Способы переработки каменного угля с уравнениями

Ключевые слова конспекта: Ископаемый уголь (антрацит, каменный уголь, бурый уголь). Коксование. Коксохимическое производство. Кокс. Коксовый газ. Аммиачная вода. Каменноугольная смола. Газификация угля. Водяной газ. Каталитическое гидрирование угля.

Каменный уголь и его разновидности

Наверное, вы догадались, что речь пойдёт о ещё одном полезном ископаемом, которым так богата наша Родина, — каменном угле. Это горная порода, образованная окаменелыми останками доисторических растений.

Уголь стал первым в истории человечества ископаемым топливом. Помимо прямого использования теплоты сгорания угля, человек научился превращать выделяющуюся энергию в механическую работу, а затем и в электрическую энергию. Вплоть до середины прошлого века тепловые электростанции, работающие на ископаемом угле, давали более половины мирового производства электроэнергии. Только с появлением атомной энергетики теплоэлектростанции стали уступать место более эффективным и экологичным способам производства электроэнергии.

Из курса географии вы знаете, что в зависимости от физико-химических свойств различают три вида ископаемых углей: антрацит, каменный уголь и бурый уголь.

Антрацит залегает на больших глубинах — около 6 км. В результате огромного давления расположенных выше почвенных слоёв пласты антрацита приобрели большую плотность и характерный блеск. Содержание углерода в антраците — от 95 % и выше. Теплота сгорания этого вида угля самая высокая, однако загорается он с трудом. Используют антрацит в качестве высокоэффективного топлива, а также для изготовления электродов и получения карбидов металлов.

Каменный уголь залегает на меньших глубинах, содержит больше летучих веществ и влаги. Содержание углерода в каменном угле в зависимости от месторождения составляет от 70 до 95 %. Именно этот вид угля используют как сырьё в коксохимическом производстве. По внешнему виду каменный уголь отличается от антрацита отсутствием характерного блеска.

Бурый уголь имеет наименьшую глубину залегания. Образовывался он при значительно меньших давлениях и температуре, массовая доля углерода в нём менее 70 %, зато много летучих органических веществ, неорганических примесей и влаги. Теплота сгорания бурого угля невелика, однако ценность представляют продукты его переработки. Этот вид угля имеет характерную чёрно-бурую окраску, низкую плотность и рыхлую структуру.

Запасы угля значительно превышают запасы нефти и природного газа, а значит, в недалёком будущем он станет важнейшим природным источником органических соединений и главным углеродным энергоресурсом.

По ресурсам ископаемого угля Россия занимает второе место в мире после США, владея примерно 17 % его мировых запасов. В настоящее время около половины добываемого каменного угля используется в качестве топлива, остальное количество служит сырьём для коксохимического производства.

Переработка каменного угля

Один из основных процессов химической переработки каменного угля — коксование.

Коксование — процесс высокотемпературного нагревания угля без доступа воздуха.

Этот процесс проводят с целью получения важнейшего для металлургической промышленности продукта — кокса. Кроме него, в результате коксования образуются каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ (рис. 21). Отрасль чёрной металлургии, занимающуюся переработкой каменного угля методом коксования, называют коксохимическим производством.

При коксовании каменный уголь загружают в коксовую печь и нагревают при 1000 °С в течение 14—15 ч. Кусочки угля превращаются в кокс, представляющий собой практически чистый углерод. Кокс выталкивают из печи, сортируют и отправляют на металлургические заводы для использования в доменном процессе.

Органические вещества, входящие в состав каменного угля, при нагревании постепенно разлагаются с образованием летучих продуктов. Они поступают в специальный сборник, где конденсируются в две несмешивающиеся жидкости: каменноугольную смолу (каменноугольный дёготь) и аммиачную воду. В состав каменноугольной смолы входит около 300 различных соединений, часть из которых выделяют путём фракционной перегонки. Так получают, например, бензол и другие ароматические углеводороды. В аммиачной воде содержатся, естественно в растворённом состоянии, аммиак и другие вещества. На специальной колонне растворённые вещества выделяют и разделяют. Полученный аммиак идёт главным образом на производство азотных удобрений.

Коксовый газ, оставшийся после конденсации, очищают от остатков смол и извлекают из него аммиак. Для этого газ пропускают через раствор серной кислоты, превращая аммиак в сульфат аммония, который используют в качестве азотного удобрения. Из коксового газа выделяют также водород, этилен, бензол и некоторые другие вещества.

Вторым важным направлением переработки каменного угля является его газификация. Измельчённый уголь, или кокс, подаётся в газогенератор, где при высокой температуре соприкасается с перегретым водяным паром. В результате образуется смесь газообразных продуктов, содержащая главным образом водород и оксид углерода(II) — так называемый водяной газ:

Водяной газ можно разделить на компоненты, а можно без разделения использовать для синтеза углеводородов и кислородсодержащих органических соединений.

В последние годы вновь возрос интерес к процессу каталитического гидрирования угля. Для этого процесса может быть использован водород, образующийся в процессе газификации. Реакция между углеродом и водородом при повышенной температуре и давлении приводит к образованию смеси углеводородов, которая используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и является альтернативой продуктам нефтепереработки:

Запасы природного газа, нефти, каменного угля на Земле небезграничны. Все полезные ископаемые относятся к невозобновляемым сырьевым ресурсам. Человечество приходит к необходимости искать альтернативные, в том числе возобновляемые, источники энергии и сырья.

Разве существует сырьё, которое никогда не кончается? Представьте себе, да. Всё большее внимание химиков и технологов привлекают растения. Ежегодно на Земле вырастает миллион миллиардов тонн зелёной растительной массы, а ведь это уникальный источник органических веществ, промышленную переработку которого ещё только предстоит освоить.

Конспект урока по химии «Каменный уголь и его переработка». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 10 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:

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:

Из твёрдого топлива получается «синтетическая нефть».
Температура во время гидрогенизации не менее 400°C.
В процессе участвует водород.
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

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