Химическая переработка угля

 

 

Газификация угля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ожижение

Принципиальное  различие в химическом составе угля и нефти заключается в разном соотношении водород/углерод (составляет около 0,7 для углей и порядка 1,2 для нефтей). Присоединением к углю дополнительного количества водорода можно получить "синтетическую нефть". Это достигается использованием молекулярного водорода или органических соединений, способных выступать в качестве доноров водорода. Лучшие результаты в ожижении угля получаются в присутствии катализаторов, активирующих молекулярный водород, и органических растворителей, способных легко отдавать атомы водорода (тетралин, крезол и другие).

Первоначальной  стадией ожижения является превращение  угля в так называемые асфальтены, представляющие собой высокомолекулярные соединения ароматической природы  и содержащие большое количество гетероатомов. Образующиеся реакционноспособные  фрагменты радикальной природы  могут затем превращаться в стабильные продукты, присоединяя атомы водорода, либо полимеризоваться. Соотношение  скоростей протекающих превращений  определяется природой используемых катализаторов. Катализаторы, обладающие гидрирующей  активностью, ускоряют реакции образования  легких углеводородов. Катализаторы кислотного типа могут способствовать протеканию нежелательных реакций поликонденсации  и полимеризации, приводящих к образованию  высокомолекулярных продуктов.

В различных странах  сейчас работает более 80 опытных установок  ожижения угля. Однако в промышленном масштабе технологии прямого ожижения угля в настоящее время не используются вследствие ряда причин. Основные недостатки современных технологий каталитического  ожижения угля обусловлены невысокой  производительностью процесса, применением  высоких давлений водорода, необходимостью выделения катализатора для повторного использования в процессе. Часть  этих проблем может быть решена путем  подбора дешевых катализаторов  на основе рудных материалов. Их использование  позволяет отказаться от трудоемкой и технически трудноосуществимой операции по извлечению катализатора из твердого шламового остатка процесса ожижения угля. Другим путем удешевления процесса ожижения является замена молекулярного  водорода на синтез-газ (смесь СО и  Н2). Это позволяет исключить ряд технологических стадий, связанных с получением водорода, таких как очистка синтез-газа, конверсия СО, выделение Н2 из газовой смеси.

Проведенные с участием автора исследования подтвердили эффективность  применения железосодержащих рудных катализаторов (пирит, пирротит, магнетит) для ожижения канско-ачинских углей в среде водорододонорных растворителей. По своей активности они сопоставимы с промышленным алюмокобальтмолибденовым катализатором, применяемым в нефтепереработке. Этот неожиданный на первый взгляд результат объясняется тем, что процесс гидрогенизации угля в среде водорододонорного растворителя протекает по механизму опосредованного катализа. Суть этого механизма сводится к тому, что ожижение угля осуществляется преимущественно не молекулярным водородом, а путем переноса атомов водорода от молекул органического растворителя (например, тетралина, который при этом дегидрируется до нафалина):

уголь + тетралин уголь-Н2 + нафталин.

 

Роль катализатора в основном сводится к восстановлению утраченных Н-донорных свойств растворителя (в частности, к гидрированию нафталина с получением тетралина):

катализатор + Н2 Катализатор-Н2

катализатор-Н2 + нафталин

Катализатор + тетралин.

Для эффективного обеспечения данной функции катализатор  может обладать даже умеренной гидрирующей активностью, в частности, присущей железосодержащим катализаторам.

Более благоприятная  ситуация в плане промышленного  освоения сложилась с технологиями, в которых совмещены процессы газификации угля до синтез-газа его и последующая переработка в метанол или жидкие углеводородные смеси. В промышленном масштабе на основе синтез-газа осуществляют крупнотоннажное производство следующих продуктов: метанола, жидких алифатических углеводородов и метана. Технологии синтеза жидких топлив из СО и Н2 прошли промышленную проверку в двух вариантах, известных как процесс Фишера-Тропша и процесс Мобил. Процесс Фишера-Тропша экономически мало выгоден для производства малооктановых бензинов вследствие низкой производительности катализаторов (0,3 - 0,7 т/м3 Кт в сутки) и низких октановых чисел получаемой бензиновой фракции (50 - 72). Технология Мобил, основанная на использовании высококремнеземестых цеолитов в качестве катализаторов превращения метанола в высокооктановый бензин, отличается более высокой производительностью, селективностью и качеством продукта (получаемый бензин имеет октановое число 91 - 98).

В принципе из синтез-газа можно получить почти любые органические продукты, производимые сейчас нефтехимическим синтезом. Возможные пути получения химических продуктов при каталитической переработке синтез-газа иллюстрируются следующей схемой:

Условия осуществления  этих превращений уже известны, хотя эффективность ряда из этих процессов  еще далека от желаемой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

К настоящему времени  предложены разнообразные способы  применения катализаторов в процессах  превращения углей. 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.

Хотя в настоящее  время нефть является основным источником органического сырья, ограниченность ее мировых запасов и постоянный рост стоимости добычи вследствие вовлечения в эксплуатацию более труднодоступных  месторождений стимулируют работы по созданию новых процессов химической переработки альтернативного органического  сырья. Уголь, мировые запасы которого существенно выше, чем нефти и  газа, рассматривается в перспективе  в качестве одного из основных видов  сырья для производства моторных топлив и продуктов органического  синтеза.

Применение эффективных  катализаторов и новых каталитических процессов позволит преодолеть многие недостатки, присущие традиционным способам химической переработки угля. Можно  полагать, что катализ внесет в  область углехимии такие же коренные преобразования, какие были осуществлены в нефтепереработке в 40-е годы этого столетия благодаря применению соответствующих катализаторов.

Рассмотренные в  данной работе примеры показывают, что катализаторы позволяют повысить эффективность технологий пиролиза, газификации, ожижения углей. Развитие этих работ заложит основы нового поколения процессов химической переработки углей, для которых  характерны повышенная интенсивность, селективность и экологическая  чистота. При переработке такого "тяжелого" органического сырья, как каменные и бурые угли, предъявляются  особые требования к используемым катализаторам  по сравнению с процессами нефтепереработки и нефтехимии. Во многих случаях  экономически оправданным и технически возможным представляется применение дешевых катализаторов одноразового использования. К ним относятся, в частности, различные рудные материалы, такие, как шлаки металлургической промышленности и энергетики, а также  рудные концентраты и шламы.

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. Уилсон К.Л.  Уголь - "мост в будущее". М.: Недра, 1985.

2.  Кусумано Дж., Делла-Бетта Р., Леви Р. Каталитические процессы переработки угля. М.: Химия, 1984.

3.  Кузнецов Б.Н.  Катализ химических превращений  угля и биомассы. Новосибирск:  Наука, 1990.

4.  Фальбе Ю.М. Химические вещества из угля. М.: Химия, 1984.

5.  Кузнецов Б.Н.  Органический катализ. Часть 2. Катализ в процессах химической  переработки угля и биомассы. Учебное пособие. Красноярск: Изд-во  Красноярского ун-та, 1988.

6.  Химическая  технология твердых горючих ископаемых /Под ред. Г. Н. Макарова, Г. Д. Харлампович. М.: Химия,1986.