Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕЙ ТУВЫ

Куликова М.П. 1
1 ФГБОУ ВПО «Тувинский государственный университет»
Настоящая статья посвящена исследованию проблемы эффективного использования каменных углей Тувы с использованием прогрессивной механоактивационной технологии. Одной из основных задач научно-исследовательских работ в регионе является создание научно-технических обоснований инновационных технологических схем переработки угля, которые были бы эффективны для территорий, находящихся в условиях транспортной и энергетической изолированности. Перспективы создания новых и интенсификации существующих процессов переработки твердых топлив связывают с развитием и усовершенствованием методического обеспечения исследований, выявлением новых взаимосвязей состава, строения и реакционной способности, а также разработкой эффективных методов активации сырья перед его дальнейшей термохимической переработкой, позволяющих снижать энергетические затраты или получать ценную продукцию с заданными свойствами. Приведены данные о запасах и прогнозных ресурсах каменного угля Улуг-Хемского бассейна, марочном составе угля, особенностях химического состава угля, о параметрах загрязнения воздушного бассейна города продуктами неполного сгорания угля. Рассматриваются результаты термических исследований угля, процессов пиролиза и газификации угля; влияния механической активации на термическую деструкцию и реакционную способность угля. В качестве основных мер для решения проблемы эффективного использования углей предлагаются: расширение мощностей централизованной системы отопления при улучшении золоочистки; создание экологически чистых энергосберегающих технологий сжигания твердых топлив.
каменный уголь
марочный и химический состав угля
термическая деструкция
проблема эффективного использования угля
экологически чистые технологии сжигания угля
1. Копылов Н.И., Каминский Ю.Д., Куликова М.П. Пиролиз угля Тувинского месторождения // Химическая технология. – 2008. – Т.9, № 4. – С. 168–172.
2. Куликова М.П. Исследование физико-химических свойств улуг-хемских углей // Энергетик. – 2014. – № 8. – С. 24–29.
3. Куликова М.П., Балакина Г.Ф., Куулар В.В. Использование топливно-энергетических ресурсов в Туве // Проблемы энергетики. Известия высших учебных заведений. – 2011. – № 11–12. – С. 40–45. М.П. Куликова, Г.Ф. Балакина. Угли Улуг-Хемского бассейна // Lambert Academic Publishing. – Saabrucken, Deutschland, 2012. – 121 c.
4. Куликова М.П., Балакина Г.Ф. Угли Улуг-Хемского бассейна // Lambert Academic Publishing. – Saabrucken, Deutschland, 2012. – 121 c.
5. Куликова М.П., Лебедев В.И., Каминский Ю.Д., Котельников В.И. Энергохимическая переработка каменных углей Тывы – основа устойчивого развития республики // Химия в интересах устойчивого развития. – 2004. – № 12. – С. 541–554.
6. Куликова М.П. Исследование пиролиза каменного угля Каа-Хемского и Чаданского месторождений // Углехимия и экология Кузбасса: материалы II Всеросс. Симпозиума (Кемерово, 11–13 сент. 2012). – Кемерово, 2012. – С. 57.
7. Сводный отчётный баланс запасов угля по республике Тыва за 2001 г. – Кызыл: ТТФГИ, 2002.
8. Шибанов В.И., Яковлев И.Ю. Марочный состав углей пласта Улуг Улугхемского бассейна // Химия твердого топлива. – 1989. – № 6. – С. 52–54.

Расширение использования угля в энергетическом балансе страны выдвигает задачи совершенствования существующих и создания новых экологически безопасных технологий его глубокой переработки. Из-за большого содержания летучих веществ и склонности к спеканию слоевое горение тувинских углей в котлоагрегатах сопровождается высоким химическим недожогом, что приводит к сильному загрязнению атмосферного воздуха продуктами неполного сгорания угля. Поэтому актуальна разработка и совершенствование комплексного решения проблемы эффективного использования углей Тувы с использованием прогрессивной механоактивационной технологии.

Основные запасы каменных углей сосредоточены в Улуг-Хемском угольном бассейне, общие ресурсы коксующихся углей оцениваются в 937 млн т. Суммарная площадь бассейна составляет порядка 2700 км2. Оценены запасы угля в Каа-Хемском, Межегейском, Элегестском и Эрбекском месторождениях (табл. 1). Еще в пяти месторождениях бассейна угли изучены, оценены их запасы и прогнозные ресурсы [7].

Таблица 1

Запасы каменных углей, тыс. т

Месторождение, марка угля

Балансовые разведанные

Балансовые предварительно оценённые

Забалансовые

Коксующиеся

Каа-Хемское, Г, ГЖ

294230

3941

9373

212371

Элегестское, Ж

38500

38500

Межегейское, Ж

213471

53409

191334

Эрбекское, ГЖ

96634

522

77112

Восточная часть Улуг-Хемского бассейна, ГЖ

415367

415367

Чаданское, ГЖ

15167

2409

Чангыз-Хадынское, КСН

36999

12830

Всего по республике

1114066

16771

63304

937093

Примечание. Г – газовый уголь; ГЖ – газовый жирный; Ж – жирный; КСН – коксовый.

pic_15.tif

Марочный состав углей пласта Улуг: I – V – геологические структуры бассейна; 1 – выход пласта под наносы; 2 – изогипсы – линии равных высот подошвы пласта относительно уровня моря (м); 3 – изореспленды – линии равных значений отражательной способности витринита (R0, %); 4 – изоволи – линии равных значений выхода летучих веществ (Vdaf, %); 5 – линии равных толщин пластического слоя угля (y, мм); 6–9 – марки углей (6 – газовый, 7 – газовый жирный, 8 – жирный, 9 – коксовый жирный)

Таблица 2

Характеристики угля

Месторождение, марка угля

Технический состав угля, %

Элементный состав угля на органическую массу, %

Wa

Ad

Vdaf

kulik01.wmf

C

H

N

O

S

Элегестское, Ж

0,6

10,8

39,8

0,52

87,22

5,61

1,04

5,53

0,60

Каа-Хемское, Г

1,2

9,0

48,6

0,17

83,63

5,70

1,19

9,29

0,19

Чаданское, Ж

1,0

8,6

32,8

0,34

88,20

5,70

1,50

4,20

0,40

Разработка Каа-Хемского и Чаданского месторождений ведётся открытым способом. На Элегестском месторождении начато опытно-промышленное освоение, на его восточном участке уголь добывают по технологии открытых горных работ, с применением комплекса глубинной разработки пласта. На рисунке представлен марочный состав углей пласта Улуг [8], в табл. 2 приведены характеристики угля.

Для каменных углей Улуг-Хемского бассейна в целом характерны низкие зольность и сернистость, высокие показатели спекаемости и содержания летучих компонентов, относительная чистота по тяжёлым металлам и токсичным элeмeнтaм. Элементный состав органической массы углей отличается повышенным содержанием углерода и особенно водорода по сравнению с подобными углями других бассейнов. Особенности химического состава углей Каа-Хемского месторождения, используемых в г. Кызыл для отопления, в сочетании с низкой продуваемостью котловин, в которых размещается город, обусловливают загрязнение воздушного бассейна выбросами ТЭЦ, котельных и многочисленных индивидуальных печей частных домов. Ущерб, причиняемый угольной энергетикой окружающей среде, может быть сокращён за счёт перехода к использованию экологически более безопасных видов топлива угольного происхождения. Решение проблемы эффективного использования каменных углей возможно за счёт:

а) расширения мощностей централизованной системы отопления при улучшении золоочистки;

б) создания экологически чистых энергосберегающих технологий сжигания твердых топлив [1−4].

Исследованы физико-химические свойства углей, проведены исследования процессов пиролиза и газификации углей, особенностей процессов брикетирования углей, экстрагируемости углей. Для улуг-хемских углей характерна низкая температура перехода в пластическое состояние (примерно 290 °С), широкий температурный интервал пластичности, высокий показатель спекаемости, что определяет их хорошую сочетаемость в качестве спекающей основы в смесях с разными типами тощих углей. Для увеличения реакционной способности угля и выхода целевых продуктов проведены исследования влияния на эти показатели различных методов предварительной активации угля (физическая, механическая, механохимическая и химическая активации) [2, 3, 5, 6].

Качество углей Улуг-Хемского бассейна обусловливает создание здесь производственного комплекса полного цикла, начиная от угледобывающих предприятий и заканчивая предприятиями глубокой переработки угля. Тувинские угли марки Г и ГЖ газифицируются с высоким выходом газовых продуктов. Согласно прогнозным технико-экономическим показателям, производство метанола из угля Каа-Хемского месторождения было экономически выгодно, состав газов — основных компонентов для синтеза углеводородного сырья: СО2 – 26,2 л/кг, СО − 22,1 л/кг, СН4 – 138,4 л/кг, Н2 – 57,2 л/кг, СnНm – 9,5 л/кг. Теплота сгорания – Q ~ 32000 КДж/кг; плотность газа – р ~ 0,9 кг/л. По селективности процесса гидрогенизация углей имеет благоприятные показатели (табл. 3), состав газа также имеет весьма благоприятные характеристики после отмывки от СО2 [2, 3, 5, 6].

Уголь как сырье для коксования должен обладать комплексом свойств, обеспечивающих производство кокса требуемого качества. К наиболее важным свойствам углей, характеризующим пригодность их для коксования, относятся следующие: спекаемость и коксуемость, выход летучих веществ, зольность, сернистость, содержание фосфора. Способность спекаться является одной из важнейших характеристик каменных углей, определяющих возможность получения из них кускового кокса, используемого в доменном, литейном и других производствах. На основании этих критериев определяется пригодность и ценность углей для коксования. Угли пласта 2.2-Улуг характеризуются высокой спекаемостью и хорошими коксующимися свойствами, они малозольные, малосернистые и малофосфористые. В Тувинском институте комплексного освоения природных ресурсов СО РАН создана экспериментальная установка по полукоксованию и газификации углей в кипящем слое. Уголь размером частиц d = 0,2−2 мм загружали в реактор полукоксования и нагревали в токе азота или аргона. Предварительно испаритель-парогенератор разогревали до 500−600 °С, а реактор газификации − до 800 °С. После разогрева реактора полукоксования до температуры 140−160 °С перегретым водяным паром уголь при подаче кислорода нагревали в реакторе со скоростью 8−10 °С/мин до температуры 600 °С, после чего следовала изотермическая выдержка. Полный цикл термообработки углей с получением полукокса – нагрев, изотермическая выдержка, активация водяным паром в течение 30 мин при 800 °С и охлаждением до 400 °С в среде инертного газа – составлял 120 мин. Выход продуктов, % составлял: полукокс − 66,3; смола − 7,2; вода – 4,1; газ − 22,4; плотность газа 0,9∙10–3 кг/м3. При промышленном полукоксовании, которое проводится в автотермическом режиме, для получения топливного газа с высокой теплотворной способностью необходимо использовать парокислородное дутье, при использовании паровоздушного дутья неизбежно разбавление газов полукоксования балластом – азотом [2, 3, 5, 6].

Таблица 3

Данные по гидрогенизации углей Улуг-Хемского бассейна

Марка угля

Степень превращения органической массы угля, %

Расход Н2

Газ

Суммарные жидкие

Фракция

до 300 °С

> 300 °С

Ж

5,00

9,80

94,77

27,30

57,47

ГЖ

1,81

11,70

82,45

25,33

57,12

Г

1,74

10,60

79,81

28,05

50,83

В ТувИКОПР СО РАН изучалась возможность получения по методу холодного формования кокса и топливного брикета на основе шихты, содержащей полукокс и уголь марки Г, ГЖ. После изготовления из шихты, содержащей полукокс и уголь в соотношении 1:2,5−3, и последующей термообработки формовок в реакторе шахтного типа (газовая фаза − аргон, азот; время обработки 90−120 мин, температура 600 °С) получен брикет, хорошо сохраняющий первоначальную форму; спекания слоя брикетов не наблюдалось.

В Тувинском институте комплексного освоения природных ресурсов СО РАН были просчитаны (2007 г.) следующие сценарии развития такого комплекса: на базе железнодорожного транспортирования угля, автомобильного транспортирования, с учетом глубокой переработки угля. Наиболее целесообразным был признан сценарий развития комплекса на базе железнодорожного транспортирования угля. По такому сценарию с государственно-частным партнерством предусматривается крупномасштабное освоение Элегестского месторождения с объёмом добычи 12,5 млн т угля в год. Здесь планируется строительство железнодорожной линии Кызыл – Курагино длиной 467 км для доставки коксующегося концентрата внешним и внутренним потребителям, строительство трёх шахт и двух обогатительных фабрик [2, 3].

Комплексная глубокая переработка каменных углей Тувы представляется более высокой технической ступенью производства топлива. Она хорошо согласуется с принципами экологически щадящей, социально приемлемой и застрахованной от кризисов энергетической политики и станет основой развития экономики и подъёма уровня жизни населения республики.

Рецензенты:

Кара-сал Б.К., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Тувинский государственный университет», г. Кызыл;

Патраков Ю.Ф., д.х.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Тувинский государственный университет», г. Кызыл.


Библиографическая ссылка

Куликова М.П. КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕЙ ТУВЫ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 11-3. – С. 458-461;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39440 (дата обращения: 25.11.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074