Производство угля

 

Введение

 

Угольные запасы рассредоточены по всему миру. Большинство промышленных стран ими не обделено. Землю опоясывают две богатые угольные зоны. Одна простирается через страны бывшего  СССР, через Китай, Северную Америку  до Центральной Европы. Другая, более  узкая и менее богатая, идет от Южной Бразилии через Южную Африку в Восточную Австралию. Наиболее значительные залежи каменного угля находятся в странах бывшего  СССР, США и  Китае. Каменный уголь  доминирует на западе Европы. Главные  каменноугольные бассейны в Евразии: Южный Уэльс, Валансьен-Льеж, Саарско-Лотаргинский, Рурский, Астурийский, Кизеловский, Донецкий, Таймырский, Тунгусский, Южно-Якутский, Фуньшуньский; в Африке: Джерада, Абадла, Энугу, Уанки, Витбанк; в Австралии: Большая Синклиналь, Новый Южный Уэльс; в Северной Америке: Грин-Ривер, Юннта, Сан-Хуан-Ривер, Западный, Иллинойский, Аппалачский, Сабинас, Техасский, Пенсильванский; в Южной Америке: Караре, Хунин, Санта-Катарина, Консепсьон.

Казахстан занимает восьмое место  в мире по добыче угля и третье в  СНГ, после России и Украины. Имеются более ста месторождений, но только сорок из них исследованы. Самыми крупными месторождениями угля в нашей республике являются Карагандинское, Торгайское и Нижний Или.

 Каменный уголь – твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения. Он представляет собой плотную породу черного, иногда темно-серого цвета с блестящей матовой поверхностью. Содержит 75-97% углерода, 1,5-5,7% водорода, 1,5-15% кислорода, 0,5-4% серы, до 1,5% азота, 2-45% летучих веществ, количество влаги колеблется от 4 до 14%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменного угля не менее 238МДж/кг.

Удельный вес каменного угля 1,2 – 1,5 г/см³ ,теплота сгорания 35000 кДж/кг. Каменный уголь считается пригодным для технологического использования если после сгорания зола составляет 30% или менее. Примитивная добыча ископаемых углей известна с древнейших времён (Китай, Греция). Существенную роль в качестве топлива уголь стал играть в Англии в 17 веке. Становление угольной промышленности связано с использованием углей, как кокса при выплавке чугуна. Начиная с 19 века крупный потребитель угля – транспорт. Основные направления промышленного использования угля : производство электроэнергии, металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при химической переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление углей для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов путём гидрогенизации, высоко азотистых кислот для удобрений. Получаемый из каменного угля кокс, необходим в больших количествах металлургической промышленности.

Наиболее крупные по объему добычи месторождения каменного угля в  мире это Тунгусский, Кузнецкий, Печорский  бассейны – в России; Карагандинский – в Казахстане; Аппалачский и  Пенсильванский бассейны – в США; Рурский – в Германии; Большой  Хуанхэ – в Китае; Южно-Уельский – в Великобритании; Валансьен – во Франции и др.

Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырье для металлургической и химической промышленности, а также  для извлечения из него редких и  рассеянных элементов. Угольная, коксохимическая  промышленность,  отрасли тяжелой  промышленности осуществляют переработку  каменного угля методом коксования. Коксование - промышленный метод переработки угля путем нагревания до 950-1050 °С без доступа воздуха. Основными коксохимическими продуктами являются: кокс, коксовый газ, продукты переработки сырого бензола, каменноугольной смолы, аммиака.

Кокс каменноугольный применяют  для выплавки чугуна (доменный кокс) как высококачественное бездымное  топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов. Кокс каменноугольный используют также, как ваграночное топливо в  литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной  отраслях промышленности (специальные  виды кокса). Доменный кокс должен иметь  размеры кусков не менее 25—40 мм при ограниченном содержании кусков менее 25 мм (не более 3 %) и более 80 мм. Литейный кокс по размерам кусков крупнее доменного; наиболее пригоден продукт, в котором присутствуют куски менее 60—80 мм. Главное отличие литейного кокса от доменного — малое содержание S, которое не должно превышать 1 % (в доменном коксе до 2 %). В промышленности ферросплавов используют мелкий кокс (например, фракцию 10—25 мм), при этом в отличие от доменного и литейного производств предпочитают применять продукт с большой реакционной способностью. Требования по прочности к бытовому коксу менее жесткие, чем к доменному и литейному. Во всех производствах лучшее сырье — наиболее прочный малозольный и малосернистый кокс, содержащий небольшое количество мелких фракций. Мировое производство кокса каменноугольного около 400 млн т/год.

Каменный уголь – сырье для  получения нафталина и других индивидуальных ароматических углеводородов. Важнейшими продуктами переработки  являются пиридиновые основания  и фенолы.

Путем  переработки в общей  сложности можно получить более 400 различных продуктов, стоимость  которых, по сравнению ,со стоимостью самого угля, возрастает в 20-25 раз, а побочные продукты, получаемые на коксохимических  заводах, превосходят стоимость  самого кокса.

Очень перспективным является сжигание (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1т нефти расходуется 2-3т каменного  угля. Из каменных углей получают искусственный  графит. Используются они в качестве неорганического сырья. При переработке  каменного угля из него в промышленных масштабах извлекают ванадий, германий, серу, галлий, молибден, цинк, свинец. Зола от сжигания углей, отходы добычи и  переработки используются в производстве стройматериалов, керамики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов. С целью  оптимального использования угля производится его обогащение (удаление минеральных  примесей).

Каменный уголь содержит до 97% углерода, можно сказать, лежит в основе всех углеводородов, т.е. в их основе лежат атомы углерода. Часто приходится встречаться с аморфным углеродом  в виде угля. По строению аморфный углерод  – это тот же графит, но в состоянии  тончайшего измельчения. Практическое применение аморфных форм углерода разнообразно. Кокс и уголь – как восстановитель в металлургии при выплавке железа.

Как видно из приведенного обзора каменный уголь является неотъемлемой частью нашей жизнедеятельности. Разнообразнейшее применение практически во всех отраслях народного хозяйства каменного  угля предполагает и дальнейшее его  добычу и переработку.

 

Физические свойства каменного  угля

Характерные физические свойства каменного  угля:

- содержание углерода (С,%)  - 75-97;

- плотность (г/см³) – 1,28-1,53;

- механическая прочность (кг/см²) – 40-300;

- удельная теплоемкость С (Ккал/г град) – 026-032;

- коэффициент преломления света – 1,82-2,04.

    Физические свойства кокса каменноугольного

Содержит 96—98 %  С, остальное Н, S, N, O. Пористость 49—53 %, истинная плотность 1,80—1,95 г/см³, кажущаяся плотность ≈1 г/см³, насыпная масса 400—500 кг/м³, зольность 9—12 %, выход летучих веществ 1 %. Влажность при тушении водой и инертным газом соответственно 2—4 % и не более 0,5 %. Предел прочности при сжатии 15—25 МПа, при срезе (характеризует устойчивость к истиранию) 6—12 МПа, теплота сгорания 29—30 МДж/кг.

Физико-химические основы

Коксование— процесс сухой перегонки каменных углей при их нагревании до 900—1050° С без доступа воздуха. В результате сложных физических и химических превращений образуется твердый, спекшийся продукт — кокс и прямой коксовый газ.

Весь ход процесса коксования можно в зависимости от температуры  нагревания расчленить на пять стадий.

Первая стадия — при нагревании приблизительно до 200° С. В течение этой стадии испаряется большая часть воды, содержащейся в угле. Одновременно улетучиваются и адсорбированные углями газы — двуокись углерода, метан и др. Это — стадия сушки.

Вторая стадия — при нагревании от 200 до 350° С. В течение этой стадии образуется немного горючих газов, паров воды (продукт разложения угля) и смолы. К концу этой стадии уголь начинает «размягчаться». На его зернах появляется пленка жидких продуктов разложения. Это — начальная стадия разложения.

Третья стадия — при нагревании в интервале 350 — 500° С (температурные пределы зависят от качества угля). В течение этой стадии уголь интенсивно разлагается, образуется много летучих продуктов полукоксования — смол и газов. В их состав среди других веществ входят парафиновые углеводороды и фенолы. Ослабляются физические связи между макромолекулами, разрываются некоторые химические связи, твердые частицы диспергируются в плавкой массе — образуется пластическая масса. Это — стадия пластического состояния.

Четвертая стадия — при нагревании от 500 до 600° С. В течение этой стадии образуется незначительное количество смол и других летучих, происходит спекание и получается твердый полукокс. Это — стадия образования полукокса.

Пятая стадия —  при нагревании от 600 до 1000° С. В течение этой стадии образуется немного смол, моноциклические ароматические углеводороды и водород и заканчивается процесс образования кокса. Это — стадия образования кокса.

Возможность получения хорошего кокса зависит от протекания всех стадий, но главным образом от поведения угля в течение второй и третьей стадии.

Физико-химические свойства кокса каменноугольного определяются его структурой, приближающейся к  гексагональной слоистой структуре  графита. Структура кокса характеризуется  неполной упорядоченностью: отдельные  фрагменты (слои), связанные Ван-дер-Ваальсовыми  силами, статистически занимают несколько  возможных положений (например, накладываются  один на другой). Наряду с атомами  углерода в пространственной решетке  кокса, особенно в ее периферийной части, могут располагаться гетероатомы (S, N, O).

Строение и свойства кокса каменноугольного зависят от состава угольной шихты, конечной температуры и скорости нагрева коксуемой массы. С увеличением  содержания в шихте газовых и  др. углей, характеризующихся малой  степенью метаморфизма, понижением конечной температуры коксования и уменьшением  выдержки при этой температуре, реакционная  способность и горючесть получаемого  кокса возрастает. При увеличении содержания газовых углей в шихте  прочность и средняя крупность  кусков кокса уменьшаются, а пористость его возрастает. Повышение конечной температуры коксования способствует увеличению прочности кокса каменноугольного, особенно к истиранию. При удлинении  периода коксования и снижении скорости нагрева коксуемой массы средняя  крупность кусков кокса увеличивается.

  

 

 

 

 

 

 

Технология получения  кокса коксованием каменного  угля

Коксование проводят в камерах коксовой печи, обогреваемых снаружи горящим газом. При повышении температуры в каменном угле происходят разнообразные процессы. При 250⁰С из него испаряется влага, выделяются СО и СО₂; при 350⁰С уголь размягчается, переходит в тестообразное, пластическое состояние, из него выделяются углеводороды-газообразные и низкокипящие, а также азотистые и фосфористые соединения. Тяжелые углистые остатки спекаются при 500⁰С, давая полукокс. А при 700⁰С и выше полукокс теряет остаточные летучие вещества, главным образом водород, и превращается в кокс.

Процесс коксования можно  провести в лаборатории. Если каменный уголь сильно нагревать в железной трубке без доступа воздуха, то через  некоторое время можно будет  наблюдать выделение газов и  паров. В U-образной трубке конденсируется смола, имеющая неприятный запах, и над ней вода, содержащая аммиак. Проходящие далее газы собираются в сосуде над водой. В железной трубке после опыта остается кокс. Собранный газ хорошо горит, его называют коксовым газом.

Таким образом, при нагревании каменного угля без доступа воздуха  образуются четыре основных продукта: кокс, каменноугольная смола, аммиачная вода, коксовый газ.

Коксохимическое производство в основе своей имеет много  общего с лабораторным опытом коксования угля, оно как бы воспроизводит  его в крупных масштабах.

Промышленная коксовая печь состоит из длинной узкой камеры, в которую сверху через отверстия  загружают каменный уголь, и отопительных простенков, в каналах которых  сжигают газообразное топливо (коксовый или доменный газ). Несколько десятков таких камер образуют батарею  коксовых печей. Для достижения высокой  температуры горения газ и  воздух предварительно нагревают в  регенераторах, расположенных под  камерами, подобно тому как это  осуществляется в мартеновском способе  производства стали.

При нагревании угля без  доступа воздуха до 900-1050 ^оС приводит к его термическому разложению с образованием летучих продуктов и твердого остатка-кокса.

Процесс коксования длится около 14 часов. После того как он закончится, образовавшийся кокс-«коксовый  пирог»-выгружают из камеры в вагон  и затем гасят водой или  инертным газом; в камеру загружают  новую партию угля, и процесс коксования начинается снова. Коксование угля-периодический  процесс. Основные продукты: кокс-96-98% углерода; коксовый газ-60% водорода, 25% метана, 7% оксида углерода (II) и др. Побочные продукты: каменноугольная смола (бензол, толуол), аммиак (из коксового газа)и др.