Новые подходы в химической переработке ископаемых углей
Комсомольск-на-Амуре
KOST
&
AKRED
COST@AMURNET.RU
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 2
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЯХ И МЕТОДАХ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ 5
2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ТОПЛИВ ИЗ УГЛЯ 6
3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ 8
3.1. Пиролиз и коксование 8
3.2. Газификация 10
3.3. Ожижение 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 16
ЛИТЕРАТУРА 17
ВВЕДЕНИЕ
За многие миллионы лет природа накопила богатейшие запасы углерода в
виде угля, нефти и природного газа. Сейчас эти ископаемые виды топлива
используются человечеством для получения энергии и химических продуктов.
В конце прошлого - начале нынешнего века большинство продуктов
органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения
добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться
продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее
энергоемкими методами. Однако оценка разведанных мировых запасов различных
видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что
месторождения нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны уже в
первые десятилетия XXI века. Запасов же угля должно хватить на ближайшие
несколько сот лет. Вывод о необходимости постоянного увеличения масштабов
использования угля в энергетике и промышленности подтверждается данными по
сопоставлению запасов нефти, газа, угля и сложившейся в настоящее время
структурой их мирового потребления (рис. 1).
Таким образом, уголь выступает в качестве "моста в будущее" мировой
цивилизации (по терминологии К.Л. Уилсона [1]), обеспечивая плавный переход
от ископаемого органического сырья к новым источникам энергии - солнечной,
ядерной и другими недоступными пока человечеству принципиально новым видам
энергии.
Увеличение потребления ископаемых углей будет сопровождаться ростом
экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку при сжигании и
переработке угля образуется больше вредных побочных продуктов по сравнению
с нефтью и газом. Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики
может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически более
безопасных видов топлива угольного происхождения. К ним относится
облагороженный или "чистый уголь", синтетические газообразные и жидкие
топлива, полученные путем химической переработки угля. Выбросы вредных
веществ при использовании этих синтетических топлив значительно ниже, чем в
случае применения рядового угля.
Основными недостатками известных технологий химической переработки
углей по сравнению с технологиями нефтепереработки и нефтехимии являются
относительно низкая производительность и жесткие условия их осуществления
(высокие температура и давление). Для устранения указанных недостатков в
углепереработке все шире применяются катализаторы и новые каталитические
процессы, позволяющие получать из угля разнообразные продукты топливного и
химического назначения [2]. Разрабатываемые в настоящее время новые
каталитические процессы химической переработки угля приведены на схеме:
К основным из них относятся процессы пиролиза, газификации и
гидрогенизации угля. Для осуществления каталитических превращений угля
применяются две основные группы методов. Одна из них включает
каталитические превращения на границе раздела фаз поверхность угля-
катализатор. Другая группа методов отличается тем, что каталитические
превращения угля происходят по механизму опосредованного катализа путем
передачи действия катализатора через жидкие или газообразные компоненты
реакционной среды по схеме:
катализатор
компоненты реакционной среды
уголь продукты превращения.
К настоящему времени предложены разнообразные способы применения
катализаторов в процессах превращения углей [3]. Основные из них приведены
на рис. 2. Наиболее хороший контакт достигается при введении катализатора в
уголь методами химического связывания с реакционноспособными группами
(например, -СООН, -СН2ОН) на поверхность угля, внедрения в объем угольного
вещества, а также при использовании катализаторов в растворенном,
расплавленном или летучем состояниях.
Осуществление каталитических процессов переработки угля по механизму
опосредованного катализа значительно упрощает их технологию. В этих случаях
удается достичь высокой эффективности процесса, применяя механические смеси
измельченного или суспендированного в жидкой среде твердого катализатора и
угля, а также стационарный или кипящий слой частиц катализаторов.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЯХ И МЕТОДАХ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
Ископаемые угли представляют собой природные полимеры, состав и
структура которых меняется в зависимости от возраста угля.
Высокомолекулярная структура угля состоит из ароматических,
гидроароматических, гетероциклических и алифатических фрагментов, различных
функциональных групп. Эти фрагменты связаны между собой разнообразными
способами, в том числе посредством алифатических связей углерод-углерод,
углерод-кислород, углерод-азот, углерод-сера. Для более молодых бурых углей
характерно более высокое содержание гетероатомов (прежде всего кислорода)
по сравнению с каменными углями, в составе которых преобладают
конденсированные полиароматические фрагменты. Макромолекулы угольной
структуры могут соединяться между собой с помощью электроно-донорно-
акцепторных взаимодействий.
Одна из возможных структур угля приведена на рис. 3. Из
функциональных групп в угле обычно превалируют кислородсодержащие группы,
входящие в состав фенолов, карбоновых кислот, спиртов, эфиров и
карбонильных соединений. Наряду с органической массой в ископаемом угле
присутствует минеральная часть, представленная такими элементами, как
кремний, алюминий, кальций, железо и другие. В целом состав ископаемых
углей более сложен, чем нефти, и может существенно различаться даже в
пределах одного угольного месторождения.
Целью большинства процессов химической переработки угля (за
исключением получения углеродных материалов) является его преобразование в
низкомолекулярные органические продукты, по возможности достаточно
однородного состава. Превращения угля в более привычные для химика
органические соединения достигается при термической обработке и воздействии
различных реагентов [4]. В процессе нагревания в первую очередь разрываются
наиболее слабые алифатические цепочки, которыми связаны конденсированные
ароматические структуры. Определяющий вклад в процесс деполимеризации бурых
углей вносит разрыв связей углерод-кислород.
Управлять реакциями разрыва определенных связей можно путем
избирательного введения металлов-катализаторов в функциональные группы
угольного вещества. Например, температура разрыва алифатической связи,
соединяющей два ароматических фрагмента, снижается, если катион
двухвалентного металла замещает протоны двух соседних фенольных групп:
2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ТОПЛИВ ИЗ УГЛЯ
Получаемые из угля синтетические топлива могут быть твердыми, жидкими
и газообразными. К твердым синтетическим топливам относится большое
количество облагороженных или улучшенных топлив типа "чистый уголь",
угольные брикеты, полукокс, термоуголь, автоклавированный уголь.
Синтетические жидкие топлива представлены котельным топливом (заменитель
нефтяного мазута), моторными топливами и метанолом. Газообразные топлива,
получаемые из угля, представляют собой топливный газ, "заменитель
природного газа" и синтез-газ.
Получение из угля синтетических топлив осуществляется различными
методами [5, 6]. Твердое топливо с повышенной экологической чистотой
получается в результате удаления из исходного угля вредных примесей, таких
как сера и минеральные примеси:
Преимуществами "чистого угля" являются снижение выбросов SO2 и
твердых частиц при сжигании, а также повышение теплотворной способности по
сравнению с исходным углем. При получении топлива для коммунально-бытовых
целей используется брикетирование угольной мелочи:
В результате происходит снижение выбросов твердых частиц при сжигании
и может повышаться теплотворная способность топлива. В некоторых случаях в
брикеты вводят специальные химические добавки, снижающие выход смол, сажи,
серы и других вредных продуктов при сжигании.
Повышение качества бурых углей, имеющих низкую теплотворную
способность из-за большого количества влаги и кислорода, достигается путем
их облагораживания при пиролизе или обработке перегретым паром:
Термическое облагораживание бурого угля повышает его теплотворную
способность, кроме того снижается эмиссия SO2 и NOx (для полукокса и
термоугля) и могут уменьшаться выбросы твердых частиц при сжигании
автоклавированного кускового угля.
Процесс газификации угля является многоцелевым относительно состава
продуцируемого газа. При получении газообразных топлив выделяются три
основные направления, связанные с производством топливного газа, заменителя
природного газа и синтез-газа:
Состав и теплотворная способность продуцируемого газа зависят не
только от режимов газификации, но и от конструкции используемого
газогенератора. Применение топливного газа позволяет решать экологические и
технологические проблемы в энергетике, металлургии и других отраслях
промышленности. Особенностью получаемого заменителя природного газа
является низкое содержание СО и, следовательно, относительно низкая
токсичность, что позволяет широко применять этот газ в бытовых целях.
Синтез-газ используется для химической переработки в метанол, моторные
топлива или для получения водорода. Для получения жидких топлив
непосредственно из угля используются процессы гидрогенизации, пиролиза,
ожижения растворителями:
При получении котельного топлива (заменителя нефтяного мазута) и
моторных топлив требуется дополнительное применение процессов
гидропереработки жидких угольных продуктов с целью уменьшения содержания
серы и других нежелательных примесей. Наиболее легко перерабатывается
"угольная нефть", получаемая в процессе каталитической гидрогенизации угля.
Альтернативным направлением производства синтетических жидких топлив
является совмещение процессов получения из угля синтез-газа и его
химической переработки в соответствии со схемой:
Жидкие топлива из синтез-газа экологически намного безопаснее, чем
топлива, получаемые прямым ожижением угля. Последние содержат высокое
количество канцерогенных полициклических соединений.
3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ
3.1. Пиролиз и коксование
До начала XX века пиролизом и коксованием каменного угля получали
большинство химических продуктов. Эти процессы основаны на нагревании углей
без доступа воздуха с целью их термической деструкции [6]. При этом
протекают две основные группы химических реакций: деполимеризации
органической массы угля с образованием органических молекул меньшей
молекулярной массы и реакции вторичных превращений образующихся продуктов
(конденсации, полимеризации, ароматизации, алкилирования и другие). Обе
группы реакций протекают последовательно и параллельно. В конечном итоге в
результате термохимических превращений образуются жидкие, газообразные и
твердые продукты:
Пиролиз осуществляют в различных температурных интервалах, в
зависимости от назначения получаемых продуктов. Низкотемпературный пиролиз
(или полукоксование) проводится обычно при 500 - 600?С, а
высокотемпературный пиролиз (или коксование) - при 900 - 1100?С.
Современные процессы низкотемпературного пиролиза бурых углей ориентированы
преимущественно на получение синтетического жидкого топлива и полукокса.
Страницы: 1, 2
|