Нетрадиционные технологии получения конкурентноспособных продуктов из угля Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО; ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

МОСКВЛ> ШГГУ 29.01.96 * 2,02.96 г

Ю. В. ДЕМИДОВ Институт ".КАТЭКНИИуголь г. Красноярск, Россия

Нетрадиционные технологии получения конкурентоспособных продуктов из угля

Переход к рыночным отношениям выдвигает необходимость рационального использования топливно-энергетических ресурсов. Запасы разнообразных по качеству углей России делают возможным обеспечение твердым топливом энергетического комплекса страны. Заметную роль в выходе этого комплекса из кризисного состояния может сьнрать Канско-Ачин-ский бассейн, который, в отличие от известных на сегодня перспективных топливно-добывающих баз, имеет значительно лучшие условия разработки - мощные до 90м пласты почти горизонтального залегания при коэффициенте вскрыши 0,5 - 2,5 м3/т, без заметного ухудшения в течении длительного периода развития (более 100 лет). Сочетание благоприятных условий с наличием огромных балансовых запасов углей - более 112 млрд.т, пригодных к разработке прогрессивным открытым способом, определили во всех ранее принятых программах и планах создание крупнейших 40-60 млн. т/год высокомеханизированных разрезов, обеспечивающих высокие удельные экономико-экологические показатели на тонну условного топлива. Низкая зольность канско-ачинских углей (8-12%), незначительное содержание серы (0,3-0,5%), а также отсутствие других вредных элементов, в том числе и естественных радионуклидов, при относительно высокой теплоте сгорания рабочего топлива (15,1-15,9 Мдж/кг) позволяют весьма эффективно использовать его для получения тепла и электроэнергии, причем себестоимостью в 3-4 раза ниже отраслевой.

Вместе с тем, в условиях ориентации регионов на самобаланс ранее принятая стратегия использования канско-ачинских углей на местах их добычи за счет строительства большого (до 27 штук) количест-

ва ТЭС оказалась нереальной. Уже сегодня возникли серьезные диспропорции в развитии угольной части КАТЭКа и предприятий, использующих канско-ачинские угли. Это прежде всего касается разреза ’’Березовский-1" и Березовской ГРЭС.

Обеспечение надежной работы разрезов и вовлечение добытых канско-ачин-ских углей в народное хозяйство других регионов России требуют своевременного решения вопроса гарантированного вывоза этих углей. Однако рост затрат на транспортирование и трудности с передачей электроэнергии на большие расстояния делают проблематичным и этот вопрос. Кроме того, традиционная ориентация использования канско-ачинских углей только на сжигание в энергетических целях значительно снижает их ценность и сферы возможного применения.

Уменьшение зависимости работы угледобывающих предприятий от работы объектов тепло- и электроэнергетики, а также обеспечение конкурентоспособности продукции и стабильное развитие Кан-ско-Ачинского бассейна возможно за счет развития подотрасли глубокой переработки, в том числе за счет фазового преобразования углей, создания углепроводных систем для транспортирования угля в виде суспензий. В преимуществах технологии фазового преобразования одними из важных (кроме топливных) являются аспекты:

• сельскохозяйственный, в направлении получения органо-минеральных удобрений, в том числе из некондиционных углей и отходов угледобычи;

• социальный, в направлении создания высокоэффективного производства за счет снижения загрязнения окружающей

ГГ7Г

шЫк тяшшш

і о'; "--.;

среды, улучшения экологической ооста-новки в бытовых и производственных условиях.

В основе нетрадиционных чистых технологий получения и использования в качестве топлива и химического сырья суспензий лежит близость физико-технических характеристик угля и нефти. Угольная суспензия обладает рядом преимуществ, присущих жидким видам топлив, и такими специфическими свойствами, как высокая текучесть, незначительная окис-ляемость при транспортировании и хранении, способность устойчиво сгорать в незначительном объеме воздуха с пониженным образованием оксидов азота и серы и образовывать зольные агломераты при сгорании, тем самым снижая выбросы золы в атмосферу.

Получение высококонцентрированной водоугольной суспензии из каменных углей освоено в промышленных масштабах. Из рядовых углей пластов Грамотеинский-2, Сычевский-1 и Сычевский-2 шахты "Инекая", поставляющей исходное сырье на опытно-промышленный углепровод Бе-лово-Новосибирск, получены стабильные ВУС с концентрацией на сухую массу 56-62% при зольности исходного угля 10-18 %. Удельная теплота сгорания при этом составила 11,7 - 12,1 Мдж/кг. Как альтернативная дефицитному кузнецкому углю получена высококонцентрированная суспензия из бурых углей Березовского и Бородинского месторождений: при исходной влажности 33%, обработке в стержневой или цильпебеной и шаровой мельницах и в гомогенизаторе достигнута концентрация по сухому веществу 42-50% с удельной теплотой сгорания 9,2 - 10,5 Мдж/кг, т.е. на 14-21 % ниже, чем у ВУС из каменных углей.

Концентрация угля Ст, содержание мелких фракций угля (0-0.02мм), а также степень метаморфизма в конечном итоге определяют реологические свойства ВУС. Зависимость структурной вязкости /гст и динамического напряжения сдвига та определяется от содержания мелких частиц в угольной массе С * Ст -Со-о,2 где Ст - % , Со-о,02 - в долях единицы:

- для бурых углей

^ап~ е*(-12,31 + 0,282*С )

т0 = е-(-5,39+0,201 С)

- для каменных углей

(Лет = е • (-8,57+0,174 - С)

х0 - е-( - 3,48 + 0,135 С )

Рост /лст и г0 приводит к потере текучести, поэтому в случае с ВУС из бурого угля

- для повышение его концентрации, а следовательно удельной теплоты сгорания, потребуются дополнительные энергозатраты на гидротранспортирование.

Наиболее перспективной в таком случае представляется водоугольная суспензия на основе смеси бурых углей Канско-Ачинского бассейна и антрацитов, в частности, Горловского бассейна Новосибирской области.

Приготовление суспензии из антрацита и бородинского угля в разных соотношениях позволило увеличить массовую долю твердого до 57 % в отличии от ВУС, приготовленной на одном бородинском угле с массовой долей твердого 50%. При этом теплота сгорания суспензии выросла на 20,9%. Даже минимальное добавление антрацита в объеме 5 % к бородинскому углю позволило повысить массовую долю твердого на 2,4-4,8% и соответственно увеличить теплоту сгорания на 3,6-8,4 %. Аналогичные зависимости дали исследования суспензий из смеси углей Березовского месторождения и антрацита (табл.1).

Оптимальными показателями характеризуются суспензии с содержанием антрацита 10-25% и концентрацией твердого 50-55%, которые стабильны при хранении и пригодны для перекачивания насосами. Фазовое преобразование угля путем прямой биологической трансформации позволяет получить суспензию, пригодную для транспортирования по трубопроводам, не только на промышленных установках, но и непосредственно в угольном массиве. Ис-ледования по сжиганию ВУС, полученных путем биопереработки бурого угля, показали, что основные процессы - выгорание летучих и горение коксового остатка про-

текают активнее и быстрее, чем для ВУС на основе березовского угля, полученной обычным способом и в два раза быстрее, чем для ВУС на основе кузнецкого угля марки Д. Это можно рассматривать, как свидетельство повышения химической активности угольного вещества в процессе его биотрансформации.

Трансформация угольного блока в суспензию разделяется на три стадии. Первая

- индукционный период, когда микроорганизмы и их метаболиты проникают внутрь блока, разрушая структуру угля и снижая его механическую прочность. Вторая стадия собственно диспергирование угля в жидкой фазе, образование суспензии. Третью стадию можно определить как своего рода "равновесное состояние", суспензия достигает насыщения, и содержание твердого вещества в жидкой фазе остается постоянным. В зависимости от температуры процесса и вида угля максимальное содержание твердого вещества в суспензии составляло 38-42% по массе. Такая суспензия после концентрации в центрифуге пригодна для прямого сжигания (табл.2).

Стадии получения суспензии непосредственно в пласте угля подтверждены и дальнейшими исследованиями по регулированию процесса биоконверсии на лабораторных и промышленных установках (рис.1).

О (мг/мл)

6 12 18 24 30 Зв 42 43 54 60 68 72 7д

Рис.1 Динамика роста суммы штаммов при биопереработке углей

На определенных промежутках при биоконверсии углей с применением штаммов микроорганизмов: № 1 - Pseudomonas denitrificans, № 3 - Acinetobacter calcoaceticus, №2- Pseudomonas longa выделяются ферменты фенолоксидазы, игра-

ющие важную роль в окислительно-восстановительных процессах гумусообразо-вания, а также оксидаза, пероксидаза, кси-лаза, кислая и щелочная фосфатаза. Накопление выделенных ферментов меняется при подборе состава питательной среды для инокулята, условий культивирования (скорость подачи кислорода, температура, значение pH, время). Первая стадия роста культур (1-3 часа) характеризуется резким увеличением концентрации до содержания 0,1-0/25 мг/мл, далее процесс стабилизируется на 15-20 час. до времени 1Ну после чего происходит интенсивный рост концентрации (формула Д> -...), далее период «50 часов. Динамика роста культур при оптимальных условиях {pH- 7, обороты импеллера п =160 об/мин) описывается зависимостью (после развития до момента

и)’-

£>0 - 1 - 11еа *° или В0 = 1 - ехр (~а‘ Й)

где Оа - относительное содержание культур, й0 = /у

- содержание в /-и час;

Ом - максимальное содержание, мг/мл

t0 - относительное время роста;

(н -начальное время роста (для различных штаммов 21 час, при их коллективном росте 18 час.); а и Ь - эмпирические коэффициенты,

равные соответственно: штамм №

1 - 0,1 и 5; штамм № 2 - 0,06 и 4,5; штамм № 3 - 0,055 и 3,5. Коллективный рост штаммов - 0,13 и 5,5.

На основе выявленных зависимостей в процессе биоконверсии углей представляется возможность направленного получения продуктов переработки (рис.2): связующее для брикетов, биогаз с содержанием СН4 - 57-81% экологически чистое удобрение, исключающее возможность передозировки, материал для обезвреживания органических отходов, сорбенты и др.

Кроме того установлено, что маслоугольные пасты, приготовленные на углях, подвергнутых биопереработке, гидрируются с высокой скоростью при более мягких условиях, чем пасты, приготовленные на обычных углях. И хотя расход водорода

на гидрирование возрастает из-за увеличения содержания окисленных продуктов в перерабатываемой пасте, снижение температуры и давления процесса и существенное возрастание степени конверсии угля в жидкие продукты полностью компенсируют все потери. Можно полагать, что сочетание биотехнологии и механохимии приведет к новой отрасли промышленной переработки угля с основным выходом на получение синтетического жидкого топлива.

ТАБЛИЦА 1

Характеристики ВУС из смеси антрацита и бурого угля

| Уголь, % Массовая доля твердого, Реологические характеристики

А Б % /І0, Па'с ' %Па Удельная теплота сгорания, 0 . Мдж/кг

1 о 100 43*46 - - 9,5-11.1

5 95 50,0 4.1 5,3 12,0

49,3 2,6 1,6 11,8

I 48,6 1.74 0,4 11,6

25 75 54,2 2,46 8.2 13,3

52,3 1,02 3,0 12,8

50,4 0,41 0.9 12,2

50 50 60,4 3,1 40,0 15,4

57,9 1,6 10,4 14,6

56,0 1.4 6.4 14,1

.... 75 25 62,9 2.5 45,0 16,2 |

59,5 1.2 9,8 15,1

57,7 0,75 4,8 14,6

ТАБЛИЦА 2

Характеристики топливных биосуспензий

Анализируемый материал Влажность рабочая. % Зола рабочая, % Летучие. % Низшая теплота сгорания, Мдж/кг

Разрез "Бородинский”

Исходный уголь 32 9,3 47 13,57

Отцентрифугированная суспензия 38 8.5 49,1 13,03

Разрез "Назэровский"

Исходный уголь 37 13,2 48 13,4

I Отцентрифугированная суспензия 39 11,8 49,5 12,8

© Ю. В.Демидов

■і

Рис. 2 Направленное получение биопродуктов