УГОЛЬ. Уголь уголь твердое горючее полезное ископаемое органического происхождения, образовавшееся из отмерших растений и планктонов в результате жизнедеятельности микроорганизмов (биогенная гипотеза происхождения угля).
 Скачать 20.9 Kb.
|
|
УГОЛЬ Уголь - твердое горючее полезное ископаемое органического происхождения, образовавшееся из отмерших растений и планктонов в результате жиз-недеятельности микроорганизмов (биогенная гипотеза происхождения угля). Уголь дешевле нефти, и он более равномерно распределен в земной коре. Его природные запасы намного превосходят запасы нефти и по прогнозам ученых не будут исчерпаны еще в течение века. ВИДЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ УГЛЯ Уголь в виде горной породы содержит довольно мало свободного углерода (10 % в каменном угле, несколько процентов в буром угле). В основном ископаемые угли состоят из сложных циклических органических соединений, содержащих элементы C, H, O, N, S, примесей неорганических веществ (зола) и влаги; содержание золы и влаги может быть 50 % и более. Угольная масса формируется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом и обогащенная органическими кислотами, препятствует жизнедеятельности бактерий разрушающих погибшие растения. Так возникает торф – исходный материал для образования угля. Если затем происходит его захоронение под наносами, то торфяная масса под воздействием давления и температуры, теряя воду и газы, преобразуется в угольные пласты. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 400 млн. лет назад), накапливалось органическое вещество, из которого формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений каменного угля относится к этому периоду, хотя известны и более молодые месторождения. На первой стадии процесса углеобразования торф превращается в бурый уголь с содержанием углерода 65-70 % (масс.). Углерод в углях находится в составе различных органических соединений, часть из которых при нагревании переходит в состав летучих веществ (летучий углерод), а часть остаётся в коксовом остатке (нелетучий углерод). Здесь и далее, если прямо не указано, о каком углероде идёт речь, имеется в виду их сумма (общий углерод). Бурый уголь залегает на глубине примерно 1 км и содержит до 43 % (масс.) влаги и до 50 % (масс.) летучих веществ. При дальнейшем опускании на глубину до 3 км, из бурого угля образуется каменный уголь. Угли, которые к нашему времени стали каменными, начали образовываться в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300-350 млн. лет назад из остатков древовидных папоротников, хвощей и плаунов, произраставших в то время в огромных количествах, а также первых голосеменных растений. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 до 95 % (масс.), они содержат до 12 % (масс.) влаги и до 32 % (масс.) летучих веществ. Самый древний из ископаемых углей – антрацит – образуется из каменного угля при дальнейшем повышении температуры и давления на глубине до 6 км. Он содержит около 95 % (масс.) углерода, и имеет наиболее высокую степень «углефикации». ПРОЦЕССЫ И СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ 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. Коксование угля 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. |