Способы использования бурого угля человеком

Уголь: свойства, способы переработки, применение

Уголь представляет собой полезный минерал, используемый в качестве топлива, а также сырья для ряда отраслей промышленности.

Современная теория углеобразования называет в качестве источников возникновения угля, накопившиеся в болотах растения; а также битумные массы, излившиеся на поверхность Земли в результате происходивших тектонических процессов. Те и другие постепенно опускались вглубь земных недр, где под воздействием высокого давления и температуры, без доступа кислорода, они подвергались структурным изменениям. Предположительно, процесс происходил в девонский, каменноугольный и пермский периоды палеозойской эпохи, примерно 300-400 миллионов лет назад. Исходным материалом для формирования угольных пластов выступал торф.

Некоторым подтверждением данной теории является факт добычи трёх основных видов углей, извлекаемых из разно уровневых глубин земной коры и имеющих различные степени фаз углеобразования – углефикации:

• Низшая. Бурый уголь. Полезное ископаемое, содержащее значительное количество летучих веществ и воды, а поэтому имеющий низкую теплоту сгорания 13-25 МДж/кг. Глубина залегания составляет 1 км.
• Средняя. Каменный уголь. Наиболее распространённый среди углей вид энергетического топлива, обладающий теплотой сгорания 27 МДж/кг. По сравнению с бурым углём имеет более низкое содержание воды, и залегает на глубинах до 3 км.
• Высшая. Антрацит. Содержит максимальное количество углерода, поэтому теплота сгорания располагается в пределах: 26,8 – 34,8 МДж/кг. Залежи этого полезного ископаемого размещены глубоко под землёй (до 5 км внутрь земной коры). Благодаря этому содержание воды в составе минерала не превышает 3%.

Добыча угля

Процесс угледобычи достаточно сложен в плане технологии и требует больших затрат для привлечения техники и ресурсов. Современная индустрия располагает тремя основными способами добычи этого полезного ископаемого:

• Карьерным, посредством организации разреза.
• Шахтным методом. С помощью строительства ряда подземных сооружений.
• Гидравлическим. С использованием жидкостных струй, как в качестве разрушителей пластов, так и в качестве транспортирующего материала.

Шахтный способ

Один из наиболее старых и высокотехнологичных для настоящего времени методов добычи полезных ископаемых. При глубинном залегании угля (свыше 500 метров под землей) вскрышные работы потребуют колоссальных затрат. Поэтому наиболее рентабельным является сооружение шахты с последующей прокладкой горизонтальных проходов.

После организации технологического процесса: укрепления стен и прокладки рельсов, обеспечения вентиляции и удаления воды, запуска в работу проходческих врубовых и очистных комбайнов, начинается добыча угля и транспортировка его на поверхность.

Шахтный способ достаточно дорог и небезопасен, хотя и обеспечивает большие объёмы выработки высококачественного сырья, не нанося существенного экологического ущерба окружающей среде.

Карьерный способ

Способ, используемый в случаях неглубоко залегания пород (до 500 метров в глубину недр).

С помощью гусеничных или рельсовых драглайнов (кранов со стрелой и ковшом) производится первичное вскрытие грунта с последующей транспортировкой его в близлежащие отвалы. После чего уголь извлекается и отправляется на переработку и обогащение. Когда месторождение полностью осваивается, происходит обратный процесс возвращения пустой породы на место изъятия. Территория благоустраивается и озеленяется, чтобы в последующем гармонично вписаться в окружающий ландшафт.

Недостатком метода является низкое качество добываемых углей и наносимый природе значительный экологический ущерб.

Переработка и обогащение угля

Так как ископаемые угли содержат в своём составе ряд минеральных примесей, а требования к качеству энергетического топлива резко возрастает, то возникает необходимость дополнительной очистки добытого полезного ископаемого. Это процесс носит название обогащения.

Переработка представляет собой ряд технологий, предназначенных для превращения обогащённого угля в высококачественное топливо. В её основе лежат методы:

• Пиролиза или коксования, то есть высокотемпературного нагрева без доступа воздуха.
• Полукоксования – низкотемпературного коксования.
• Деструктивной гидрогенизации – процесса получения «синтетической нефти» под воздействием водорода при температуре в 400-500 0 C.
• Газификации – перевода твёрдого угля в газ посредством высокотемпературного нагрева с присутствием продуктов разделения воздуха: водорода, кислорода, углекислого газа и водяного пара.
• Плазмохимической переработки – перспективнейшего способа, позволяющего получать жидкое топливо и ряд особо ценных химических соединений в виде кремнийсодержащих веществ и ферросилиция.

Подготовка

Первичный этап обогащения, выполняемый на горно-обогатительных фабриках, целью которого является выявление компонентов, содержащих уголь и доведение их до нужного уровня крупности.

Происходит это при помощи:

• Грохотов – устройств, содержащих в себе короба с ситами или решётки с отверстиями заранее заданных размеров.
• Классификаторов – агрегатов разделения угля на фракции в жидкой среде, посредством всплытия мелких лёгких частиц и оседания более крупных и тяжёлых.
• Дробилок – установок измельчения.

В результате чего получаются стандартные по уровню крупности виды угля:

• размерами более 100 мм – плитный;
• 50-100 мм – крупный;
• 26-50 мм – орех;
• 13-25 мм – мелкий;
• 6-13 мм – семечко;
• меньше 6 мм – штыб.

Уголь нестандартных размеров носит название рядового.

«Простое» обогащение

Метод включает в себя ручной отбор кусков нужного вида или размеров, а также отсеивание с помощью скольжения и падения с наклонной плоскости.

Флотация

Способ, основанный на всплытии в жидкой среде пены, образованной частицами, покрытыми жирными продуктами переработки углеводородов (реагентами) с прилипающими к ним воздушными пузырьками. Образовавшийся минерализованный пенный слой удаляют, очищают, высушивают и используют в качестве угольного концентрата.

Гравитационное обогащение

Данный вид обогащения использует различие физических свойств частиц, имеющих разнообразную плотность и геометрические размеры. Понятно, что столь неодинаковые в весе и габаритах куски породы будут приобретать различную скорость движения в жидкости или воздухе. В результате чего в первичный продукт разделяется на концентрат и отходы – миксты. Отходы могут быть отправлены на повторное обогащение или использованы в качестве низкокалорийного топлива.

Применение

В энергетике

Три четверти мировой добычи угля расходуется на энергетические цели. Половина данного направления использования этого вида топлива сгорает в топках котлов тепловых электростанций, существенная часть обеспечивает жилищно-коммунальные нужды, в меньшей степени уголь сжигают котельные отдельных районов и промышленных предприятий.

Ещё совсем недавно самое распространённое на Земле топливо, играло ведущую роль в мировой экономике. Сегодня позиция угля несколько потеснили природный газ и нефть. Хотя и сейчас 40% электроэнергии вырабатывается за счёт сжигания угля, а в Индии и Китае этот показатель доходит до 75%, в южных странах Африки – до 94%.

Основными недостатками использования данного вида топлива являются:

• Огромный расход ресурса. Чтобы выработать 1000 МВт электроэнергии, требуется 9000 тонн угля. Фактически – это гигантский железнодорожный состав из 90 вагонов, ёмкостью по 100 тонн каждый!
• Загрязнение воздуха серой и оксидом азота. В процессе сжигания угля выделяется к тому же метан и углекислый газ. Учитывая тот фактор, что в качестве энергетического топлива в значительной степени выступают низкосортные марки этого полезного ископаемого, проблема усугубляется.
• Необходимость удаления и утилизации золы, что наталкивается на серьёзные технологические и финансовые проблемы.
• Использование больших объёмов воды, которые в последующем необходимо тщательно очищать. Но даже в этом случае наносится существенный вред окружающей природной среде.

В строительстве

Строительная отрасль использует этот природный ресурс по нескольким направлениям.

Прежде всего, уголь находит применение в процессе производства строительных материалов: цемента, известняка, глинозёма. Кроме того, отходы переработки и сжигания этого минерала активно употребляются в качестве заполнителей при выполнении земляных работ, а также – для изготовления кровельных, облицовочных, стеновых материалов. Также имеет место использование этого материала в качестве гигроскопического средства, позволяющего нейтрализовать вредные запахи и нормализовать уровень влажности в помещениях.

В медицине

Медицинский аспект применения активированного угля основан на его свойствах – связывать и выводить из организма яды и вредные вещества, что является крайне необходимым при целом ряде заболеваний и отравлений.

В дополнение к этому можно отметить его фильтрующие свойства при очистке воды и воздуха.

Месторождение в России и мире

Десятка крупнейших мировых месторождений угля выглядит следующим образом:

• Тунгусский бассейн с запасами в 2,299 трлн. тонн занимает в списке первое место. Россия. Иркутская область, Красноярский край, Республика Саха (Якутия).
• Ленский бассейн площадью 750 тыс. км 2 с запасами в 1,647 трлн. тонн располагается на втором месте. Россия. Центральноякутская низменность.
• Канско-Ачинский бассейн с 638 млрд. тонн и протяжённостью в 800 км по Транссибу занимает в списке третье место. Россия. Красноярский край, Иркутская и Кемеровская области.
• Кузбасс – 635 млрд. тонн. Россия. Кемеровская область, Алтайский край, Новосибирская область.
• Иллинойский бассейн – 365 млрд. тонн. Площадь бассейна составляет 122 тыс. км 2 . США. Штаты Иллинойс, Кентукки, Индиана. 9 пластов, из которых 2 дают 90% продукции: «Харрисбург», «Херрин».
• Рурский бассейн – 287 млрд. тонн, 6,2 тыс. км 2 . Германия. Один из старейших угольных районов мира, где добыча началась ещё в XIII веке.
• Аппалачский бассейн – 284 млрд. тонн, 180 тыс. км 2 . США. Штаты: Алабама, Западная Виргиния, Кентукки, Мэриленд, Огайо, Пенсильвания.
• Печорский бассейн – 265 млрд. тонн, 90 км 2 . Россия. Ненецкий АО и Республика Коми.
• Таймырский бассейн – 217 млрд. тонн, 80 тыс. км 2 . Россия. Полуостров Таймыр.
• Донбасс – 141 млрд. тонн, 60 тыс. км 2 . Украина, Россия, ДНР и ЛНР.

Всего в мире насчитывается 50 месторождений, ведущих активную угледобычу.

Запасы угля в России

Общие геологические запасы угля на территории Российской Федерации оцениваются в 4 трлн. тонн. Это одна треть мировых запасов. Однако значительная их часть располагается в районах вечной мерзлоты и недоступна к разработке.

Утверждённой в 2020 году программой развития угольной промышленности России, предусматривается увеличение добычи этого природного полезного ископаемого с 435 млн. тонн в 2018 году до 485 млн. тонн, а в дальнейшем – до 668 млн. тонн ежегодно.

Страны, добывающие уголь

Лидерами по объёмам добычи угля, согласно данным «Статистического обзора мировой энергетики», в 2019 году стали:

• Китай – 3 846 млн. тонн.
• Индия – 756,4 млн. тонн.
• США – 639,8 млн. тонн.
• Индонезия – 610,0 млн. тонн.
• Австралия – 506,7 млн. тонн.
• Россия – 440 млн. тонн.
• ЮАР – 254,3 млн. тонн.
• Германия – 133,9 млн. тонн.
• Казахстан – 115,4 млн. тонн.
• Польша – 112,4 млн. тонн.

Источник

Вторая жизнь бурого угля

Вторая жизнь бурого угля

Новые технологии позволяют более эффективно использовать бурый уголь.В связи с сокращением запасов нефти и газа и ростом цен на энергоносители, актуальным остается поиск новых энергоресурсов. Одним из решений этой проблемы является создание альтернативных топливных материалов на основе бурого угля, запасы которого достаточно велики. В мировой практике бурые угли уже давно перерабатывают по новым эффективным технологиям, в том числе с получением синтетического и водоугольного топлива. В то же время многочисленные отечественные разработки по получению синтетического жидкого топлива и водоугольной суспензии из бурых углей сейчас находятся, в лучшем случае, на стадии пилотного проекта. Для внедрения таких проектов необходима поддержка государства, которой, к сожалению, в данный момент нет. Традиционное сжигание бурого угля на ТЭС — вчерашний день. Действительно, как сырье для получения топлива и газа, бурый уголь из-за своей дешевизны считался перспективным: месторождения угля залегают, как правило, неглубоко от поверхности, поэтому добывать уголь можно самым дешевым открытым способом, в разрезах. Вместе с тем по своим характеристикам и теплотворным свойствам бурый уголь уступает каменному углю: имеет повышенную зольность и большое содержание летучих веществ, за счет чего бурый уголь склонен к самовозгоранию. Традиционное сжигание бурого угля приводит к загрязнению окружающей среды окислами азота и серы, другими вредными веществами.(1)

На сегодняшний день разработаны и успешно эксплуатируются новые технологии, позволяющие более эффективно использовать бурый уголь, нанося минимальный вред окружающей среде. В первую очередь — это производство синтетического топлива и создание водоугольной суспензии. Современная технология получения синтетических жидких топлив из бурого угля включает три стадии.

На первой стадии осуществляется процесс ожижения бурого угля. В размольно-смесительный аппарат загружается бурый уголь и модифицирующие добавки. В процессе размола и гомогенизации компонентов смеси осуществляется модификация бурого угля: изменяется высокомолекулярная структура, состав фрагментов, разрушаются электронно-донорно-акцепторные связи, что приводит к деполимеризации бурого угля и превращению его в жидкую углеводородную смесь. По физико-химическим свойствам полученная жидкая углеводородная смесь является близкой к нефти. Дальнейшая переработка жидкого бурого угля осуществляется в условиях, аналогичных процессам переработки нефти. Содержание минеральных веществ в буром угле превышает их содержание в нефтяном сырье. При переработке бурого угля в синтетическое жидкое топливо необходимо применение совершенных процессов фракционирования и разделения углеводородной и минеральной составляющих.

На второй стадии осуществляется очистка жидкого бурого угля от механических примесей, взвешенных частиц, солей, серы и других компонентов, подлежащих удалению.

Третья стадия — углубленная переработка жидкого бурого угля в синтетическое жидкое топливо.

Впервые синтетическое топливо из угля появилось в Германии — в 1911 г. немецкий химик Ф.Бергиус получил из угля бензин. Дело в том, что в Германии не было собственных месторождений нефти, а потребность в топливе возрастала. Зато были одни из самых больших в Европе залежей бурого угля, что и подвигло на проведение исследований с целью получения топлива именно из этого ископаемого. Проблема была успешно решена усилиями немецких химиков, и уже к 1941 г. Германия вырабатывала до 4 млн т жидкого топлива в год.

После ЮАР наиболее масштабно и высокотехнологично синтезировать моторное топливо начали в США. Восемь проектов на различных стадиях реализации осуществляются в Китае, и все они предназначены для полной замены традиционных видов топлива. В целом в Нигерии, Катаре, Малайзии и США на стадии проектирования и строительства находятся около 50 объектов суммарной мощностью более 300 млн т топлива в год. К проблеме подключились Япония, Индия, Польша, Индонезия, Пакистан. Общий объем официально объявленных инвестиций в эту сферу превысил USD15 млрд, а производство синтетического топлива достигло 20 млн т в год.(2)

В Украине проблемой синтеза топлива достаточно глубоко занимается всеукраинская, научно-техническая организация Инженерная Академия Украины (ИАУ), где разработано достаточное количество технологий и способов переработки угля в синтетическое жидкое топливо. Технология получения эмульсионного топлива включает следующие основные стадии: ожижение бурого угля, стабилизацию эмульсионной системы и очистку эмульсионной системы от механических примесей и взвешенных частиц.

На первой стадии осуществляется процесс ожижения бурого угля.

Вторая стадия — стабилизация эмульсионной системы в кавитационном реакторе.

На третьей стадии осуществляется очистка эмульсионной системы от механических примесей и взвешенных частиц. Очистка осуществляется оригинальным, не имеющим аналогов, способом — термо-гравитационной очисткой. Установка термо-гравитационной очистки эмульсионной системы не имеет вращающихся, изнашиваемых частей и фильтров, отличается низкими энергетическими затратами и эксплуатационными расходами. Полученная эмульсия имеет все необходимые регламентированные физико-химические свойства. К таким свойствам относятся: стабильность топливной системы в течение длительного времени, технологически приемлемые значения реологических параметров — низкая вязкость, низкие значения пределов текучести, отсутствие выраженных тиксотропных свойств, предельная однородность каогуляционных структур.

Эмульсия отвечает основному требованию, которое предъявляется к эмульсионным топливам, — в эмульсии содержится высокая концентрация горючей основы, достаточной для обеспечения высокой калорийности топлива.

Эмульсионное топливо является экологически чистым видом альтернативного жидкого топлива также и потому, что помимо уменьшения в отходящих газах перечисленных выше вредных выбросов, при его горении существенно снижается концентрация оксидов азота и серы. Кроме этого, при сжигании эмульсионного топлива существенно снижается нагар внутри топочных камер, на поверхности форсунок, а также отложения в котлоагрегатах. Изменение механизма горения топливных эмульсий приводит не только к увеличению их экологичности. Установленным фактом является повышение общего КПД котла на 3-5%, а также существенная экономия энергоресурсов. Основные технологические процессы новой технологии исследованы и испытаны на пилотных установках. Однако до сегодняшнего дня проблема не рассматривалась в контексте реального перевода ее из исследовательской стадии в производственную.

Еще один способ получения топлива из угля — создание водоугольной суспензии или водоугольного топлива (ВУТ).

Идея использования водно-угольных суспензий в качестве топлива зародилась еще в 1950-х годах в Институте горючих ископаемых АН СССР. Поиски технологии их приготовления и использования диктовались необходимостью утилизации тонких угольных шламов, появившихся в больших количествах при интенсивном развитии гидродобычи и гидротранспорта угля, а также при обогащении углей мокрым способом. К решению проблемы были подключены ведущие научно-исследовательские угольные институты страны. Для исследования процессов приготовления и горения суспензий было построено несколько экспериментальных установок. Аналогичные работы проводились тогда в США, ФРГ и других странах. В связи с открытием крупных месторождений нефти и газа во всем мире и увеличением поступления этих энергоресурсов на мировые рынки по доступным ценам, работы по внедрению водоугольных суспензий замедлились. Интерес к ВУТ возобновился только к середине 70-х годов в связи с мировым нефтяным кризисом.

Наибольшее количество научных организаций, производственных фирм и корпораций было привлечено к проблеме в период 1979-1984 гг. Более 100 организаций в США, Швеции, Великобритании, Китае, Японии, Канаде, Италии и других странах занимались изучением и внедрением ВУТ. На базе их были созданы крупные международные корпорации Carbogel, Fluidgarbon (Швеция), Co-Al (США), Densecoal (ФРГ) и другие, разработавшие многочисленные составы и технологии приготовления и использования водоугольных суспензий.(4)

Наиболее распространенной на сегодняшний день считается технология когда ВУТ получают сухим измельчением предварительно дробленного до менее 3 мм исходного угля в роторно-вихревой мельнице до частиц размером менее 20 мкм.

В процессе измельчения одновременно производится сепарация угля от минеральных компонентов и гидрофобизация частиц угля. Последующее смешивание частиц угля с водой производится в гидравлическом диспергаторе с получением коллоидной гидросмеси, содержащей 70-80 мас. % и более твердой фазы с частицами менее 5 мкм.

В результате получается водоугольное топливо с улучшенными физико-механическими, структурно-реологическими, теплофизическими и экологическими свойствами для его длительного хранения, транспортировки и сжигания в различных энергетических установках, включая дизельные и газотурбинные.

Использование ВУТ позволяет в 1.5 — 3.5 раза снизить вредные выбросы в атмосферу, а также повысить эффективность использования топлива до 98%, при традиционном сжигании угля эффективность составляет не более 60%. Самое главное достоинство данного топлива — его дешевизна и экологичность. Стоимость готового ВУТ дешевле мазута в 2-4 раза и не превышает 15-20% цены исходного угля на месте его добычи. К тому же ВУТ пожаро– и взрывобезопасно. Технологии его хранения и транспортировки просты и могут быть полностью автоматизированы, перекачку можно осуществлять по трубопроводам аналогично нефти. В отличие от мазутных цистерн, емкости, в которых зимой транспортируется ВУТ, легко очищаются от остатков топлива. Кроме того, перевод котельных на ВУТ обычно занимает не более 7 мес., а при серийном изготовлении необходимого для этого оборудования срок сократится вдвое. Экономия на выработке тепловой и электрической энергии поможет окупить затраты на реконструкцию котельной из трех-четырех котлов за 2.5 — 3 года. ВУТ может быть использовано практически на любых теплоэнергетических объектах. Из недостатков ВУТ следует отметить высокое содержание воды в суспензии, на испарение не менее 40% которой требуется затратить энергию. Еще больших затрат требует непосредственно процесс измельчения угля для получения самой суспензии: чтобы перемолоть 1 т угля необходимо затратить 15 — 20 кВт электроэнергии. Наконец, при измельчении жидких смесей износ оборудования и, следовательно, затраты на его амортизацию в разы выше, чем при сухом помоле. Но, несмотря на недостатки, вопрос об использовании ВУТ в мировой практике не теряет своей актуальности. Работы по совершенствованию и внедрению инноваций не прекращаются в Японии, Италии, США, Канаде и других странах. В США реализуется программа использования угля в промышленной и бытовой энергетике («Чистый уголь») с общим объемом финансирования USD6 млрд на ближайшие 6-10 лет. Около 20% этой суммы направляется на решение проблем, связанных с транспортировкой водоугольного топлива.(5)

Повышенный интерес к использованию ВУТ проявляет Япония, в частности, финансируя разработку месторождений бурого угля и строительства заводов по его переработке во Вьетнаме и Индонезии. Китай в связи с быстроразвивающейся экономикой ощущает дефицит нефтепродуктов, и чтобы не быть зависимым от импорта нефти, активно внедряет технологии по эффективной переработке угля в жидкое топливо. В настоящее время на разных стадиях строительства и эксплуатации находится более сотни углеперерабатывающих заводов. Потребителями ВУТ стали ТЭЦ, ранее работавшие на мазуте, а также предприятия химической, металлургической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. Лидером по переработке угля в жидкое топливо является ЮАР, где в жидкое топливо перерабатывают около 40 млн т угля в год.Преимущества такого топлива — более высокая теплота сгорания при меньшем расходе воздуха, а также высокая степень выгорания. Минеральные компоненты угля при выгорании капли агломерируются, образуя высокопористые сферы, что позволяет вести процесс с малым избытком воздуха. Мелкодисперсные частицы золы укрупняются в прочные пористые ксеносферы размером 0.3–0.5 мкм и легко задерживаются обычными механическими сепараторами. Степень улавливания таких зольных агломератов достигает 95–99%, что предотвращает загрязнение атмосферы. В зоне горения капель ВВУС происходит восстановление окислов азота и серы, в результате чего в 1.5 – 2 раза сокращаются выбросы этих газов по сравнению со сжиганием угля в пылевидном состоянии. В настоящее время проект находится на стадии лабораторных исследований. К сожалению, ВУТ пока не используется в большой энергетике, несмотря на то, что затраты на производство 1 МВтч э/э с использованием такого топлива при транспортировке его углепроводами ниже, чем при сжигании угля, доставленного железнодорожным транспортом, особенно на дальние расстояния (при дальности доставки на 100 км до 12%, на 1 тыс км — 22-32%, 4 тыс км — 47-65 %). Дело в том, что использование ВУТ вместо сжигания угля, газа, мазута требует крупных капиталовложений, особенно на первом этапе его промышленного внедрения.

1. Гамбаров Г.М., Журавель Н.М., Королев Ю.Г. и др. Статистическое моделирование и прогнозирование: учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 1990.- 383 с.

2. Мирко В.А., Кабанов Ю., Найденов В. Современное состояние развития месторождений бурых железняков Казахстана. – 2002. -№4. – С.27-31.

3. Журнал «Уорлд Коул». – 2000. – №1. – С.49-53.

4. Журнал «Майнинг Энниоал Ревю». -1999. — №12. –С. 106-113.

5. Ахьюджа Х. Сетевые методы управления в проектировании и производстве / пер.с англ. – М.: Издательство «Мир», 1979. – 638 с.

Источник