Переработка угля

Угольная промышленность в Российской Федерации всегда являлась довольно важной отраслью, поскольку уголь применялся во различных отраслях промышленности. Он издавна считался крайне перспективным сырьем для получения энергии и множества химических продуктов. Да и сегодня уголь не утратил популярности. В этой статье мы рассмотрим различные процессы переработки угля.
Самым первым и самым крупным потребителем угля с 19 века являлся транспорт. Чуть позже его начали применять для производства электроэнергии, металлургического кокса, создания в процессе химической переработки различных соединений, углеграфитовых конструкционных материалов, пластмасс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для удобрения. Существуют различные способы переработки угля.

Пиролиз

Этот же процесс называют коксованием. Он появился XVIII столетии. Во время этой реакции каменный уголь подвергается нагреванию в специальных коксовых печах, без доступа воздуха. Эта реакция происходит с образованием нескольких продуктов:

• пористое, твердое вещество – кокс и летучие вещества, из которых в процессе охлаждения образуется аммиачная вода
• каменноугольная смола
• газообразные соединения.

Каменноугольную смолу в дальнейшем также подвергают перегонке, вследствие чего получают легкое масло, в составе которого присутствуют ароматические углеводороды, к примеру, бензол, толуол, среднее масло (фенолы) и тяжелое масло (нафталин).
Переработка угля методом коксования включает такие этапы:

• подготовка к коксованию
• собственно коксование
• улавливание и переработка летучих соединений.

Во время подготовительной стадии осуществляется обогащение, чтобы удалить минеральные примеси, низкосернистых, малозольных, коксующихся углей. Сырье измельчается до зёрен размером примерно 0,3 мм, разные сорта угля смешиваются между собой. После этого происходит сушка полученной «шихты».
Для реализации коксования шихту помещают в щелевидную коксовую печь, которая имеет ширину 400—450 мм и объём 30-40 м³. В каналах боковых простенков печей, созданных из огнеупорного кирпича, обогрев происходит продуктами сгорания газов: коксового, доменного, генераторного.
Нагрев продолжается на протяжении 14-16 часов. Весь процесс реализуется при температуре от 900 до 1050 °C. Конечным продуктом является кокс (75-78 % от объема исходного угля) в форме «коксового пирога» (спёкшейся в пласт массы) — выталкивается особыми устройствами («коксовыталкивателями») в железнодорожные вагоны. Там происходит охлаждение («тушение») водой или газом (азотом).
В условиях температуры 250 градусов Цельсия из угля происходит испарение воды, улетучивается угарный газ и углекислый газ. Когда температура поднимается до 350 градусов улетучиваются углеводороды, продукты азота и фосфора. При 500 градусах сырье спекается с образованием полукокса, а когда температура поднимается до 700 градусов и выше улетучивается водород и получается кокс.

Смесь паров и газов, которые выделяются в реакции и составляют около 25 % от массы угля, отводится по газосборнику для улавливания и дальнейшей переработки. Чтобы разделить летучие продукты их охлаждают при помощи впрыскивания распыленной воды (от 70 °C до 80 °C). Во время этой реакции выделяется больше половины объема смол, а последующее охлаждение парогазовой смеси осуществляется в кожухотрубчатых холодильниках (до 25-35 °C). Конденсаты соединяют вместе. Далее после их отстаивания образуется надсмольная вода и каменноугольная смола. После этого начинается очищение сырого коксового газа от NH3 и H2S, промывание поглотительным маслом (чтобы выделить сырой бензол и фенол), серной кислотой (чтобы выделить пиридиновые основания). После очистки коксовый газ, составляющий 14-15 % от объема угля, используют как топливо для обогрева батареи коксовых печей, а также для других целей.
Объем надсмольной воды составляет 9-12 % от объема угля. Из нее методом отгонки паром получают: NH3 (в виде концентрированной аммиачной воды), фенолы, пиридиновые основания. Очищенной водой в смеси с технической водой тушат кокс или осуществляют биологическую очистку сточных вод на очистных сооружениях.
Каменноугольная смола, которая составляет примерно 3-4 % от массы угля. В составе смолы присутствует много органических веществ. На сегодняшний день ученым удалось идентифицировать лишь 60 % компонентов смолы, а это свыше 500 веществ. При помощи ректификации смолу разделяют на фракции: нафталиновую, поглотительную, антраценовую и каменноугольный пёк. После ректификации из полученных продуктов выделяют:

• нафталин 
• антрацен
• фенантрен
• фенолы 
• каменноугольные масла.

Коксохимические заводы являются одним из крупнейших потребителей каменного угля — до ¼ мировой добычи.

Низкотемпературный пиролиз или полукоксование

Переработка каменного угля методом низкотемпературного пиролиза осуществляется в условиях температуры 500°С. Таким образом получают искусственное жидкое и газообразное топливо.
Главные продукты полукоксования:

• полукокс – от 55 до 70%
• первичный газ – от 80 до 100 м3/т 
• первичная смола – от 10 до 40%.

Горючее, полученное таким методом имеет более высокую ценность, чем твердое. Полученное топливо называют горючим газом, который служит топливом с более высокой теплотой сгорания, а также сырьем для реакций органического синтеза. Кроме газа в процессе реакции образуется смола, из которой создают моторное топливо и растворители. Третьим соединением по этой реакции является полукокс, служащий местным топливом. Для осуществления полукоксования применяется низкосортный уголь, в котором высокое содержание золы.
В 18 веке часто использовали процесс полукоксования бурого угля для получения осветительного масла. Промышленными масштабами полукоксование начали осуществлять в начале 19 века. Однако в конце 19 века об этой реакции стали забывать, и лишь в 30-х годах 20 века вследствие возникшей необходимости получения бездымного топлива в Великобритании, а после и в Германии. В это время фиксируется возобновление промышленного производства полукокса из каменных углей.
Для этого процесса применяют главным образом угли, которые отличаются повышенным образованием летучих веществ и дают большой выход первичной смолы.
Процесс полукоксования проводится в две стадии:

• при 320-480°С происходит интенсивное выделение паров смолы, газа с образованием пластической массы
• при 480-550°С осуществляется деструкция твёрдых остатков, а также образуются и выделяются жидкие и газообразные продукты, а также образуется твёрдый полукокс.

В процессе полукоксования углей применяется несколько видов печей (реакторов), которые отличаются главным образом по типу теплоносителя (газовый, твёрдый) и системе обогрева (внутренний, внешний). Все эти системы и аппараты обеспечивают максимальный выход смолы, равномерный по показателям полукокс, высокую производительность в условиях минимального расхода тепла на процесс.

Другие способы переработки угля

Кроме таких известных методов, как коксование и полукоксование, сегодня для переработки угля часто применяют метод гидрирования. В результате такой реакции получают жидкое топливо, которое используется как моторное.
Еще одним методом является газификация, в процессе которой образуются горючие газы.
Однако наиболее высокой перспективой обладают плазмохимические процессы переработки каменного угля. Реализация таких процессов проводится в полностью автоматическом режиме, который помогает предотвратить вредные выбросы в окружающую среду золы, таких опасных веществ, как сера и прочие вредные вещества. Стоит отметить, что еще одни достоинством данного метода является использование оборудования небольших размеров.