CC BY
59
УДК 622.74
С.И. Жеребцов, А.И. Моисеев
КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФОВ, БУРЫХ И НЕКОНДИЦИОННЫХ УГЛЕЙ КУЗБАССА
Утешение проблем инновационного развития Кузбасса пред--мГ полагает комплексный системный подход как к технологиям переработки сырьевых ресурсов, так и к самим ресурсам. Известно, что наряду с традиционными для Кузбасса богатейшими запасами каменных углей, в Кемеровской области присутствуют значительные запасы бурых углей и торфа.
Бурый уголь, торф, окисленные каменные угли низкой стадии метаморфизма не представляют значительного интереса в качестве энергетических источников. С другой стороны, комплексный химико-технологический подход к освоению этих ископаемых обеспечивает получение широкого класса химических продуктов на базе горного воска, экстракционных смол, гуминовых веществ и остаточного материала, которые могут использоваться в различных отраслях промышленности. Стоимость товарной продукции (только воска - сырца) первичной переработки 1 т бурых углей или торфа составляет около 100 - 200 €.
Запасы бурых углей Кузбасса составляют 66,4 млрд т. Они сосредоточены в Итатском, Урюпском (Тяжинский район), Барандат-ском (Тисульский район) месторождениях. Бурые угли Барандат-ского и Урюпского месторождений содержат экстракционных битумов около 4 % и свободных гуминовых кислот около 35 %. Запасы этих углей значительны - только по Барандатскому месторождению - 33,5 млрд т. Особый интерес представляют сажистые бурые угли, которые сосредоточены в верхних, близких к дневной поверхности слоях угольных пластов и являются отходом угледобычи. В Кузбассе имеется 76 месторождений торфа. Запасы торфа-сырца - 120,6 млрд т. Наиболее перспективны Мариинский и Кра-пивинский районы - 9 месторождений с запасами более 365 млн м3.
Комплексный системный подход диктует необходимость сочетания интересов как производственной сферы, так и экологический безопасности. Решение задач экологической реабилитации терри-
114
торий почти всегда носит затратный характер. Однако в Кемеровской области сложилась уникальная ситуация, связанная со шламо-отстойниками угледобывающих предприятий. Вокруг угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий Кузбасса в гидроотвалах и отстойниках скопились миллионы тонн уже добытого угля, представленного в виде угольных шламов. Данное обстоятельство является одним из факторов экологической нагрузки на территорию Кемеровской области. Кроме того, под отстойники отведена и выведена из сельхозоборота значительная доля земель. Создание технологий и установок по переработке угольных шламов приведет к освобождению уже существующих шламоотстойников, а также к исключению накопления шламов. Кроме того, утилизация ценных фракций шламов может принести немалый доход, который возможно перекроет затраты на утилизацию. Таким образом, актуальность поставленных задач не вызывает сомнений.
То обстоятельство, что переработка бурых углей и торфов не получила развития в Кузбассе, на данном этапе должно вызывать значительный интерес к данным видам твердых горючих ископаемых (ТГИ). Общеизвестно, что бурые угли и торфа являются сырьем для приготовления органических удобрений, получения сырых и модифицированных восков, ростовых веществ и биостимуляторов, медицинских препаратов, красителей для древесины, стабилизаторов и разжижителей в производстве строительных изделий, разнообразных материалов для сельского хозяйства, бытовой химии, химических технологий, биотехнологий [1-2] (рис. 1, 2).
Наряду с термическими технологиями переработки бурых углей, (рис. 1, 2) существует нетрадиционный путь использования наиболее ценного природного потенциала бурых углей и торфов -их переработка экстракционными методами, что дает возможность получить широкую гамму продуктов, упомянутую выше.
Экстракция - извлечение растворимых веществ из какого-либо сырья органическими или неорганическими растворителями, позволяет избирательно получать интересуемое вещество
115
Рис. 1. Направления переработки бурых углей
ВОСК 60 кг
Гуминовые вещества 300 кг
Комплексные органоминеральные гуматные удобрения, кормовые добавки, биостимуляторы, ионообменные вещества
Гидролиз
4 *
Кормовые Ко^октивит дрожжи (сульф°т°рф -
200 кг
адсорбент) 300 кг
Рис. 2. Переработка торфа [2]
116
практически в неизмененном виде. Отказ от применения высоких температур и пиролиза при переработке ТГИ методом экстракции способствует наибольшей сохранности природного потенциала торфов и углей, исключает разрушение целевых продуктов - экстракционных восков, смол, гуминовых веществ. Сырой буроугольный или торфяной воск (синонимы: горный воск, монтан-воск) представляет из себя смесь собственно восковых компонентов и смол. Содержание тех и других составляющих колеблется в широких пределах в зависимости от многих факторов - применяемых при экстракции растворителей, условий экстракции, видов сырья и др. [1]. Восковая часть представлена, главным образом, сложными эфирами высших жирных одноосновных кислот (С16-С32 и выше) и высокомолекулярных одноатомных (редко двухатомных) спиртов с четным числом атомов углерода. В зависимости от природы объекта, из которого извлекался воск, а также параметров экстракции, химический состав восковой части и смол может изменяться в широком диапазоне. Все видовое многообразие восков по производственному критерию можно свести к следующим основным типам:
• исходный, или сырой воск, представляющий собой экстракт, извлеченный органическими растворителями из бурого битуминозного угля или торфа;
• обессмоленный воск, полученный путем удаления из сырого воска смолистой части;
• рафинированный воск, т.е. осветленный, полученный из обессмоленного воска;
• этерифицированный воск, полученный путем этерификации рафинированного воска моно-, ди- или полиатомными спиртами или их смесями.
Благодаря ряду ценных свойств горный воск и продукты его переработки применяются более чем в 200 отраслях промышленности: в литейном производстве, в изготовлении полирующих и защитных композиций для различных покрытий, в бумажной, кожевенной промышленности, в косметике, медицине, в бытовой химии и многих других. Стоимость одной тонны горного воска-сырца достаточно высока и составляет около 3000 €. По мере переработки сырого воска в более квалифицированные продукты - обессмоленные, рафинированные, этерифицированные воска - его стоимость значительно увеличивается [1].
117
Смолистые вещества в настоящее время считаются отходом производства обессмоленного воска. Однако, в свою очередь, могут применяться в производстве антикоррозионных покрытий, антиокислительных и полифункциональных присадок к смазочным маслам, в консервационных составах, в качестве флотореагентов. Привлекает внимание возможность выделения из экстракционных смол торфов и бурых углей фракций углеводородов, обладающих высокой биологической активностью (терпеновые и стериновые соединения) с перспективой их применения в медицине, сельском хозяйстве и парфюмерно-косметической промышленности.
Гуминовые вещества:
р12Н21°2
СООН НООС
СО—N—СзЩСЬ
содержатся в больших количествах в торфах, бурых углях, окисленных и выветрившихся каменных углях. Причина интереса к гу-миновым веществам - наличие у них разнообразных специфических свойств, открывающих возможности их широкого практического использования во многих областях. Наибольшее внимание в настоящее время привлекает возможность создания на основе гу-миновых веществ следующих препаратов:
• биостимуляторов для сельского хозяйства;
• сорбционных и ионообменных материалов, которые представляют практический интерес в качестве сорбентов металлов из сточных вод, при дезактивации радиоактивных вод, для извлечения металлов из бедных руд; возможно приготовление очень широкого класса новых высокоактивных недорогих ионитов;
• комплексных гуматных удобрений и материалов для рекультивации земель;
• реагентов для регулирования реологических свойств водных суспензий и растворов (для бурения скважин, производства строительной керамики, приготовления водоугольного топлива -ВУТ);
• красителей для древесины, картона и технической бумаги;
118
• связующего для брикетирования.
В Институте угля и углехимии СО РАН нами ведется работа по повышению эффективности экстракционной переработки бурых углей и торфов посредством их химической модификации алкили-рованием [3-6]. Алкилирующее воздействие на органическую массу угля и торфа является одним из самых эффективных способов увеличения выхода воска и экстракционных смол. Наиболее подходящие объекты для такого вида модификации - торф, бурые угли, каменные угли низких стадий метаморфизма и их окисленные формы, ресурсы которых в Кузбассе весьма значительны.
Нами достигнуто кардинальное увеличение выхода воска -втрое превышающее его выход из природного сырья. Кроме того, в экспериментах с торфом Крапивинского месторождения Кемеровской области отмечено четырехкратное увеличение выхода восковой фракции.
Впервые нам удалось модифицировать и экстрагировать сырье в одну стадию в мягких технологических условиях (температура до 120 0С, атмосферное давление), исключающих термическое разрушение целевых продуктов. Наш способ выгодно отличается применением недорогих реагентов и технологической гибкостью (рис. 3). По своим физико-химическим характеристикам полученный из алкилированно-го угля воск представляет из себя высококачественный продукт, сравнимый с различными марками этерефицированного или растительного (карнаубского) воска. Следует отметить, что традиционно в промышленности этерифицированные воски получаются в результате многостадийной переработки сырого горного воска (табл. 1).
В результате алкилирования углей и торфа повышается выход и других ценных продуктов - смол (в 2-3 раза) и гуминовых веществ (на 20 %). Предварительное алкилирование может улучшать характеристики не только восков, но и целой гаммы продуктов, получаемых из смол, гуминовых веществ и остаточного материала, направления использования которых изложены выше.
Примерный расчет экономической эффективности первичной переработки торфа или бурого угля с применением модифицирования мощностью по сырью 20 000 т в год показал следующее (табл. 2).
119
УГОЛЬ, ТОРФ
РЕАГЕНТЫ, КАТАЛИЗАТОР
Разделение на
твердую и жидкую фазы (центрифугировани
е, вакуум -фильтрация и тп.)
Отмывка жидкой фазы от
катализатора
Аммиачная вода, 1Ч,К, микроэлементы (2п, Си, Со, Мо, В)
Фосфат кальция
(удобрение)
Разделение на восковую и смоляную фракции,
V V
а
Гранулирование и сушка
на топливные брикеты, ВУТ, газификацию, сульфоуголь, адсорбенты, терморастворение
Воск
Смола
Комплексные гранулированные
гуматные удобрения (кггу)
Рис. 3. Блок-схема технологии получения восков, смол, гуминовых препаратов из бурого угля и/или торфа
Таблица 1
Сравнительные характеристики восков
Выход воска, % Температура Нераствори- Содер- Кислотное Число омы-
на органиче- каплепаде- мые в бензи- жание число, мг ления, мг
скую массу ния, 0С не, % смол, % КОН/г КОН/г
Предлагаемый способ
8,6 78 нет нет 1-2 53,0
27 84 0,3 5,8 97 140
Традиционный способ
4,0 82 0,3 18,7 26,5 81,0
Карнаубский воск
1 86-88 нет 1 нет 2 1 75-80
Этерифицированный воск марки E фирмы BASF, ФРГ
1 82-84 нет | нет 17-25 1 158-178
Таблица 2
Некоторые экономические показатели производства горного воска и гуматных продуктов
Показатель Значение
Объем капитальных вложений, затраты на НИОКР, оборотные средства 7,6 млн. €
Текущие расходы 10,4 млн. €
Годовой объем реализуемой продукции 14 млн. €
Прибыль в год 3,6 млн. €
Рентабельность до налогообложения (14-10,4) / 7,6 х 100% 47 %
Срок окупаемости 2,5 года
Расширение предложенного ассортимента выпускаемой продукции существенно увеличит рентабельность проектируемого производства. Например, дальнейшая переработка твердого остатка жидкофазным окислением позволит выпускать ряд дополнительных продуктов, имеющих стабильный спрос на рынке: карбо-новые кислоты, фталевый ангидрид и его эфиры, пиромеллитовый диангидрид. Предложение по разработке проекта, основанного на данных научно-технологических решениях, подано в Кузбасский Технопарк.
Твердый остаток угля или торфа после извлечения экстракционных веществ - сырье для полукоксования, газификации, ожижения, энергетики, а также для получения редких элементов, строительных материалов, недорогих адсорбентов, ионообменных материалов. Схема комплексной переработки твердого остатка и/или бурого угля и торфа представлена ниже (рис. 4).
121
Рис. 4. Направления переработки твердого остатка после экстракции воска, смол, гуматов и области применения продуктов
Угольные шламы
Обезвоживание
И
Е
Брикетирование
и
с
Товарная продукция - магнетит и брикеты
Мощность : по брикетам 41 000 т/год по магнетиту 2000 т/год
Кап. вложения 1.9 млн. € Прибыль в год 1.2 млн.€
Рентабельность до налогообложения 64% Срок окупаемости - менее 2 лет
Wtr Wa Ad Vdaf Hdaf V
7 -9 1,1 24,1 23,0 83,2 5,8 0,2
Низшая теплота сгорания Qir = 5800 ккал/кг
или 24244 кДж/кг
Предложение по проекту подано в ТЕХНОПАРК
Рис. 5. Предложение по обезвоживанию и брикетированию угольных шламов
Другое направление комплексного подхода к сырьевым ресурсам - обезвоживание и брикетирование шламов, тесно связанное с реабилитацией техногенных территорий Кузбасса. Решение этой задачи предлагается осуществить в виде технологического комплекса следующего состава. Во-первых, предполагается выработать технологические решения и создать установку по обезвоживанию шлама, во-вторых, обезвоженный шлам направить на брикетирование. Схема технического решения и характеристики полученных брикетов представлены на рис. 5.
Кроме того, в ходе проведенных в Институте работ с применением гуматного стабилизатора получена стабильная водоугольная суспензия (срок хранения более 30 суток) с концентрацией твердой фазы до 65 %, вязкостью 2000 сП при скорости сдвига 10 сек-1 и 1500 сП - при 100 сек-1. Эти параметры соответствуют условиям хранения, доставки до места использования и распыления при сжигании.
Таким образом, проведенные в Институте исследования могут послужить основой создания ряда комплексных технологий переработки нетрадиционных для Кузбасса ресурсов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белькевич П.И., Голованов Н.Г., Долидович Е.Ф. Битумы торфа и бурого угля.- Мн.: Наука и техника. 1989. с.125.
2. Лиштван И.И., Базин Е.Т., Гамаюнов Н.И., Терентьев А.А. Физика и химия торфа: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Недра. 1989. с. 304.
3. Способ получения буроугольного воска: А.с. СССР № 1675321 от 08.05.91г. /Лозбин В.И., Липович В.Г., Жеребцов С.И., Ткаченко П.В./ Бюллетень "Открытия и изобретения". М. 1991. № 33. С. 95.
4. Жеребцов С.И. Модифицирование бурого угля метанолом. // Химия твердого топлива. 1997. № 4. С. 32-34.
5. Жеребцов С.И. Нетопливное использование Итатского бурого угля // Материалы Международной научно-технической конференции "Опыт и перспективы наукоемких технологий в угольной промышленности Кузбасса". Кемерово. 1998. С. 258-262.
6. Способ переработки твердых горючих ископаемых: Заявка № 2007104656/04(005017). Дата подачи заявки 06.02.2007. \ГШ
— Коротко об авторах -
Жеребцов С.И., Моисеев А.И. - Институт угля и углехимии СО РАН.
124
