Природный уголь способы переработки угля

Переработка угля

Угольная промышленность в Российской Федерации всегда являлась довольно важной отраслью, поскольку уголь применялся во различных отраслях промышленности. Он издавна считался крайне перспективным сырьем для получения энергии и множества химических продуктов. Да и сегодня уголь не утратил популярности. В этой статье мы рассмотрим различные процессы переработки угля.
Самым первым и самым крупным потребителем угля с 19 века являлся транспорт. Чуть позже его начали применять для производства электроэнергии, металлургического кокса, создания в процессе химической переработки различных соединений, углеграфитовых конструкционных материалов, пластмасс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для удобрения. Существуют различные способы переработки угля.

Пиролиз

Этот же процесс называют коксованием. Он появился XVIII столетии. Во время этой реакции каменный уголь подвергается нагреванию в специальных коксовых печах, без доступа воздуха. Эта реакция происходит с образованием нескольких продуктов:

• пористое, твердое вещество – кокс и летучие вещества, из которых в процессе охлаждения образуется аммиачная вода
• каменноугольная смола
• газообразные соединения.

Каменноугольную смолу в дальнейшем также подвергают перегонке, вследствие чего получают легкое масло, в составе которого присутствуют ароматические углеводороды, к примеру, бензол, толуол, среднее масло (фенолы) и тяжелое масло (нафталин).
Переработка угля методом коксования включает такие этапы:

• подготовка к коксованию
• собственно коксование
• улавливание и переработка летучих соединений.

Во время подготовительной стадии осуществляется обогащение, чтобы удалить минеральные примеси, низкосернистых, малозольных, коксующихся углей. Сырье измельчается до зёрен размером примерно 0,3 мм, разные сорта угля смешиваются между собой. После этого происходит сушка полученной «шихты».
Для реализации коксования шихту помещают в щелевидную коксовую печь, которая имеет ширину 400—450 мм и объём 30-40 м³. В каналах боковых простенков печей, созданных из огнеупорного кирпича, обогрев происходит продуктами сгорания газов: коксового, доменного, генераторного.
Нагрев продолжается на протяжении 14-16 часов. Весь процесс реализуется при температуре от 900 до 1050 °C. Конечным продуктом является кокс (75-78 % от объема исходного угля) в форме «коксового пирога» (спёкшейся в пласт массы) — выталкивается особыми устройствами («коксовыталкивателями») в железнодорожные вагоны. Там происходит охлаждение («тушение») водой или газом (азотом).
В условиях температуры 250 градусов Цельсия из угля происходит испарение воды, улетучивается угарный газ и углекислый газ. Когда температура поднимается до 350 градусов улетучиваются углеводороды, продукты азота и фосфора. При 500 градусах сырье спекается с образованием полукокса, а когда температура поднимается до 700 градусов и выше улетучивается водород и получается кокс.

Смесь паров и газов, которые выделяются в реакции и составляют около 25 % от массы угля, отводится по газосборнику для улавливания и дальнейшей переработки. Чтобы разделить летучие продукты их охлаждают при помощи впрыскивания распыленной воды (от 70 °C до 80 °C). Во время этой реакции выделяется больше половины объема смол, а последующее охлаждение парогазовой смеси осуществляется в кожухотрубчатых холодильниках (до 25-35 °C). Конденсаты соединяют вместе. Далее после их отстаивания образуется надсмольная вода и каменноугольная смола. После этого начинается очищение сырого коксового газа от NH3 и H2S, промывание поглотительным маслом (чтобы выделить сырой бензол и фенол), серной кислотой (чтобы выделить пиридиновые основания). После очистки коксовый газ, составляющий 14-15 % от объема угля, используют как топливо для обогрева батареи коксовых печей, а также для других целей.
Объем надсмольной воды составляет 9-12 % от объема угля. Из нее методом отгонки паром получают: NH3 (в виде концентрированной аммиачной воды), фенолы, пиридиновые основания. Очищенной водой в смеси с технической водой тушат кокс или осуществляют биологическую очистку сточных вод на очистных сооружениях.
Каменноугольная смола, которая составляет примерно 3-4 % от массы угля. В составе смолы присутствует много органических веществ. На сегодняшний день ученым удалось идентифицировать лишь 60 % компонентов смолы, а это свыше 500 веществ. При помощи ректификации смолу разделяют на фракции: нафталиновую, поглотительную, антраценовую и каменноугольный пёк. После ректификации из полученных продуктов выделяют:

• нафталин
• антрацен
• фенантрен
• фенолы
• каменноугольные масла.

Коксохимические заводы являются одним из крупнейших потребителей каменного угля — до ¼ мировой добычи.

Низкотемпературный пиролиз или полукоксование

Переработка каменного угля методом низкотемпературного пиролиза осуществляется в условиях температуры 500°С. Таким образом получают искусственное жидкое и газообразное топливо.
Главные продукты полукоксования:

• полукокс – от 55 до 70%
• первичный газ – от 80 до 100 м3/т
• первичная смола – от 10 до 40%.

Горючее, полученное таким методом имеет более высокую ценность, чем твердое. Полученное топливо называют горючим газом, который служит топливом с более высокой теплотой сгорания, а также сырьем для реакций органического синтеза. Кроме газа в процессе реакции образуется смола, из которой создают моторное топливо и растворители. Третьим соединением по этой реакции является полукокс, служащий местным топливом. Для осуществления полукоксования применяется низкосортный уголь, в котором высокое содержание золы.
В 18 веке часто использовали процесс полукоксования бурого угля для получения осветительного масла. Промышленными масштабами полукоксование начали осуществлять в начале 19 века. Однако в конце 19 века об этой реакции стали забывать, и лишь в 30-х годах 20 века вследствие возникшей необходимости получения бездымного топлива в Великобритании, а после и в Германии. В это время фиксируется возобновление промышленного производства полукокса из каменных углей.
Для этого процесса применяют главным образом угли, которые отличаются повышенным образованием летучих веществ и дают большой выход первичной смолы.
Процесс полукоксования проводится в две стадии:

• при 320-480°С происходит интенсивное выделение паров смолы, газа с образованием пластической массы
• при 480-550°С осуществляется деструкция твёрдых остатков, а также образуются и выделяются жидкие и газообразные продукты, а также образуется твёрдый полукокс.

В процессе полукоксования углей применяется несколько видов печей (реакторов), которые отличаются главным образом по типу теплоносителя (газовый, твёрдый) и системе обогрева (внутренний, внешний). Все эти системы и аппараты обеспечивают максимальный выход смолы, равномерный по показателям полукокс, высокую производительность в условиях минимального расхода тепла на процесс.

Другие способы переработки угля

Кроме таких известных методов, как коксование и полукоксование, сегодня для переработки угля часто применяют метод гидрирования. В результате такой реакции получают жидкое топливо, которое используется как моторное.
Еще одним методом является газификация, в процессе которой образуются горючие газы.
Однако наиболее высокой перспективой обладают плазмохимические процессы переработки каменного угля. Реализация таких процессов проводится в полностью автоматическом режиме, который помогает предотвратить вредные выбросы в окружающую среду золы, таких опасных веществ, как сера и прочие вредные вещества. Стоит отметить, что еще одни достоинством данного метода является использование оборудования небольших размеров.

Источник

Способы переработки каменного угля

Ещё древние греки научились использовать каменный уголь в качестве топлива. Однако только в XVIII появилось такое понятие, как «угольная промышленность». Активное использование природного ресурса началось в XIX веке. Уже тогда уголь использовали в корабле- и автомобилестроении, химической промышленности, металлургии, производстве электричества, в качестве топлива для транспортных средств. В XX веке ископаемый материал в своём природном состоянии перестал удовлетворять потребности народного хозяйства. За дело взялись учёные. Вскоре были разработаны различные способы переработки каменного угля. Целью каждого из них было получение более качественного сырья.

Переработка каменного угля: способы

Не все виды переработки, придуманные в прошлом столетии, применяются и по сей день. Важно не только повысить качество исходного материала, но и снизить его стоимость, сделать доступным для всех хозяйственных отраслей.

До начала введения в процесс переработки катализаторов перерабатывающая промышленность получала продукт с такими недостатками:

• жёсткие рамки реализации процессов;
• низкий выход материала.

Всё изменилось с введением катализаторов:

• упростилось прохождение процесса;
• удешевился получаемый продукт;
• повысился выход продукта.

В XXI веке применяется 5 технологий переработки угля:

• пиролиз;
• коксование или низкотемпературный пиролиз;
• плазмохимическая переработка;
• газификация;
• деструктивная гидрогенизация.

Рассмотрим кратко каждый из перечисленных методов.

О пиролизе

Данным промышленным способом перерабатывают уголь ещё с конца XIX века. Это один из успешных путей решения вопроса. Суть процесса в том, что ископаемый материал нагревают до высоких температур без доступа воздуха. Это термохимическая обработка, которая также называется коксованием. В результате запуска процесса разрушаются, а затем превращаются полимерные молекулы. Исходный продукт может быть получен в одном из 3-х состояний:

На современных перерабатывающих предприятиях температура коксования колеблется в диапазоне 900-1000°C.

Благодаря пиролизу промышленность получает:

• кокс – основной продукт;
• смесь паров и газов.

Кокс используется в цветной и чёрной металлургии.

Из газов, полученных в результате коксования, в процессе дальнейшей химической переработки получают:

• аммиак;
• фенолы;
• нафталин;
• бензол;
• гетероциклические соединения и т. д.

Всего извлекается более 250 веществ.

Изначально пиролиз не предполагал ввода катализатора. Получаемый продукт уступал по качеству современному коксу, которому характерна мелкозернистая внутренняя структура.

О низкотемпературном пиролизе или полукоксовании

Для того чтобы получить из перерабатываемого угля жидкое или газообразное топливо, не нужно применять глубокую переработку ископаемого материала. Процесс получения топлива называют полукоксованием. Температура при переработке — 500°C.

Технология не новая. Изначально её использовали с целью получения более энергоёмкого топлива. В XXI веке признано ещё одно преимущество метода – после переработки топливный материал получается более экологичным, со сниженным содержанием вредных веществ и канцерогенов. При полукоксовании получают смолу, из которой в дальнейшем изготавливают топливо и растворители.

О плазмохимической переработке

На сегодняшний день это не основной способ переработки угля, но самый перспективный. Это абсолютно безвредная технология с закрытым циклом, благодаря которому в атмосферу не выбрасываются вредные продукты производственных процессов. Помимо экологичности, метод использования плазмохимических процессов обладает и другими преимуществами:

• применяется оборудование некрупных типоразмеров;
• полностью автоматизированный процесс;
• наряду с жидким топливом получают технический кремний, ферросилиций и иные ценные вещества, которые при использовании всех других способов вместе с золой выделялись в окружающую среду.

О газификации

Ещё одним способом переработки угля с помощью высоких температур является газификация. В отличии от пиролиза, здесь применяется несколько иная схема переработки. Процесс осуществляется в воздушной среде с содержанием:

В процессе обработки твёрдый уголь превращается в газ. На сегодняшний день промышленность применяет более 20 способов газификации.

Ввод в технологический процесс катализатора позволил усовершенствовать технологию. Так, стала возможной регулировка получаемого продукта. Появилась возможность снижать температуру обработки, не теряя скорость.

О деструктивной гидрогенизации

Идея данного вида переработки твёрдого угля была выдвинута в 20-е гг. XX века. Реализовали её в 30-40 гг., когда были возведены перерабатывающие заводы в Великобритании и Германии.

В Советском Союзе деструктивную гидрогенизацию начали применять только в 50-х годах. Суть процесса состоит в следующем:

1. Из твёрдого топлива получается «синтетическая нефть».
2. Температура во время гидрогенизации не менее 400°C.
3. В процессе участвует водород.
4. Роль катализатора поначалу выполнял состав из кобальта, молибдена и алюминия. Впоследствии было выявлено, что катализатором может служить железосодержащая руда – пирротит, пирит либо магнетит. Эффективность не теряется, а конечный продукт при том же качестве удешевляется.

В процессе деструктивной гидрогенизации молекулы водорода переносятся к молекулам угля, в результате чего последний обретает жидкую структуру. Задача катализатора состоит в том, чтобы восстановить свойства материала, которые утрачиваются из-за отщепления атомов водорода.

Перспективы

Активное использование человечеством газа и нефти делает применение угля второстепенным и незначительным. Но не нужно быть провидцем, чтобы догадаться, что уже скоро запасы как нефти, так и угля истощатся. Уголь займёт первостепенные позиции в промышленности и энергетике мира.

Уже сегодня учёные озадачились поиском максимально дешёвых и эффективных путей переработки твёрдого топлива. Плазмохимическая переработка – начало пути. Учёные рассчитывают получить недорогой и экологически чистый продукт будущего.

Заключение

Основываясь на вышеизложенном, можно заключить, что уголь нельзя сбрасывать со счетов. Последние исследования и разработки в области химии повысили значимость ископаемого материала. Область применения продукта в переработанном виде расширяется. Вполне может быть, что уже скоро в баки автомобилей будет заливаться синтетическая нефть, произведённая из угля.

Источник