Ресурсная база и нетрадиционные способы использования бурых углей Южно-Уральского бассейна

УДК 552.576 : 553.491

С. Г. Ковалев, С. В. Николаева, Р. Р.Хабибуллин, Э. Ф. Юнусова

Ресурсная база и нетрадиционные способы использования бурых углей Южно-Уральского бассейна

Институт геологии Уфимского научного центра РАН Уфимская академия экономики и сервиса 450078, Уфа, ул. Чернышевского, 145

Приведена краткая оценка ресурсной базы и химико-технологическая характеристика бурых углей Южно-Уральского бассейна. Показано, что бурые угли являются не только энергетическим ресурсов, но и сырьем для химической и других отраслей промышленности.

Ключевые слова: бурый уголь, гидрогенизация, смолы, топливо.

За многие миллионы лет природа накопила богатейшие запасы углерода в виде угля, нефти и природного газа. Сейчас эти ископаемые виды топлива используются человечеством для получения энергии и продуктов химической переработки.

В конце Х1Х—начале XX века большинство продуктов органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее энергоемкими методами. Однако оценка разведанных мировых запасов различных видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что месторождения нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны уже в XXI в. Запасов же угля должно хватить на ближайшие несколько сот лет. Вывод о необходимости постоянного увеличения масштабов использования угля в энергетике и промышленности подтверждается анализом, проведенным независимыми экспертами по сопоставлению запасов нефти, газа, угля и сложившейся в настоящее время структурой их мирового потребления.

Таким образом, уголь выступает в качестве «моста в будущее» мировой цивилизации (по терминологии К. Л. Уилсона), обеспечивая плавный переход от ископаемого органического сырья к новым источникам энергии — солнечной, ядерной и др.

Увеличение потребления ископаемых углей будет сопровождаться ростом экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку при его сжигании и переработке образуется больше вредных побочных продуктов по срав-Дата поступления 19.08.08

нению с нефтью и газом. Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически более безопасных видов топлива. К ним относится облагороженный или «чистый уголь», а также синтетические газообразные и жидкие топлива, полученные путем химической переработки угля.

Основными недостатками известных технологий химической переработки углей, по сравнению с технологиями нефтепереработки и нефтехимии, являются относительно низкая производительность и жесткие условия их осуществления (высокие температура и давление). Для устранения указанных недостатков в углепереработке все шире применяются катализаторы и новые каталитические процессы, позволяющие получать из угля разнообразные продукты топливного и химического назначения 2. Разрабатываемые в настоящее время новые каталитические процессы химической переработки угля приведены на схеме.

Уголь

1 ! 1

Пиролиз Газификация

Ожижение

L

Полукокс Синтез-газ СО + Н, Жидкое котельное toi ¡л imo

Кокс

Топливный газ Легкие углеводороды

Сорбенты

Заменитель природного газа

Смола Фенолы

Топливный газ Моторные топлива

Для Республики Башкортостан глубокая переработка углей является одной из актуальнейших задач в связи с объективным уменьшением количества добываемой нефти и может рассматриваться как перспективное направление для экономического развития региона.

Буроугольные формации южноуральского типа распространены в южной части Пред-уральского прогиба, где, к северу от р. Сакма-

ры, расположено более пятидесяти месторождений, объединяемых в три структурные зоны (с севера на юг): Ашинско-Стерлитамакскую, Стерлитамакско-Мелеузовскую и Сакмаро-Бельскую. В пределах зон запасы угля распределены неравномерно: 1) в первой — зоне его содержится 14.307 млн т, или 0.81% общих запасов; 2) во второй зоне запасы угля определены в 50.54 млн т, что составляет около 3% общих запасов бассейна; 3) в третьей зоне сосредоточено 1689.14 млн т угля, или 96.2% общих запасов бассейна.

Крупнейшие из месторождений, в которых сосредоточено свыше 80% запасов угля — Репьевское, Хабаровское, Тюльганское, Маячное, Бабаевское и др., группируются на площади около 4000 км2 в южной части площади, в пределах Сакмаро-Бельского водораздела.

Как было установлено проведенными ранее исследованиями 3, угли Южно-Уральского бассейна, по данным элементарного химического анализа, содержат (на горючую массу) от 57 до 75.5 % углерода, от 4.3 до 7.86 % водорода, 0.6—0.9 % азота и 19—24 % кислорода. Обычное содержание углерода в них 64—71 %, а водорода 5—7.6 %.

Количество золы на абсолютно сухое топливо колеблется в пределах от 7 до 45 % и выше, составляя в среднем 18—27 %. Летучие компоненты присутствуют в количествах от 25 до 70 %, при среднем содержании 42—47 %. Содержание общей серы изменяется от 0.1 до 4 % (в среднем 1—1.8 %), а битумов — от 8 до 33 %. Причем, среднее количество битумов на разных месторождениях подвержено значительным колебаниям. Так, например, в углях Ворошиловского месторождения битумов содержится 8-15 %, а на Бабаевском составляет 22-27 %.

Теплотворная способность на абсолютно сухое топливо изменяется от 3500 до 6525 кал, обычно же она составляет 4300-5700 кал. В пересчете на горючую массу выход летучих 55-71 % (обычно 62-66 %), а калорийность 6800-7100 кал. Объемный вес балансового угля 1.1-1.15, а забалансового 1.35.

Естественная влажность углей ЮжноУральского бассейна высокая (40-60 %). Рабочее топливо характеризуется влажностью в 40-47 %, иногда достигая 57%, поэтому сжигание угля в естественном виде представляет трудности и требует предварительного подсушивания. В то же время, разработка новых методик сжигания буроугольных смесей, в частности низкотемпературная вихревая технология (НТВ), позволяют в значительной степени избавиться от многих проблем, возни-

кающих при использовании бурого угля в электроэнергетике.

В 1982 году на Кумертауской ТЭЦ котел ТП-14А (паропроизводительностю 220 т/ч; с параметрами пара: давлением - 9.8 МПа, температурой - 540 оС) был переведен на НТВ технологию сжигания. В проекте реконструкции котла применен вариант схемы НТВ-сжигания с бессепараторным размолом топлива в мельнице-вентиляторе.

Опыт эксплуатации котла ТП-14А после реконструкции доказал эффективность НТВ-метода сжигания башкирских углей 1. Согласно материалам Ю. А. Рундыгина с соавторами 1, модернизация котла обеспечила:

1. Устойчивое воспламенение и горение высоковлажных бурых углей во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок D = (0.4...1.0) Dном, что позволило отказаться от совместного сжигания угля с природным газом;

2. Увеличение более чем в 2.5 раза производительности систем подготовки топлива и уменьшение удельного расхода электроэнергии на размол. Увеличение межремонтного срока мельниц в три раза;

3. Полную взрывобезопасность систем подготовки топлива за счет угрубления помола;

4. Работу топки без шлакования и отказ от эксплуатационных средств очистки поверхностей нагрева;

5. Коэффициент полезного действия котла (брутто) на уровне 87...87.6 %. Потери тепла от механического недожога в пределах 0.2...0.6 %;

6. Выбросы оксидов азота ЫОх на уровне 275...350 мг/м3

7. Выбросы оксидов серы БОх не более 1550 мг/м3 (приведенные к а = 1.4);

8. Максимальная температура в топке не выше 1260 оС.

Кроме использования для получения энергии путем сжигания, бурые угли ЮжноУральского бассейна могут использоваться и как ценный продукт для химической промышленности. Исследования, проведенные трестом «Южуралуглеразведка» и Московским горным институтом показали целесообразность брикетирования углей Южно-Уральского бассейна с последующим полукоксованием или предварительной химической переработке путем экстрагирования исходного угля органическими растворителями с целью извлечения горного воска и последующим брикетированием остаточных углей 3.

При полукоксовании южноуральских углей выход смол на сухой уголь колеблется

от 10 до 24 %, полукокса - от 51 до 58 % (редко до 67%), пирогенной влаги - от 4 до 11.5 % и газа - от 15 до 19.6 %.

В полукоксе из углей Ворошиловского, Матвеевского, Масловского и Семеновского месторождений содержалось: влаги лабораторной на абсолютно сухой уголь 1.4-4.4 %, золы 17.2— 29.4 %, летучих на горючую массу 42.3-59.5 %, серы общей 1.3-3.7 %, при калорийности - 7030-7800 кал и выходе смолы 24%.

При предварительной обработке углей спирто-бензолом выход битумов составил 18.8%, а дихлорэтаном - 13%. Полученный битум содержал 22-25.8 % восков и 73-74.2 % смол при С = 75.5-76.4 % и Н = 9.9-10.4 %.

В результате сухой перегонки углей Тюльганского, Бабаевского и Ворошиловского месторождений выход смол на сухую массу угля достигал 24% (табл.).

Таблица

Характеристика состава смол, полученных из углей Южноуральских месторождений

Характеристика смол Тюль- Бабаев- Вороши-

ганское ское ловское

Удельный вес при 20 °С 0.95 0.98 0.95

Механические примеси 2.81 1.91 0.62

Органические °сн°вания 0.67 0.33 0.6

Карб°л°вые кисл°ты 0.63 0.54 0.23

Фен°лы (в %) 7.67 8.13 5.72

Асфальтены 0.37 1.29 0.77

Парафины 8.01 8.35 8.71

Сера °бщая 0.32 0.81 2.47

Примечание: по 3.

Выход различных фракций при разгонке смол составил:

1) при температуре до 230 оС - 22.9-27.3 %;

2) до 230-270 оС - 10.1-12.3 %;

3) до 270-300 оС - 8-9.3 %;

4) при температуре до 300-350 оС -7.8-12.3 %;

5) свыше 350 оС - 37.8-45.2 %;

6) пек и потери - 2.4-3.7 %.

При деструктивной гидрогенизации угля газовый бензин, полученный улавливанием активированным углем, имел удельный вес 0.7668 (при 20 оС). Выход его составлял 0.41-0.55 % на сухой уголь. В составе первичного газа (в % на безвоздушный газ) установлены следующие элементы: С02 + Н2Б -37.9-48 %; СтНт - 4.2-7.1 %; СО -6.7-11.7 %; Н2 - 11.2-12.1 %; СпН2п+2 -23.6-36.3 %; N - 0.38-1.5 %.

По результатам многочисленных опытов по разгонке смолы, проведенных в годы разве-

док месторождений , установлено, что выход бензино-керосиновой фракции обычно составляет 40-41 % (до 70%), а парафиновой -31-32 %. Максимальный выход фенолов (26.8% фракции, или 4.2% от сухого угля) имел место при температуре 230-270 оС. Обычный выход фенолов на смолу достигает 8-10 %. Теплотворная способность смолы 10000 кал, а содержание серы в ней равно

0.8.. Теплотворная способность полукокса при этом составляет 3000-4700 кал при зольности 38-58 %. При предварительном экстрагировании битумов органическими растворителями выход бензинового битума на воздушно сухой уголь достигал 4.5-7 %, а спирто-бен-зольного - 10-24 %. Содержание гуминовых кислот в угле колеблется от 4 до 61.9 % на горючую массу (в среднем 13-35 %).

Приведенная выше краткая оценка ресурсной базы и химико-технологическая характеристика южноуральских бурых углей наглядно показывает, что данное полезное ископаемое является не только энергетическим, но и ценным химическим сырьем и может быть использовано химической промышленностью для получения смол и разнообразных продуктов их перегонки. Исходя из реальной ситуации в экономике России, представляется, что основным резервом повышения углеобес-печения страны в ближайшие годы является не резкий рост добычи угля, а его эффективное использование во всех отраслях экономики. При этом перспективным и приоритетным направлением подготовки углей к их эффективному использованию является создание и внедрение технологий их переработки для получения продуктов с новыми потребительскими свойствами - высококалорийных и экологичных твердых, жидких и газообразных топлив. Имея значительную ресурсную базу, развитую инфраструктуру и современную химическую промышленность Республика Башкортостан обладает всем необходимым для решения этой проблемы в ближайшем будущем.

Литература

1. Рундыгин Ю. А., Скудицкий В. Е., Григорьев К. А. // Энергетик.- 1988.- № 9.-С. 14-15.

2. Кусумано Дж., Делла-Бетта Р., Леви Р. Каталитические процессы переработки угля.- М.: Химия, 1984.

3. Яхимович В. Л., Андрианова О. С. Кайнозой Башкирского Предуралья.- Уфа: АН СССР.-Т.1.- ч.3.- 1959.