151850 (Состояние и перспективы использования энергетических углей)

Реферат по теме:

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ

ВВЕДЕНИЕ

Твердые горючие ископаемые – каменные и бурые угли, горючие сланцы, торф – составляют более 90% всех горючих ископаемых мира. Россия располагает более 40% мировых ресурсов твердых топлив. В нашей стране находятся такие крупные угольные бассейны, как Кузнецкий, Канско-Ачинский и др. По запасам угля Россия уступает только США, а в Украине уголь является единственным реальным энергоносителем на дальнюю перспективу.

Уголь был основным источником энергии и химического сырья в XIX и начале XX века. Начиная с 30-х годов и особенно в 40–70-е годы на первое место в топливно-энергетическом балансе СССР и развитых зарубежных стран вышли нефть и природный газ. Их преимущества перед углем заключаются в отсутствии балласта (золы и воды), они характеризуются большей теплотой сгорания, лучшей транспортабельностью, возможностью быстрого наращивания объема производства и получения жидких топлив и химического сырья с меньшими, чем при использовании угля, затратами. В результате к концу 70-х годов доля угля в топливно-энергетическом балансе уменьшилась до 25–27% (против 65 – 70% в первые послевоенные годы).

Увеличение стоимости нефти и постепенное истощение наиболее богатых ее источников привело к возрастанию доли угля в топливном балансе и развитию работ по производству из угля новых продуктов, включая и синтетические жидкие, и газообразные топлива.

В связи с этим 80–90-е годы следует считать периодом подготовки к новому значительному увеличению доли угля в топливно-энергетическом балансе, к осуществлению новых многотоннажных технологических процессов переработки угля и других твердых горючих ископаемых.

В последние годы, благодаря высоким ценам на нефть и газ (средняя мировая цена на газ за десять лет выросла с 2,5 дол. США за миллион британских тепловых единиц почти до 6 дол.), интерес к углю в мире как альтернативному энергоносителю постоянно растет. При сегодняшней конъюнктуре рынка цена на жидкое топливо, получаемое из угля с себестоимостью 20 дол. за баррель, уже не кажется слишком высокой, тем более что специалисты уверены, что при приложении усилий ее можно снизить как минимум до 15 дол. Сказался и всплеск спроса на черные металлы, благодаря которому заметно выросло потребление коксующихся углей. В будущее мировая угольная отрасль может смотреть со сдержанным оптимизмом. Специалисты (последний прогноз МВФ World Economic Outlook) прогнозируют достаточно высокие цены на нефть еще как минимум пару десятилетий. Целый ряд сильных национальных экономик (прежде всего, США и Китай, а также Индия, Канада) намерены серьезно увеличивать количество угольных электростанций.

Определенные изменения происходят и в России: “Энергетическая стратегия России на период до 2020 года” предполагает постепенное увеличение доли угля в топливно-энергетическом балансе страны. Если произойдет предполагаемая либерализация газового рынка, и соотношение цены на газ и уголь подтянется к мировым (по той же Стратегии выравнивание цен предполагается уже к 2006 г., а в 2010 г. соотношение цен на газ и уголь должно составить 1,4/1), то спрос на уголь внутри страны начнет расти опережающими темпами.

Уголь является важнейшим элементом функционирования электроэнергетики и теплоснабжения. Его доля в выработке электроэнергии в Сибири составляет 36%, в производстве тепла – почти 100% [1]. Необходимо отметить, что одной из главных задач, которую необходимо решать при переработке угля, является комплексное использование его энергетического и химического потенциала.

Сибирь обладает уникальной топливной базой. Запасов сибирского угля – более 100 млрд. т – хватит не менее чем на 800 лет надежного обеспечения потребностей всей энергетики России. Только в Красноярском крае запасы превышают 30 млрд. т, что сравнимо с совокупными запасами ряда угледобывающих стран мира.

Кузбасс является основным поставщиком России по добыче высококачественных каменных углей для обеспечения потребностей теплоэнергетики, металлургии, коммунального хозяйства и населения региона и страны в целом. В 2005 году в Кузбассе было добыто свыше 167 млн. т угля, что составило 52% от общероссийской добычи. В последующие годы предполагается рост добычи с ожидаемым максимумом 220 млн. т в 2010 году.

Уголь является важнейшим элементом функционирования электроэнергетики и теплоснабжения. Его доля в выработке электроэнергии в Сибири составляет 36%, в производстве тепла – почти 100% [1]. Необходимо отметить, что одной из главных задач, которую необходимо решать при переработке угля, является комплексное использование его энергетического и химического потенциала.

Целью настоящей работы является знакомство с составом и строением угля, его классификацией, применением и перспективами комплексной переработки как рядового угля, так и золошлаковых масс, образующихся при сжигании угля.

2. СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ

Угли – это твердые горючие вещества органического происхождения. Ископаемые угли имеют различные физические и химические свойства, что обусловлено различием в исходном растительном материале, глубине химических превращений и внутримолекулярных перестроек растительных остатков.

В зависимости от стадии метаморфизма различают: бурый уголь, каменный уголь и антрацит, отличающиеся химическим составом, физическими свойствами и показателями качества.

Бурые угли делят на две группы: лигниты и собственно бурые угли.

Лигниты состоят из остатков древесины и имеют волокнистое строение.

Собственно бурые угли не имеют ясно выраженных растительных остатков. Цвет этих углей различный – от темно-бурого до черного. Содержание углерода – 68 – 80 %, гигроскопической влаги – 25 – 30 %, выход летучих веществ – более 45 %, плотность – 800 – 1250 кг/м³. Бурый уголь, находясь на воздухе, рассыпается в мелочь.

Каменный уголь имеет черный цвет, теплоту сгорания 31 – 37 кДж/кг, плотность 1250 – 1500 кг/м³; содержит 3–4 % гигроскопической влаги, 80–92 % углерода, 11–45 % летучих веществ.

Антрацит имеет черную со стекловидным блеском поверхность, острые края при изломе, теплоту сгорания 35–38 кДж/кг, содержит летучих веществ до 6 %.

Уголь не является однородным веществом, а состоит из нескольких петрографических разновидностей:

дюрен – матовый, твердый, не имеющий слоистости уголь, встречается в виде мощных пачек;

кларен – блестящий уголь с выраженной полосчатой текстурой, встречается в виде мощных пачек или даже целых пластов;

витрен – блестящий уголь, напоминающий кларен, но отличающийся небольшими размерами включений, отсутствием включений других разновидностей и большей плотностью;

фюзен – матовый уголь волокнистого строения, по внешнему виду напоминает измельченный древесный уголь, встречается в виде небольших линз на плоскостях напластования.

Разновидности угля имеют следующую зольность: витрен и кларен – до 2 %; дюрен – 6–12 % и фюзен – 15–25 %. Кларен и витрен хорошо коксуются, дюрен слабо, а фюзен не коксуется. Наиболее прочной разновидностью является дюрен, а наиболее хрупкой – фюзен.

Знание петрографического состава углей необходимо для определения оптимальных пределов дробления, рационального предела их обогащения и способов технологической переработки.

Угли состоят из органической (горючей) массы и негорючих компонентов (минеральных примесей и влаги).

В состав органической массы входят следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), сера (S), фосфор (Р). Самый ценный элемент в углях – углерод, содержание которого возрастает с увеличением стадии метаморфизма.

К минеральным примесям относятся: глинистый сланец (Al₂O_3··SiO₂·2H₂O), песчанистый сланец (SiO₂), пирит (FeS₂), сульфаты (CaSО₄), карбонаты (MgCО₃, FeCО₃ и др).

Минеральные примеси, перешедшие в уголь из растительных организмов, называются связанными, а примеси, попавшие в период накопления растительных остатков, – наносными. Минеральные примеси, которые попали в уголь при его добыче, называются свободными. При обогащении могут быть удалены только свободные минеральные примеси.

Промышленная классификация углей предусматривает деление углей на различные марки и группы в зависимости от их физико-химических свойств и возможности использования для технологических или энергетических целей.

Угли каждого бассейна разделяют на марки и группы, причем угли одноименных марок и групп различных бассейнов имеют неодинаковые пределы классификационных параметров. Поэтому угли разных бассейнов, характеризуемые одинаковыми классификационными параметрами, при технологическом использовании могут давать различный по физико-механическим свойствам продукт.

Все угли условно делят на две технологические группы: коксующиеся и энергетические.

1. ЗОЛОШЛАКОВЫЕ ПРОДУКТЫ И ИХ СОСТАВ

Анализ состава углей показывает, что они содержат цветные, черные, редкие, благородные, радиоактивные, рудные и нерудные элементы, на долю которых приходится около 1% минеральной части. В золошлаковых массах (ЗШМ) эти элементы еще более сконцентрированы [2,3].

В табл.1 приведены обобщенные данные из [3] по содержанию элементов в ЗШМ кузнецких энергетических углей по маркам. Анализ табл.1 показывает, что в ЗШМ кузнецких энергетических углей марки Д содержится 1090,4 г/т РЗЭ; 109174 г/т алюминия; 59405 г/т железа; 16920 г/т натрия; 30234 г/т магния и т.д. Общее содержание элементов составляет 560613,8 г/т.

Для сравнения отметим, что в ЗШМ кузнецких углей марок ДГ, Г и Т общее содержание элементов составляет соответственно 521,84; 637,43 и 653,49 кг/т.

Таким образом, угли и золошлаковые массы (ЗШМ) содержат в своем составе примеси, составляющие определенную ценность.

Таблица 1 - Содержание элементов (в г/т) в ЗШМ кузнецких энергетических углей

1. СТРУКТУРА И СТРОЕНИЕ УГЛЕЙ

Ископаемый уголь представляет собой сложную дисперсную систему, включающую в себя три взаимосвязанные макросоставляющие: органическую массу, влагу и минеральные компоненты. Они характеризуют марочный состав и определяют пути рационального использования углей [4 – 8]. Для характеристики свойств конкретного угля следует учитывать роль каждой из трех составляющих его частей.