CC BY
4
Оригинальная статья
УДК 662.749.33 © Т.Г. Черкасова, А.В. Неведров, А.В. Папин, 2023
Термическое растворение каменных углей Кузбасса*
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2023-12-108-111 -
ЧЕРКАСОВА Т.Г.
Доктор хим. наук, профессор, директор Института химических и нефтегазовых технологий ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: ctg.htnv@kuzstu.ru
НЕВЕДРОВ А.В.
Канд. техн. наук, доцент,
доцент Института химических и нефтегазовых технологий ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: nevedrov@kuzstu.ru
ПАПИН А.В.
Канд. техн. наук, доцент,
доцент Института химических и нефтегазовых технологий ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: pav.httt@kuzstu.ru
ноц
КУЗБАСС
Научно-образовательный центр «Кузбасс»
В статье рассматривается процесс термического растворения каменных углей Кузбасса марок Г, ГЖ и Ж в антраценовом масле (антраценовой фракции каменноугольной смолы). Целевыми продуктами данного процесса являются пекоподобные продукты. Были получены лабораторные образцы пекоподоб-ных продуктов при варьировании марки каменного угля и конечной температуры процесса. Температура варьировалась в интервале 370-390°С. Для приготовленияуглемасляной смеси использовалось соотношение 30% каменного угля и 70% антраценового масла. Были исследованы качественные характеристики полученных лабораторных образцов пекоподоб-ных продуктов.
Ключевые слова:уголь, антраценовое масло, пекоподобный продукт, пек, термическое растворение, углеродные волокна. Для цитирования: Черкасова Т.Г., Неведров А.В., Папин А.В. Термическое растворение каменных углей Кузбасса // Уголь. 2023. № 12. С. 108-111. DOI: 10.18796/0041-5790-2023-12-108-111.
ВВЕДЕНИЕ
Пек представляет собой вязкоупругий материал, содержащий сложную смесь полициклических, ароматических и гетероциклических соединений. Он обладает высокой коксующей и спекающей способностью и низкой вязкостью в расплавленном состоянии, что обусловливает высокий уровень физико-механических свойств получаемых из него различных углеродных материалов [1].
Пек обычно классифицируют по его температуре размягчения, которая является наиболее значительным физическим свойством, влияющим на различные характеристики углеродных материалов на основе пека, такие как электрическая и теплопроводность, механическая прочность и свойства пор. Следовательно, температуру размягчения следует регулировать, чтобы применять пек для получения различных углеродных материалов [2].
Пек является важнейшим сырьевым компонентом для целого ряда высокотехнологичных уникальных продуктов для электродной промышленности, производства углеродных волокон, углеграфитовых, конструкционных, полупрово-
* Исследование выполнено за счет гранта Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2022-1193).
дниковых материалов, авиа- и ракетостроения [3, 4]. Потребности в каменноугольном пеке непрерывно увеличиваются в различных отраслях промышленности. Основной потребитель продукции из пеков - алюминиевая отрасль.
Для производства крупнотоннажных электродных масс и многих видов современных углеродных материалов в качестве основного связующего применяется каменноугольный пек. Качество пеков оценивается такими показателями, как выход летучих веществ, зольность, а также групповой состав, оцениваемый по растворимости в различных органических растворителях: по содержанию веществ, растворимых в петролейном эфире ^-фракция), растворимых в толуоле, но не растворимых в петролейном эфире ф-фракция) и не растворимых в толуоле (а-фракция). В свою очередь, а-фракция подразделяется на растворимую в хинолине (а2-фракция) и не растворимую в хино-лине (а1-фракция). Групповой состав во многом определяет такие технологические свойства пека, как температура размягчения, динамическая вязкость, текучесть при определенной температуре, коксуемость и выход коксового остатка [5].
Основным источником получения пеков является каменноугольная смола. В связи с тем, что ресурсы каменноугольной смолы ограничены мощностями коксохимических производств, то и объемы возможного производства каменноугольного пека также весьма ограничены [6, 7]. В настоящее время отечественная коксохимическая промышленность не обеспечивает и половины ее потребностей в пеке. Каменноугольный пек производят только пять промышленных предприятий: АО «ЕВРАЗ ЗСМК», ОАО «ММК», ОАО «Алтай-кокс», ОАО «Губахинский кокс», ПАО «Северсталь». Дефицит покрывается поставками в основном из Китая и Казахстана.
Возрастающий спрос на пек приводит к возникновению его дефицита и росту цен на него, что заставляет искать новые пути увеличения ресурсов пека. В связи с этим актуальной задачей становится разработка альтернативных способов получения пековых продуктов [8, 9, 10, 11, 12, 13].
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ
Особый интерес представляет способ получения пека методом термического растворения углей в «мягких» условиях при температуре начала деструкции органической массы угля и при давлении в несколько атмосфер. Мягкие условия проведения процесса обусловливают более простое технологическое оформление и легкость управления процессом. При этом в получаемом продукте сохраняется потенциал мезогенности, заложенный в пластиче-
ской массе угля. Это делает его очень ценным сырьем для многих отраслей промышленности. До недавнего времени высококипящие фракции, получаемые при термическом растворении углей, не рассматривались в качестве целевых продуктов, поскольку данный процесс был ориентирован на получение жидких продуктов энергетического назначения.
При термическом растворении твердых горючих ископаемых происходят распад их органической массы и образование низкомолекулярных соединений, переходящих в раствор и газовую фазу [8]. Каменные угли по растворимости в органических растворителях располагаются в следующей последовательности: Г, Д, Ж, К, антрацит.
Одним из наилучших органических растворителей каменных углей является антраценовое масло. Его высокая растворяющая способность связана с присутствием в его составе доноров водорода (аценафтена, дигидроантраце-на, флуорена, карбазола), переносчиков водорода (фенан-трена, флуорантена), а также соединений с сольватирую-щими свойствами (хинолина, индола, фенола) [1].
В ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» были проведены исследования по термическому растворению каменных углей Кузбасса в органическом растворителе с целью получения пекоподобных продуктов. Исследования проводились на лабораторной установке, описанной в предыдущих работах [14].
В ходе исследований изучалось влияние марки каменных углей и температуры процесса на качество получаемых пекоподобных продуктов термического растворения углей. В качестве органического растворителя применялась антраценовая фракция каменноугольной смолы (антраценовое масло).
В качестве исходного угольного сырья использовались концентраты углей Кузбасса марок Г, ГЖ и Ж. Образцы угольных концентратов подвергались исследованиям по определению следующих показателей их качества: содержание влаги на рабочее состояние угля ЦГ1Г, %; зольность на сухое состояние угля А6, %; выход летучих веществ на сухое беззольное состояние угля Уа/, %; индекс вспучивания угля Ив, мм; толщина пластического слоя угля У, мм; пластометрическая усадка Х, мм; отражательная способность витринита Я0, %; содержание витринита, V , %. Результаты исследований представлены в табл. 1.
Исходный высушенный и измельченный уголь смешивался с антраценовым маслом в соотношении 30/70 до однородного пастообразного состояния. Полученная угле-масляная смесь после взвешивания загружалась в реактор, где осуществлялся процесс термического растворе-
Таблица 1
Показатели качества угольных концентратов
Quality indicators of coal concentrates
Марка угля W, % Ad, % VW, % И, мм в У, мм X, мм R, % О* V, %
Г 7,8 7,0 43,8 123 14 25 0,711 93
ГЖ 9,1 8,5 33,9 132 19 42 0,799 92
Ж 7,2 8,4 29,4 131 31 4 0,996 94
Таблица 2
Качественные характеристики пекоподобных продуктов терморастворения каменных углей
Qualitative characteristics of pitch-like products of black coal thermal dissolution
Марка угля Конечная температура процесса, градус Выход продукта, % Температура размягчения, Тразм/ градус А d,% Vd, % а-фракция (н/т), % а1-фракция (н/х), %
Г 370 70,3 70 2,5 74,2 38,9 5,8
390 71,6 65 1,5 76,4 32,7 3,9
ГЖ 370 73,4 69 1,9 73,8 30,4 6,1
390 71,5 63 1,4 74,3 27,6 4,0
Ж 370 72,0 58 1,7 70,7 29,2 8,4
390 71,5 61 1,4 71,0 26,5 7,2
ния угля при конечных температурах процесса 370-390°С. Образовавшийся пекоподобный продукт охлаждался и взвешивался на весах.
Полученные образцы пекоподобных продуктов подвергались исследованию для определения следующих качественных характеристик: зольность Ad , выход летучих веществ Vd, температура размягчения Тразм, содержание а-фракции (веществ, не растворимых в толуоле), содержание а1-фракции (веществ, не растворимых в хинолине). Данные характеристики представлены в табл. 2.
Из представленных в табл. 2 результатов исследований выявлено, что наибольший выход пекоподобных продуктов достигается при термическом растворении каменных углей марок ГЖ и Ж. Это связано с тем, что данные марки углей имеют повышенное содержание пластической массы, характеризуемой показателем толщины пластического слоя угля У. Марка угля также оказывает существенное влияние на фракционный состав пекоподобных продуктов.
Конечная температура процесса терморастворения также оказывает влияние на фракционный состав пекоподобных продуктов и на температуру их размягчения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, варьируя сырьем и технологическими факторами процесса термического растворения каменных углей, возможно получать пекоподобные продукты разного качества, соответствующего требованиям к пекам для разных производств углеродных материалов.
Список литературы
1. Терморастворение углей ряда метаморфизма в среде антраценовой фракции смолы коксования / П.Н. Кузнецов, Н.В. Перми-нов, Л.И. Кузнецова и др. // Кокс и химия. 2019. № 4. С. 27-35.
2. Угапьев А.А., Дошлов О.И. Нефтяной пек дезинтегрированный -альтернативное связующее для анодов нового поколения // Вестник ИрГТУ. 2013. № 6. С. 151-156.
3. Коротеева Л.И. Технология и оборудование для получения волокон и нитей специального назначения. М.: ИНФРА-М, 2019. 288 с.
4. Андрейков Е.И., Сафаров Л.Ф., Цаур А.Г. Получение нефтекамен-ноугольного пека совместной дистилляцией каменноугольной смолы и тяжелого газойля на смолоперерабатывающей установке АО «Губахинский кокс» // Кокс и химия. 2016. № 3. С. 59-64.
5. Optimisation of the melt-spinning of anthracene oil-based pitch for isotropic carbon fibre preparation / N. Diez, P. Alvarez, R. Santamaria et al. // Fuel Processing Technology. 2012. Vol. 93. P. 99-104.
6. Губанов С.А., Букка А.А., Иващенко Е.Ю. Технологические особенности производства каменноугольного пека из низкопиро-лизованных каменноугольных смол и варианты совершенствования процесса // Кокс и химия. 2017. № 11. С. 37-42.
7. Обзор рынка каменноугольной смолы в СНГ. 2019. [Электронный ресурс]. URL: https:// infomine.ru>files/catalog/185/file_185. pdf (дата обращения: 15.11.2023).
8. Получение альтернативных пеков из углей / П.Н. Кузнецов,
E.Н. Маракушина, Ф.А. Бурюкин и др. // Химия в интересах устойчивого развития. 2016. № 24. С. 325-333.
9. Русьянова Н.Д. Углехимия: научное издание. М.: Наука, 2003. 320 с.
10. Методы получения угольных пеков / П.Н. Кузнецов, Л.И. Кузнецова, Ф.А. Бурюкин и др. // Химия твердого топлива. 2015. № 4. С. 16-29.
11. Solution of coking coal in the anthracene fraction of coal tar at PAO Koks / I.S. Vetoshkina, V.S. Solodov, T.G. Cherkasova et al. // Coke and Chemistry. 2019. Vol. 62. No 6. P. 245-248.
12. Investigation on chemical and structural properties of coal- and petroleum-derived pitches and implications on physico-chemical properties (solubility, softening and coking) / C. Russo, A. Ciajolo,
F. Stanzione et al. // Fuel. 2019. Vol. 245. P. 478-487.
13. Mathews J.P., Burgess-Clifford C., Painter P. The interactions of illinois No 6 bituminous coal with solvents: a review of solvent swelling and extraction literature // Energy and Fuels. 2015. Vol. 29. P. 1279-1294.
14. Черкасова Т.Г., Неведров А.В., Папин А.В. Исследование процесса термического растворения угля марки Г // Кокс и химия. 2023. № 6. С. 69-72.
COAL PREPARATION
Original Paper
UDC 662.749.33 © T.G. Cherkasova, A.V. Nevedrov, A.V. Papin, 2023
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2023, № 12, pp. 108-111 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2023-12-108-111
Title
THERMAL DISSOLUTION OF KUZBASS BLACK COALS Author
Cherkasova T.G., Nevedrov A.V., Papin A.V.
1 T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation
Authors Information
Cherkasova T.G., Doctor of Chemistry Sciences, Professor, Director of Institute of Chemical and Oil and Gas Technologies, e-mail: ctg.htnv@kuzstu.ru
Nevedrov A.V., PhD (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Institute of Chemical and Oil and Gas Technologies, e-mail: nevedrov@kuzstu.ru
Papin A.V., PhD (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Institute of Chemical and Oil and Gas Technologies, e-mail: pav.httt@kuzstu.ru
Abstract
The article discusses the process of thermal dissolution of Kuzbass coal grades G, GJ and W in anthracene oil (anthracene fraction of coal tar). The target products of this process are baking-like products. Laboratory samples of baking-like products were obtained by varying the grade of coal and the final temperature of the process. The temperature varied in the range of 370-390 °C. A ratio of 30% coal and 70% anthracene oil was used to prepare the coal-oil mixture. The qualitative characteristics of the obtained laboratory samples of baking-like products were investigated.
Keywords
Coal, Anthracene oil, Pitch-like product, Pitch, Thermal dissolution, Carbon fibers.
References
1. Kuznetsov P.N., Perminov N.V., Kuznetsova L.I., Kolesnikova S.M., Kamen-sky E.S., Pavlenko N.I. & Fetisova O.Yu. Thermal dissolution of coals of a series of metamorphism in the medium of anthracene fraction of coking resin. Koks ihimiya, 2019, (4), pp. 27-35. (In Russ.).
2. Ugapyev A.A. & Doslov O.I. Disintegrated petroleum pitch - an alternative binder for new generation anodes. Vestnik IrSTU, 2013, (6), pp. 151-156. (In Russ.).
3. Koroteeva L.I. Technology and equipment for the production of fibers and threads for special purposes. Moscow, INFRA-M Publ., 2019. 288 p. (In Russ.).
4. Andreikov E.I., Safarov L.F. & Tsaur A.G. Obtaining of oil-coal pitch by joint distillation of coal tar and heavy gas oil at the resin processing plant of Gubakhinsky Coke JSC. Koks ihimiya 2016, (3), pp. 59-64.
5. Diez N., Alvarez P., Santamaria R., Blanco C., Menendez R. & Granda M. Optimisation of the melt-spinning of anthracene oil-based pitch for isotropic carbon fibre preparation. Fuel Processing Technology, 2012, (93), pp. 99-104.
6. Gubanov S.A., Bukka A.A. & Ivashchenko E.Yu. Technological features of the production of coal pitch from low-pyrolyzed coal tar and options for improving the process. Koks ihimiya, 2017, (11), pp. 37-42. (In Russ.).
7. Overview of the coal tar market in the CIS. 2019. [Electronic resource]. Available at: https:// infomine.ru>files/catalog/185/file_185.pdf (accessed 15.11.2023). (In Russ.).
8. Kuznetsov P.N., Marakushina E.N., Buryukin F.A. & Ismagilov Z.R. Obtaining alternative pitches from coal. Himiya v interesakh ustojchivogo pazvitiya, 2016, (24), pp. 325-333. (In Russ.).
9. Rusyanova N.D. Coal chemistry: scientific edition. Moscow, Nauka Publ., 2003, 320 p. (In Russ.).
10. Kuznetsov P.N., Kuznetsova L.I., Buryukin F.A., Marakushina E.N. & Frizorger V.K. Methods of obtaining coal pitches. Himiya tverdogo topliva, 2015, (4), pp. 16-29. (In Russ.).
11. Vetoshkina I.S., Solodov V.S., Cherkasova T.G., Subbotin S.P., Vasileva E.V. & Nevedrov A.V. Solution of coking coal in the anthracene fraction of coal tar at PAO Koks. Coke and Chemistry, 2019, Vol. 62, (6), pp. 245-248.
12. Russo C., Ciajolo A., Stanzione F., Tregrossi A., Oliano M.M., Apicella B. & Carpentieri A. Investigation on chemical and structural properties of coal- and petroleum-derived pitches and implications on physico-chemical properties (solubility, softening and coking). Fuel, 2019, (245), pp. 478-487.
13. Mathews J.P., Burgess-Clifford C. & Painter P. The interactions of illinois No 6 bituminous coal with solvents: a review of solvent swelling and extraction literature. Energy and Fuels, 2015, (29), pp. 1279-1294.
14. Cherkasova T.G., Nevedrov A.V. & Papin A.V. Investigation of the process of thermal dissolution of coal grade G. Koks i himiya, 2023, (6), pp. 69-72. (In Russ.).
Acknowledgements
The research was financially supported by a grant from the Russian Ministry of Education and Science (Agreement No. 075-15-2022-1193).
For citation
Cherkasova T.G., Nevedrov A.V. & Papin A.V. Thermal dissolution of Kuzbass black coals. Ugol, 2023, (12), pp. 108-111 (In Russ.). DOI: 10.18796/00415790-2023-12-108-111.
Paper info
Received October 2,2023 Reviewed November 10,2023 Accepted November 27,2023
