Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,858

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОДУКТОВ ФРАКЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ КАМЕННОГО УГЛЯ КАА-ХЕМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Монгуш Г.Р. 1
1 ФГБУН «Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов» СО РАН
Малозольные и малосернистые, но с высоким выходом летучих компонентов каменные угли Каа-Хемского месторождения ограничиваются в применении. Настоящая статья посвящена изучению технических показателей продуктов фракционного разделения каменного угля для определения возможности и целесообразности их применения в различных отраслях промышленности. Анализ литературы показал, что на удельный вес каменного угля влияют петрографический состав, содержание минеральных примесей, содержание влаги и природа угольного вещества. Был проведен фракционный анализ угля. Определены показатели зольности и выход летучих веществ легкой, средней и тяжелой фракций. Была определена удельная поверхность полукокса легкой фракции и исследованы микрофотографии на микроскопе. В результате исследований технических показателей продуктов фракционного разделения углей Каа-Хемского месторождения определены перспективные направления получения из них углеродных материалов.
каменный уголь
фракционный анализ
пиролиз
удельная поверхность
выход летучих веществ
1. Котельников В.И. Экологически безопасные технологии получения угольного топлива / В.И. Котельников, В.Я. Федянин, А.В. Баринов, Е.А. Рязанова // Ползуновский вестник. – 2012. – № 3/1. – C. 42–46.
2. Тувинская горнорудная компания [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tugrk.ru/ (дата обращения: 12.10.17).
3. Петрология углей: учебное пособие / под ред. Н.Ф. Столбова, Е.Р. Исаева. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 77 с.
4. Федорова Н.И. Состав и физико-химические свойства фракций каменного угля различной плотности / Н.И. Федорова, С.Ю. Лырщиков, Л.М. Хицова, З.Р. Исмагилов // Химия в интересах устойчивого развития. – 2015. – Т. 23, № 2. – С. 111–115.
5. Монгуш Г.Р. Исследования способности углеродной матрицы к адсорбции загрязняющих веществ на примере катионов стронция / Г.Р. Монгуш, В.И. Котельников, А.В. Баринов // Кокс и химия. – 2015. – № 9. – С. 32–35.
6. Янчат Н.Н. Микроэлементный состав углей Каа-Хемского месторождения / Н.Н. Янчат, Л.Х. Тас-оол // Региональная экономика: технологии, экономика, экология и инфраструктура: Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию ТувИКОПР СО РАН (14–15.10.2015 г., Кызыл, Россия) / Отв. ред. докт. экон. наук Г.Ф. Балакина [Электронный ресурс: ноябрь 2015]. – Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2015. – 324 с.
7. Иванов В.П. Коксуюшая способность и генетическая совместимость как признаки технологической ценности ископаемых углей для слоевого коксования / В.П. Иванов, И.С. Бондаренко, С.А. Пантыкин // Кокс и химия. – 2011. – № 11. – С. 8–15.

В настоящее время Тувинская горнорудная компания ищет экономически обоснованную технологию переработки своих углей (не исключено, что на своей территории), так как данные угли не подходят (в силу своих особенных свойств) к существующим технологиям промышленных углеперерабатывающих предприятий России (с дорогостоящим оборудованием).

Применение газово-жирных тувинских углей в коксохимических заводах, получающих кокс, ограничивается тем, что при слоевом коксовании они образуют микротрещины, что существенно снижает его прочность.

Не нашли свое применение газовые угли и в процессах газификации, так как имеют свойства спекаться при слоевом горении [1].

Каменный уголь Каа-Хемского месторождения имеет уникальные свойства – малозольность и малосернистость, но высокий выход летучих компонентов ограничивает его в применении [2].

Принято считать, что выход летучих веществ привязан к степени углефикации, но смешивать это понятие с маркой нельзя. Марка угля основывается на технологических свойствах угля. Степень углефикации определяется при исследовании геологических и физико-химических условий формирования каменного угля.

Выход летучих веществ определяет отрасли применения угля, а также на нем основывается классификация угля по маркам.

Высокий выход летучих компонентов каменного угля при сжигании способствует и повышенному образованию сажи (несгоревшая частичка угля) через трубы печи. Для использования каменного угля в топках со слоевым сжиганием желательно уменьшить данный показатель (не более 25 %).

Используя различные процессы обогащения угля, можно получить продукты с заданным качеством. Наиболее экономически обоснованным является гравитационный метод обогащения.

Гравитационные методы обогащения основываются на различии удельного веса компонентов угля, в свою очередь на удельный вес влияют: состав минеральных примесей, петрографический состав, влажность и т.д. [3].

Исследования авторов данной работы [4], подтвердили, что во фракциях угля (марка КС) с плотностью более 1400 кг/м3 содержатся ароматичные фюзенизированные компоненты, а для фракций угля с плотностью менее 1300 кг/м3 характерно содержание витринитовых гелифицированных веществ.

Общий вывод: суммарный выход летучих веществ каменных углей зависит не только от степени их метаморфизма, но и от петрографического состава.

Для установления способности к процессам экстрагирования, газификации, полукоксования и коксования, а также способности обогащаться и брикетироваться целесообразно проводить технологические исследования углей.

Целью данной работы являлось изучение технических показателей продуктов фракционного разделения каменного угля Каа-Хемского месторождения, для определения возможности и целесообразности их применения в различных отраслях промышленности.

Материалы и методы исследования

Для исследования были отобраны пробы углей, по общепринятым методикам (ГОСТ 9815-75) на Каа-Хемском месторождении (КУ).

Определение и представление показателей фракционного анализа выполнено по ГОСТ 4790-93, сущность которого заключается в расслоении исследуемого угля на фракции в жидкостях различной плотности. Расслоение каменного угля производилось одновременно в жидкостях, имеющих плотность 1300, 1500, 1800 кг/м3 в водном растворе хлорида цинка (см. рис. 1).

mong1.wmf

Рис. 1. Схема фракционного анализа каменного угля

Таблица 1

Результаты расслоения углей, определения зольности и выхода летучих веществ

Исходный образец

Плотность жидкости, кг/м3

Выход фракции, %

Зольность фракции Ad ( %), %

Выход летучих веществ Vd , %

всплывшей

потонувшей

всплывшей

потонувшей

всплывшей

потонувшей

Каа-Хемский уголь (2Г):

Зольность угля – 6,5 %

Выход летучих веществ угля – 33,7 %

1300

35,3

5,94

28,05

1500

3,6

4,92

22

1800

51,5

9,6

5,62

26,25

25,9

15,7

 

Аналитическим исследованиям подвергались легкая фракция с плотностью менее 1300 кг/м3, средняя фракция с плотностью 1300–1800 кг/м3, тяжелая фракция с плотностью более 1800 кг/м3.

Технический анализ каменного угля проводился согласно стандартным методам: ГОСТ 11022-95 – содержание золы Ad ( %); ГОСТ Р 55660-2013 – выход летучих веществ Vd ( %).

Элементный анализ каменного угля выполнен на автоматическом элементном анализаторе содержания С, H, N, S, O «Flash2000».

Пиролиз угля проводили с помощью закрытых стальных микрореакторов в муфельной печи при температурах 650 °С и 850 °С (время выдержки 2 часа).

В полученных образцах исследовали удельную поверхность на анализаторе тонкодисперсных веществ «Термосорб F». Поверхность полукоксов была изучена на настольном сканирующем электронном микроскопе Hitachi ТМ1000.

Результаты исследования и их обсуждение

Из табл. 1 видно, что

– Легкая фракция с плотностью менее 1300 кг/м3 – третья часть угля характеризуется малым содержанием минеральных примесей и высоким выходом летучих веществ.

Из работы [4] было выявлено, что максимальное содержание витринизированных включений концентрируется в данной фракции, которые отвечают за спекаемость углей, растворимость в органических растворителях, влажность, зольность, механические свойства и т.д.

Сорбционная емкость углеродных сорбентов напрямую связана с пористостью материала (соответственно и с выходом летучих веществ). Размеры пор отличаются размерностью – макро-, мезо- и микропоры [5]. В данном материале преобладают мезопоры.

– Средняя фракция с плотностью 1300–1800 кг/м3 – более 50 % угля является малозольной, а выход летучих веществ снизилась от исходного угля и находится в пределах 22–26 %.

– Тяжелая фракция с плотностью более 1800 кг/м3 – десятая часть угля является высокозольной и с наименьшим выходом летучих веществ. Минеральная часть в данной фракции составляет более 26 %, так как при сжигании каменных углей Каа-Хемского месторождения золошлаковые отходы по составу характеризуются как малоглиноземистые и кремнистые, с достаточно высоким содержанием оксидов Ca и тяжелого металла Fe [6].

При пиролизе в образцах с плотностью более 1800 кг/м3 спекающая и коксующая способность углей не обнаружились. Данные понятия были рассмотрены и уточнены в работе [7], где термины «спекающая способность» и «коксующая способность» целесообразно применять исключительно для ископаемых углей, а термины «спекаемость» и «коксуемость» – для угольных смесей и угольных шихт.

Угли с плотностью менее 1800 кг/м3 не потеряли спекающую и коксующую способность.

Таблица 2

Элементный анализ исходного угля и угля, с плотностью менее 1300 кг/м3

Маркировка образца

Содержание, мас. %

N

C

H

S

КУ исходный

1,39

77,57

5,67

0,43

КУ-1300

1,50

77,66

5,78

0,32

 

Таблица 3

Удельная поверхность полукокса с плотностью менее 1300 кг/м3

Исходный уголь

0,33 м2/г

Полукокс 650

75,62 м2/г

Полукокс 850

138,9 м2/г

 

mong2.tif

Рис. 1. Микрофотография углеродного материала, полученного при температуре 650 °С

mong3.tif

Рис. 2. Микрофотография углеродного материала, полученного при температуре 850 °С

Из табл. 2 видно, что существенных изменений по элементному составу исходного угля и угля с плотностью менее 1300 кг/м3 нет, лишь на одну десятую долю уменьшилось содержание серы. Малая часть серы удалилась в более тяжелую фракцию вместе с минералами, так как в углях сера присутствует в составе органической массы и в составе минеральных примесей (сульфиды и сульфаты металлов), а также в свободном состоянии в виде элементной серы. А также на десятую долю увеличивается содержание азота, так как при одной стадии метаморфизма углей содержание азота достигает максимальных значений при наибольшем содержании группы витринита.

В табл. 3 и рис. 2, 3 представлены удельная поверхность и микрофотографии углеродного материала с плотностью 1300 кг/м3, так как для получения угольных сорбентов нам интересен исходный материал с высоким показателем выхода летучих веществ.

Из данных материалов видно, что с ростом температуры пиролиза выход летучих веществ из угля возрастает и формируется более гладко-пористая структура углеродного остатка, соответственно, и увеличивается удельная поверхность.

Заключение

В результате исследований технических показателей продуктов фракционного разделения углей Каа-Хемского месторождения определены перспективные направления получения из них углеродных материалов. Углеродные сорбенты, активированные угли можно получить из легкой фракции угля. Для получения кокса, полукокса, науглероживателя наиболее пригодна средняя фракция, а топливные брикеты и бездымное бытовое топливо целесообразно получать из тяжелой фракции исследуемого угля.


Библиографическая ссылка

Монгуш Г.Р. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОДУКТОВ ФРАКЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ КАМЕННОГО УГЛЯ КАА-ХЕМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2017. – № 11. – С. 47-51;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36843 (дата обращения: 20.11.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252