Для устойчивого развития страны сырьевая база промышленности должна быть достаточно гибкой и основываться на применении различных взаимосвязанных видов органического сырья. С этой точки зрения большую ценность имеют уголь, горючие сланцы, нефтебитуминозные породы, разведанные запасы в Казахстане и за рубежом очень велики. В будущем возрастает потребление этих горючих ископаемых как источник энергии и будет развиваться их комплексная переработка в синтетическое топливо и химические продукты. Это направление угле- и сланцехимии является предметом широкого изучения во многих странах, в том числе в Казахстане. Отметим, что для ряда регионов их использование может быть экономически оправдано уже сейчас.
На территории Казахстана к настоящему времени выявлено около 25 месторождений проявлений горючих сланцев, приуроченных к отложениям верхнего девона, нижнего карбона, верхнего палеозоя, средней и верхней юры и палеогена. Они различны по составу исходного вещества и условиям формирования, что в значительной степени предопределило их количественно-технологическую характеристику. Все эти месторождения, за исключением Кендерлыкского и Чернозатонского, изучены крайне слабо. Запасы горючих сланцев Кендерлыкского месторождения составляют более 4 миллиардов тонн, из них 750 миллионов тонн балансовые. Кроме того, на данном месторождении возможна добыча более миллиарда тонн каменных и бурых углей, что повышает экономическую привлекательность разработки данного месторождения.
В институте новых химических технологий и материалов (НХТиМ) разрабатывается ряд процессов термохимической переработки горючих сланцев, в основу которых положены результаты исследований НХТиМ, по комплексной химико-технологической переработке каменных и бурых углей Казахстана, проведенных в 1990-2010 гг. Данные исследования показали, что органическая и минеральная части горючих сланцев оказывают активирующее действие на термическое превращение бурых углей.
Активирующий эффект горючих сланцев ряд авторы [1-4] объясняют тем, что образующиеся в интервале температур 390-440 °С жидкие продукты ожижения горючих сланцев содержат значительное количество тетрагидропроизводных конденсированных ароматических углеводородов, кислородных и азотистых соединений, а также алициклические спирты, которые обладают водорододонорными свойствами. По своей водородной активности эти соединения аналогичны тетралину, и в некоторых реакциях превосходят его по реакционной способности. [2-5].
Подтверждением этому служат данные, свидетельствующие, что в области температур 390-440 °С при крекинге углеводородного сырья в присутствии горючего сланца активно протекают реакции гидрирования, восстановления, подавляются реакции димеризации, конденсации и ускоряется деструкция углерод-углеродной связи [2].
Минеральная часть горючего сланца, содержащая алюмосиликаты, оксиды железа и другие каталитически активные формы металлов, в свою очередь, активирует протекание реакции крекинга [6, 7].
В настоящей работе изучен процесс совместной термокаталитической переработки бурого угля и горючего сланца Кендырлыкского месторождения. Процесс ожижения угля и сланца, взятых в равных количествах по органической массе, проводили на лабораторной установке под давлением 5,0 МПа при температуре 420 °С. Для интенсификации процесса ожижения угля вводили каталитическую систему, состоящую из мелкодисперсных твердых частиц шлама обогащения полиметаллических руд. На поверхности этих частиц дополнительно реализуются деструктивные процессы. В условиях опытов в процессе каталитической переработки смеси уголя и сланца не образовывались коксообразные продукты на стенках установки и в объеме реакционной смеси.
Жидкие продукты, полученные в процессе, подвергали дистилляции с отбором фракции с температурой кипения до 200 °С, фракции с температурой кипения 200-320 °С. Остаток с температурой кипения выше 320 °С содержал в своем составе нерастворившиеся органические вещества сланца и угля и их минеральную часть. Характеристика процесса термокаталитической переработки бурого угля и рядового Кендырлыкского сланца приведены в табл. 1.
Как показали результаты наших исследований, каталитические свойства горючих сланцев позволяют осуществить в оптимальных условиях процесс термолиза органической массы угля с высокой степенью превращения в жидкие дистиллятные продукты без интенсивного коксообразования. Степень превращения смеси органической массы сланца и угля гораздо выше, чем угля. Твердый остаток с температурой кипения выше 320 °С испытывали в качестве органического вяжущего для дорожного строительства (табл. 2).
Таблица 1
Характеристика процесса термокаталитической переработки Кендерлыкского угля и смеси Кендерлыкского сланца и угля
|
Показатель процесса |
Уголь |
Уголь+сланец |
|
Условия процесса |
||
|
Уголь: пастообразователь (сланец + уголь): пастообразователь |
1:1,3 |
(0,6 + 0,4):1,3 |
|
ОМС: ОМУ |
|
1:0,9 |
|
Температура, °С |
420 |
420 |
|
Давление, МПа |
5,0 |
5,0 |
|
Длительность, мин |
15 |
30 |
|
Выход продуктов,% |
||
|
Газ |
11,8 |
4,4 |
|
Потери + вода |
8,8 |
5,3 |
|
Фракция с температурой кипения до 200 °С |
10,3 |
13,5 |
|
Фракция с температурой кипения 200-320 °С |
12,7 |
15,6 |
|
Фракция с температурой кипения выше 320 °С |
40,5 |
43,0 |
|
Твердые продукты |
15,9 |
18,2 |
Таблица 2
Характеристика качества зольных вяжущих материалов, получаемых при термохимическом превращении угля и уголь + сланец
|
Показатель |
Уголь |
Уголь + сланец |
| Глубина проникания иглы, мм-1
при 25 °С при 0 °С |
130 - |
138 68 |
|
Температура размягчения по КиШ; °С |
40 |
42 |
|
Растяжимость, см при 25 °С при 0 °С |
- - |
68 11 |
|
Испытание на сцепление |
- |
Выдерживает |
Результаты испытаний свидетельствуют о том, что битумы на основе продуктов переработки смеси сланца и бурого угля месторождения Кендырлык удовлетворяют требованиям ГОСТа на нефтяные битумы.
Рецензенты:
-
Жубанов К.А., д.т.н., академик Центра физико-химических методов анализа, г. Алматы;
-
Досумов К.Д., д.х.н., профессор, зам.директора Центра физико-химических методов анализа, г. Алматы.
Работа поступила в редакцию 02.08.2012.