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.
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 |
|
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.