Тарифная служба Республики Тыва на многочисленные запросы граждан Республики Тыва о завышенных ценах на уголь, реализуемый населению в Республике Тыва, разъяснила, что цена на уголь не регулируется государством и что угледобывающие предприятия устанавливают свои собственные цены, ссылаясь на Указ Президента Российской Федерации от 21 июня 1993 г. № 934 «о мерах по стабилизации положения в угольной промышленности» и с 1 июля 1993 г. был осуществлен переход к использованию свободных (рыночных) цен на уголь и его продукцию.

Правительство Республики принимает ряд мер по снижению себестоимости угля, например Постановлением Правительства Республики Тыва от 21 мая 2010 г. № 212 с учетом марки угля и расстояний от угледобывающих предприятий до населенных пунктов установлены максимальные розничные цены на твердое топливо.

В работе [1], для повышения инвестиционной привлекательности угольной продукции, увеличения объемов продаж, повышения качества и снижения себестоимости, финансово-промышленными группами предложено создание межотраслевого комплекса (МПК), а одним из реализуемых проектов МПК является использование буроугольной смеси (КБУС) при сжигании на тепловых электростанциях. Производство этой смеси планируется осуществлять в усреднительно-подготовительных комплексах. Сделан предварительный вывод о возможности использования КБУС в соотношении 70 % каменного угля и 30 % бурого угля.

В Институте угольных технологий Национальной академии наук Украины [2] были проведены исследования по сжиганию смесей антрацита с тощим углем (с добавлением 16 %, 27,5 %, 44 % антрацита) и влиянию газового угля (с добавлением 10 %, 20 %, 30 % к антрациту) на выгорание его смеси с антрацитом. Доказано, что добавление более реакционного угля к антрациту улучшает стабильность факела и выгорания углерода смеси, что подтверждает наличие синергетического эффекта в процессах горения угольных смесей различной степени метаморфизма.

В работе [3] установлено, что наиболее реакционной способностью из тувинских углей обладают угли 1 ГЖ Каа-Хемского месторождения, менее реакционноспособными угли являются месторождения: Чаданский (марка угля 2Г), Межегейский (марка угля Ж) и Элегестский (марка угля Ж). В настоящее время в энергетических целях используются в Туве только два месторождения: Каа-Хемский и Чаданский. При сжигании углей влияют их технические показатели (выход летучих веществ, зольность и низшая теплота сгорания), которые для всех месторождений отличаются, поэтому получение топлива с требуемыми свойствами путем их смешивания весьма перспективна.

Также использование коксующихся углей тувинских месторождений в производстве кокса тоже является весьма перспективным направлением [4]. Прогнозирование выхода основных продуктов этого производства играет важную роль. Существует большое количество публикаций [5, 6], но до сих пор не существует научно обоснованных методов планирования выхода кокса и сопутствующих продуктов. Выход кокса на предприятиях в основном основывалось на показателе выхода летучих веществ шихты [7]. Процесс отбора угля при шихтовании очень сложен и имеет ряд предварительных технических и химических анализов [8, 9].

Авторы работ [10,11] исследовали оценку качества шихты коксования методом ИК-спектрального анализа, которая является одним из перспективных экспресс-анализов углей при коксовании.

Цель работы: выявить закономерности изменения технических показателей и химического состава ОМУ, методом ИК-спектрального анализа, при смешивании углей тувинских месторождений.

Материалы и методы исследования

Автором были подготовлены угольные смеси (крупность фракций менее 1 мм) в нескольких массовых соотношениях (20:80; 40:60; 60:40; 80:20) из углей тувинских месторождений (Элегестского (ЭУ), Межегейского (МУ), Чаданского (ЧУ), Каа-Хемского (КУ)). Перед определением технических параметров аналитические пробы были доведены до воздушно-сухого состояния и подвергались тщательному перемешиванию.

Технические показатели углей и их смесей проводили стандартными методами, согласно ГОСТам: ГОСТ 11022-95 – Топливо твердое минеральное. Методы определения зольности; ГОСТ Р 52911-2013 Топливо твердое минеральное. Определение общей влаги (с Поправкой); ГОСТ 33503-2015 (ISO 11722:2013, ISO 5068-2:2007) Топливо твердое минеральное. Методы определения влаги в аналитической пробе; ГОСТ Р 55660-2013 Топливо твердое минеральное. Определение выхода летучих веществ; ГОСТ 30404-2013 (ISO 157:1996) Топливо твердое минеральное. Определение форм серы; ГОСТ 147-2013 (ISO 1928-2009) Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания (с Поправкой).

Ик спектры образцов углей регистрировали на Фурье-спектрометре «Tensor S2» в области 400–4000 см-1. Обработку ИК спектров осуществляли с помощью программного обеспечения OPUS, прилагаемого к спектрометру.

Результаты исследования и их обсуждение

При анализе таблицы было выявлено, что все тувинские угли малозольные (6–11 %), малосернистые (0,32–0,7 %). Выход летучих веществ в углях возрастает по месторождениям в ряду ЭУ (35,9 %), ЧУ (36,4 %), МУ (39,2 %) и наиболее высокий показатель у КУ (46,6 %). По низшей теплоте сгорания наименьший показатель имеет МУ (5613 ккал/кг), средний показатель у ЭУ(6489 ккал/кг), высокие показатели были выявлены у ЧУ (7423 ккал/кг) и КУ (7152 ккал/кг).

Технические показатели и средняя цена исходных углей некоторых месторождений (Межегейское, Элегестское, Каа-Хемское, Чаданское) и их смесей

Среди физико-химических методов исследования состава и структуры поверхностных слоев угольных частиц инфракрасная спектроскопия (ИКС) дает наиболее существенную информацию о молекулярном строении органического вещества угля. Из рис. 1 видно, что для всех углей характерными оказались следующие группы соединений в частотных областях поглощения, см-1: 3450 – валентные колебания O-H групп, связанных водородными связями; 3030–3050 – валентные колебания C-H связей в ароматических и непредельных соединениях; 2800–2950 – валентные колебания алифатических CH2, CH3-групп; 1600–1650 – скелетные колебания С=С ароматических колец, связей C=O в кетонах, альдегидах, хинонах; 1350–1470 – деформационные колебания метильных и метиленовых групп; 1000–1300 – колебания в различных кислородсодержащих группах; 700–900 – внеплоскостные деформационные колебания ароматических связей C-H.

ИК-спектры всех исследуемых углей и их смесей приблизительно сходны. Однако по ИК-спектру угля Межегейского месторождения видно, что в его структуре ярко выражена ароматическая составляющая. Об этом свидетельствуют более интенсивные пики в области 3040 см-1 и 700–900 см-1, характерные для CH связей ароматического кольца. В угле Каа-Хемского месторождения присутствует пик в области ≈3350 см-1, который отсутствует в спектрах других углей и относится к валентным колебаниям N-H связей. В угле Элегестского месторождения наблюдается плечо в области ≈1730 см-1, которое относится к C=O валентным колебаниям, что может свидетельствовать о некоторой окисленности данного угля.

Рис. 1. Ик-спектры углей Каа-Хемского (КУ), Межегейского (МУ), Элегестского (ЭУ) месторождений и их смеси в пропорциях 50 % на 50 % (МУ50-КУ50, ЭУ50-КУ50)

Для сравнения в качестве структурных параметров, были выбраны следующие отношения интенсивностей характеристических полос поглощения: СНаром./СНалиф. (D3040/D2920) – этот параметр давно используется как характеристика степени ароматичности углей, однако более корректным представляется рассматривать как соотношение СН связей системы полисопряжения и алифатических структур, а также параметр С=Саром./СНметил. (D1600/D1440), который характеризует долю деформационных колебаний С-Н связей в ароматических фрагментах ОМУ [5]. А также взяты параметры CHалиф./С=Саром.(D2920/D1600) и CHаром./С=Саром. (D3040/D1600), характеризующие количественные показатели алифатических и ароматических CH связей по отношению внутреннего стандарта полос поглощения скелетных колебаний ароматических колец при 1600 см-1 [12].

Из рис. 2 видно, что все структурные показатели (СНаром./СНалиф.CHаром./С=Саром.; CHалиф./С=Саром.; С=Саром./СНметил.) отличаются для углей и усредняются при смешивании их.

В работе [13] были исследованы угли различной стадии метаморфизма методом ИК-спектрального анализа, в сочетании с данными химического и элементного анализа. Было установлено, что количество ароматического углерода возрастает с уменьшением выхода летучих веществ, что согласуется с данными наших образцов: структурный параметр СНаром/СНалиф угля Каа-Хемского месторождения (КУ) существенно снижается, что говорит нам о низкой ароматичности и характеризует степень ненасыщенности в углях, с высоким выходом летучих веществ (46,6 %) и далее степень ароматичности углей и их смесей Межегейского и Элегестского месторождения возрастает в ряду – ЭУ50-КУ50 (Vdaf – 44 %); МУ50-КУ50 (Vdaf – 43,7 %); МУ (Vdaf – 39,2 %); ЭУ (Vdaf – 35,9 %), соответственно с уменьшением выхода летучих веществ образцов. Увеличение количества ароматического водорода происходит за счет уменьшения углерода в алифатических CH2 и CH группах.

Рис. 2. Структурные показатели: А – СНаром./СНалиф. (D3040/D2920); Б – CHаром./ С=Саром. (D3040/D1600); В – CHалиф./ С=Саром. (D2920/D1600);Г – С=Саром./СНметил. (D1600/D1440)

Параметр CHалиф./С=Саром (D2920/D1600) позволяет выявить отличия в спекаемости равнометаморфизованных углей различных бассейнов: он всегда выше и лучше у спекающихся углей, а при окислении симметрично снижается со спекаемостью. Согласно данному параметру спекаемость углей и их смесей в наших образцах снижается в рядах: МУ, МУ50-КУ50, КУ, ЭУ50-КУ50, ЭУ. Наиболее спекаемой способностью обладают угли Межегейского и Каа-Хемского месторождения, по сравнению с углем Элегесткого месторождения, что согласуется с пластометрическими показателями Y: МУ-33; КУ-20; ЭУ-14, определенными в отделе технического контроля Тувинской горнорудной компании (ТГРК).

Заключение

1. При смешивании тувинских углей различных месторождений все технические показатели естественным образом усредняются, в результате чего можно получить доступное топливо (путем смешивания окисленных углей с более реакционноспособными углями) и требуемого качества по основным проблемным показателям (при слоевом сжигании): зольность (Ad, %), выход летучих веществ (Vdaf, %) и низшая теплота сгорания (Qi, ккал/кг). Например: в смеси МУ50-КУ50 по сравнению с КУ видно, что зольность и выход летучих веществ снижается, а низшая теплота сгорания по сравнению с МУ повышается. Для сжигания смесей в печах частного сектора рекомендуется топливо подвергнуть брикетированию.

2. В будущем (после строительства ж/д Кызыл – Курагино) тувинские угли могут стать основой для приготовления шихты с получением высококачественного кокса, и метод ИК-спектрометрии, является одним из перспективных экспресс-анализов, которые позволяют значительно сократить время анализа углей для оперативного оптимального шихтования и получения кокса максимальной прочности. Методом ИК-спектрального анализа углей было подтверждено, что по структурным параметрам можно сравнивать образцы по степени ароматичности, окисленности и спекаемости.

Автор работы выражает благодарность за помощь в выполнении технических методов анализа начальнику ОТК ТГРК Ч.М. Иргит.