,W – содержание углерода, водорода,кислорода, серы и влаги соответственно, %. При этом />, где SOP– органическая сера, SK– сера колчеданная.
Длясравнения энергетической ценности различных видов топлива вводится понятиеусловного топлива, теплота сгорания которого принята равной:
/> МДж/кг (7000Ккал/кг).
Анализформулы Д.И. Менделеева показывает, что низшая теплота сгорания топлива будеттем больше, чем выше будет содержание углерода, водорода и чем ниже содержаниевлаги и серы. При обогащении угля и решаются именно эти вопросы. Удалениетяжелой фракции, содержащей мало углерода, приводит к увеличению содержаниюуглерода, водорода и, следовательно, к увеличению теплоты сгорания. Поэтомупроблема обогащения угля имеет большое значение при повышении эффективностиработы теплоэнергетических и других установок.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Показано, что угольпредставляет собой сложную дисперсную систему, включающую в себя тривзаимосвязанные макросоставляющие: органическую массу, влагу и минеральныекомпоненты.
2. Органическая массапредставлена основными структурными фрагментами (конденсированные ароматическиешести- и пятичленные кольца и нафтеновые циклы), соединенными между собой мостиковымисвязями (-(СН2)n -, >СО,-О-, -NH-, -S-), функциональными группами (-СООН, -ОН, -ОСНз, -NH2, и т. д.) и боковыми заместителями, в основном,состоящими из алкильных групп.
3. В состав органическоймассы входят следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н), кислород(О), азот (N), сера (S), фосфор (Р). Самый ценный элемент в углях – углерод,содержание которого возрастает с увеличением стадии метаморфизма.
4. К минеральнымкомпонентам относятся: глинистый сланец (Al2O3··SiO2·2H2O), песчанистый сланец (SiO2), пирит (FeS2),сульфаты (CaSО4), карбонаты (MgCО3, FeCО3 и др).
5. Анализ состава углейпоказывает, что они содержат цветные, черные, редкие, благородные,радиоактивные, рудные и нерудные элементы, на долю которых приходится около 1%минеральной части. В золошлаковых массах (ЗШМ) эти элементы еще болеесконцентрированы. В ЗШМ кузнецких энергетических углей марки Д содержится1090,4 г/т РЗЭ; 109174 г/т алюминия; 59405 г/т железа; 16920 г/т натрия; 30234г/т магния и т.д. Общее содержание элементов составляет 560613,8 г/т ЗШМ.
6. Установлено, что однойиз главных задач, которую необходимо решать при переработке угля, являетсякомплексное использование его энергетического и химического потенциала наоснове экологически чистых технологий и процессов.
7. В работе намечены путиизвлечения как серы, так и металлов. Работа будет продолжена на конкретныхпробах угля и ЗШМ предприятий Кузбасса.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯЛИТЕРАТУРА
1. Сибирскаяугольная энергетическая компания – 5 лет в строю. // Горный журнал. – 2006. – №4, с.25-28.
2. Нифантов Б.Ф.Кузнецкий бассейн // Ценные и токсичные элементы в товарных углях России:Справочник. – М.: Недра, 1996. – С. 96-140.
3. Нифантов Б.Ф.,Потапов В.П., Митина Н.В. Геохимия и оценка ресурсов редкоземельных ирадиоактивных элементов в кузнецких углях. Перспективы переработки. – Кемерово:Институт угля и углехимии СО РАН, 2003. – 100 с.
4. ЕреминИ.В., Броновец Т.М. Марочный состав углей и их рациональное использование. –М.: Недра, 1994. — 254 с.
5. ГоловинГ.С. // Российский химический журнал. – 1994. – Т. 38. – № 5. – С. 7.
6. ГоловинГ.С. // Химия твердого топлива. – 1994. – № 6. – С. 10.
7. ЕреминИ.В., Лебедев В.В., Цикарев Д.А. Петрография и физические свойства углей. – М.:Недра, 1980. – 263 с.
8. ГоловинГ.С. Зависимость физико-химических и технологических свойств углей от ихструктурных параметров. – М.: изд. ИГИ, 1994.
9. ГюльмалиевA.M., Головин Г.С., Гладун Т.Г., Скопенко С.М. // Химия твердоготоплива. – 1994. – № 4-5. – С. 14.
10. Юркевич Я., Росиньский С.Углехимия. – М.: Металлургия, 1973. – 360 с.
11.Головин Г.С, Гюльмалиев A.M., Гагарин С.Г., Скопенко С.М. //Российский химический журнал. – 1994. – Т. 38. – № 5. – С. 20.
12.Гюльмалиев A.M., Гагарин С.Г., Гладун Т.Г., Головин Г.С. // Химия твердоготоплива. – 2000. – № 6. – С. 3.
13.Jones J.M., PourKashanian M., Rena C.D., Williams A.//Fuel.–1999.–V.78.– P.1737.
14.Гюльмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г. Теоретические основы химии угля. –М.: Издательство Московского государственного горного университета. 2003. – 556с.
15. Таразанов И. Итоги работыугольной промышленности России за 2005 год. // Уголь. – 2006. – № 3, с.49-56.
16. Чантурия В.А. Современные проблемыобогащения минерального сырья в России // Горный журнал. – 2005. – № 12,с.56-64.
17. Изотов А.С., Ростовцев В.И.Влияние радиационных воздействий на раскрытие минеральных сростковтруднообогатимых руд // ФТПРПИ (Физико–технические проблемы разработки полезныхископаемых), 2003. – № 2. – с.107 – 114.
18. Ростовцев В.И. Определениеоптимальной крупности измельчения минерального сырья и выбор параметров егообогащения // Цветные металлы, 2003. – № 6.
19. Ростовцев В.И. Осовершенствовании технологии обогащения угля // Уголь. – 1998. – № 12, с. 56-58.
20. Лаврик Н.А. Предпосылкикомплексного использования углей юга Дальнего Востока // Горный журнал. – 2006.– № 4, с.70-74.