Химия твердого топлива, 2020, № 1, стр. 16-20

ВВЕДЕНИЕ

Россия располагает почти 20% мировых запасов угля. В настоящее время разведанные запасы угля в стране составляют около 200 млрд т, в том числе: бурого 101.2; каменного 85.3 и антрацитов 6.8. Однако энергетическая независимость стран определяется не столько запасами принадлежащих им энергоносителей, сколько наличием экономически выгодных и экологически максимально безопасных технологий их переработки в тепловую энергию и продукты разнообразного функционального назначения.

Горно-геологические условия залегания добываемых углей, их качественные характеристики и расположение основных разрабатываемых угольных месторождений по отношению к отечественным потребителям и морским портам не являются благоприятными как с точки зрения внутреннего потребления, так и для экспорта: внутреннее потребление угля ограничено, а экспорт угля нестабилен, так как подвержен колебаниям мировых цен. Добываемый на предприятиях отрасли уголь во многих случаях не отвечает требованиям потребителей по таким качественным параметрам, как зольность, влажность, содержание серы и гранулометрический состав, что приводит к ухудшению показателей работы энергетических установок, дополнительному расходу топлива и загрязнению окружающей среды отходами и вредными выбросами. Вещественный (компонентный) состав углей позволяет использовать их в качестве технологического сырья для переработки, в результате которой могут быть получены продукты различного назначения, поэтому актуальны исследования и разработки в области создания новых для сферы угледобычи ниш использования продукции. Одна из таких ниш – это использование углей в качестве сырья для получения синтетических жидких топлив (СЖТ): построено и работает более 150 промышленных установок газификации угля различного назначения (для энергетики, для синтеза метанола, аммиака, СЖТ и др. углеводородов) [1] и несколько крупных (0.7–7 млн т/г) заводов синтеза моторных топлив из синтез-газа, получаемого конверсией природного газа и попутных газов нефтедобычи и нефтепереработки [2].

В основном в мире развиваются три направления производства СЖТ из углей: прямое ожижение (каталитическая гидрогенизация), косвенное ожижение (газификация с последующим синтезом СЖТ из синтез-газа) и пиролиз [3–5].

Наиболее распространенные технологии получения СЖТ из угля:

прямое ожижение (гидрогенизация) – превращение органической массы угля под давлением водорода (до 300 атм) в жидкие и газообразные продукты в присутствии катализатора в среде растворителя при температуре до 500°С, с последующим гидрооблагораживанием полученных продуктов;

косвенная конверсия, включающая стадии газификации угля для получения синтез-газа и последующего каталитического синтеза углеводородов (процесс Фишера–Тропша).

Для гидрогенизации пригодны бурые и малометаморфизованные каменные угли преимущественно витринитового состава, в косвенной конверсии используются угли всех стадий метаморфизма.

Для получения СЖТ из углей в нашей стране разрабатываются критерии комплекса показателей, позволяющие осуществить квалифицированный выбор месторождений, пригодных для использования в качестве источников сырья для промышленных предприятий.

В настоящее время в Российской Федерации действует единая промышленная классификация характеристик углей (ГОСТ 25543-88), которая позволяет по значениям генетических и технологических параметров определять направление их использования. Однако эта классификация не дает возможности оценить пригодность углей как сырьевого ресурса для процессов получения синтетических жидких топлив. Информация, касающаяся оценок пригодности тех или иных типов углей для переработки в СЖТ, содержится в ряде публикаций, например [6–9], однако она носит фрагментарный характер и не дает полного представления по существу проблемы.

В ИГИ выполнен комплекс исследований и экспериментов по получению синтетических топлив из углей различных месторождений России прямой гидрогенизацией и косвенной конверсией (газификация + процесс Фишера–Тропша), позволивший выявить зависимости показателей реакционной способности углей от основных геологогенетических факторов: петрографического состава, стадии углефикации, степени окисленности–восстановленности углей, содержания и состава в них минеральных компонентов. На этой основе предложен свод показателей (критериев) для оценки степени пригодности углей для деструктивной переработки.

Установлено, что пригодность гумусовых углей для гидрогенизации определяется по четырем основным параметрам (табл. 1): зольности, содержанию инертного при гидрогенизации мацерала фюзинита, показателю отражения витринита (гуминита), показателю степени окисленности–восстановленности — карбоксидному числу (вычисляемому из калиевого числа, суммарного содержания ОН-групп или элементного состава) и двум дополнительным показателям из химического состава золы углей (1, 2).

По значению этих параметров угли делятся на три группы по степени пригодности к ожижению: наиболее пригодные; пригодные; малопригодные и практически не пригодные.

Из этих критериев следует, что для гидрогенизации по методу ИГИ из гумусовых углей пригодны неокисленные витринитовые бурые или низкометаморфизованные каменные угли следующих марок: Б, Д, ДГ, Г, ГЖ; групп и подгрупп (по ГОСТ 25543-88): 2БВ, ЗБВ, ДВ, ДГВ, 1ГВ, 1ГЖ, 2ГЖ с зольностью до 15% при условии, что содержание суммы Σ₁ оксидов натрия и калия в золе не превышает 6%, а соотношение оксидов химического состава золы каталитического действия к оксидам ингибирующего и нейтрального действия Σ₂ не менее 1.0%; с содержанием мацералов фюзинита до 15%; с показателем отражения витринита от 0.3 до 0.95% и показателем степени окисленности–восстановленности – карбоксидным числом до 12.5%.

Наиболее пригодные для гидрогенизации угли имеют следующие показатели (%): зольность до 10, содержание мацералов группы фюзинита до 5, показатель отражения витринита от 0.4 до 0.75, карбоксидное число до 10, Σ₁ менее 3, Σ₂ более 2.

Угли, содержащие собственно фюзинита более 15% и имеющие зольность также более 15%, при прочих благоприятных условиях могут представлять интерес для гидрогенизации после обогащения их по этим составляющим. В табл. 2 представлено сопоставление полученных результатов с данными о сырье известных реализованных процессов гидрогенизации углей.

В России разведаны значительные запасы бурых и каменных углей, в том числе низкосортных, которые могут рассматриваться в качестве исходного сырья для производства из них СЖТ методом газификации. Критерии, на основании которых можно сделать выбор месторождений, угли которых являются наиболее перспективным исходным твердым топливом для газификации, должны отражать технологические свойства углей, определяющие их перспективность в качестве исходного сырья для газификации, техникоэкономические показатели их добычи и географическое расположение месторождений.

Суммарные затраты на получение 1000 МДж тепла в виде газообразного топлива газификацией 1 т углей (З₀) можно оценить по соотношению

где З₁, З₂, З₃, З₄, З₅ – соответственно, затраты на добычу 1 т угля, на транспорт к месту газификации, непосредственно на переработку в газогенераторе, на улавливание 1 т серы и 1 т золошлаковых отходов, руб/т; К₁ – коэффициент, определяющий цену 1 т угля в зависимости от затрат на его добычу; $S_{t}^{r}$, A^r, $Q_{i}^{r}$ – соответственно, содержание серы (%), зольность угля (%), низшая теплота сгорания (МДж/кг); К₂ – относительное количество тепла, переходящее при газификации из 1 т угля в газообразные продукты (дол. ед.).

Угли различных марок отличаются по реакционной способности при газификации (V_i). Очевидно, одинаковые величины К₂ при газификации углей, отличающиеся величинами V_i, могут достигаться за счет разного времени (τ) пребывания угля в газогенераторе и затраты непосредственно на газификацию (З₃) обратно пропорционально величинам V_i. Затраты на транспорт углей, очевидно, зависят от расстояния их перевозки от места добычи до места расположения установки газификации. Приняв величину К₂ одинаковой для различных углей и нормируя величины З₂ по затратам на перевозку угля на расстояние 1000 км, соотношение (1) преобразуется в (2) и при газификации непосредственно в месте добычи – в (3):

где l_i — расстояние транспортировки угля; V_i – реакционная способность угля при газификации.

Бурые угли, как правило, не перевозятся на большие расстояния, и для оценки сравнительной эффективности их газификации можно использовать только соотношение (3). Величины К₁ в условиях рыночной экономии неодинаковы при добыче углей в различных бассейнах и месторождениях. Следовательно, качественными критериями оценки перспективности углей как исходного сырья для газификации являются помимо себестоимости добычи $Q_{i}^{r}$, $S_{t}^{r}$, A^r, реакционная способность V_i и З_i. Качественные критерии технологических свойств углей представлены показателями, суммированными в табл. 3.

Для процессов газификации пригодны угли различного состава, в том числе низкосортные. Выбор месторождений, угли которых являются наиболее перспективным исходным твердым топливом для газификации, можно сделать на основе разработанных и предложенных критериев. Согласно предложенной системе критериев, можно оценить в первом приближении эффективность использования углей в качестве исходного сырья для газификации, которая уменьшается от 1-й к 3-й группе (табл. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании разработанных критериев для производства СЖТ газификацией и гидрогенизацией в качестве сырьевых ресурсов можно рекомендовать Серафимовское и Ерунаковское месторождения Кузбасского угольного бассейна, Ишедейское месторождение Иркутского угольного бассейна и Таймылырское месторождение Ленского угольного бассейна.

Разработанная классификация углей различных месторождений позволяет сделать обоснованный выбор конкретных угольных месторождений как сырьевой базы заводов по получению синтетических жидких топлив, а также технологий их переработки.

Реализация этих технологий позволит существенно расширить традиционную углехимическую линейку, обеспечив получение синтетической нефти, высокооктанового бензина, авиационного, ракетного и дизельного топлива, а также нафты, смазочных масел, парафинов, фенолов и другой углехимической продукции – сырья для основного органического синтеза.