Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ (МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА) УГОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ТУВИНСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Монгуш Г.Р. 1
1 ФГБУН «Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов» СО РАН
Целью данной работы является выявление закономерностей изменения технических показателей и химического состава органической массы угля, методом ИК-спектрального анализа, при смешивании углей тувинских месторождений. В результате анализа технических показателей было выявлено, что все тувинские угли малозольные (6–11 %) и малосернистые (0,32–0,7 %). Наибольший выход летучих веществ был обнаружен в угле месторождения Каа-Хемское (46,6 %). По низшей теплоте сгорания наименьшим показателем обладает уголь Межегейского месторождения (5613 ккал/кг), средний показатель у угля Элегестского месторождения (6489 ккал/кг), а высокие показатели обнаружены в углях Чаданского (7423 ккал/кг) и Каа-Хемского месторождения (7152 ккал/кг). Структурный параметр СНаром./СНалиф угля Каа-Хемского месторождения значительно снижается по сравнению с другими углями, что свидетельствует о низкой ароматичности и характеризует степень ненасыщенности в угле. Согласно параметру CHалиф./С=Саром. наиболее спекаемой способностью обладают угли Межегейского и Каа-Хемского месторождения, по сравнению с углем Элегесткого месторождения, также последний оказался наиболее окисленным. При смешивании тувинских углей различных месторождений все технические показатели естественным образом усредняются, в результате чего можно получить топливо требуемого качества по основным проблемным показателям (при слоевом сжигании): Ad, % Vdaf, % Qi, ккал/кг. А также результаты исследований углей методом ИК-спектрального анализа показали перспективность в экспресс-анализе требуемых характеристик (спекаемость и т.д.) шихты, для получения прочного кокса, что требует дальнейшего изучения.
каменный уголь
угольные смеси
ИК-спектры
структурные параметры
технические показатели
тувинские месторождения
1. Овинников В.А., Федоров Н.В., Осипов В.В., Устинович О.В. Экономическая эффективность использования каменно-бурой угольной смеси в топливно-дефицитных регионах России // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. № 4. С. 381–386.
2. Бесценный И.В., Бондзик Д.Л., Щудло Т.С., Дунаевская Н.И. Исследование синергетических эффектов при факельном сжигании угольных смесей // Сборник научных статей «Современная наука». 2011. № 3 (8). С. 119–124.
3. Монгуш Г.Р., Самойло А.С. Исследование реакционной способности углей и их газовых продуктов в процессах термоокислительной деструкции. // Современные наукоемкие технологии. 2018. № 12–2. С. 318–325.
4. Золотухин Ю.А. О свойствах углей Улуг-Хемского бассейна. Закономерности формирования качества кокса из шихт с участием Элегестского месторождения // Кокс и химия. 2016. № 5. С. 2–10.
5. Аксенин А.П., Крюков А.Н., Семисалов Л.П. Об определении выхода кокса // Кокс и химия. 1984. № 7. С. 23–25.
6. Улановский М.Л. Влияние выхода летучих веществ и зольности шихты на выходе кокса // Кокс и химия. 1990. № 10. С. 51–52.
7. Рубчевский В.Н. Выход кокса в зависимости о свойств шихты и конечной температуры коксования // Кокс и химия. 2014. № 4. С. 29–32.
8. Головко М.Б., Дроздик И.Д., Мирошниченко Д.В., Кафтан Ю.С. Использование данных элементного и петрографического анализов углей для прогнозирования выхода химических продуктов коксования // Кокс и химия. 2012. № 4. С. 09–18.
9. Черкасова Т.Г., Субботин С.П., Неведров А.В., Папин А.В., Колмаков Н.Г., Васильева Е.В. Оценка показателя коксуемости угольных концентратов на основе исследования прочности нелетучего остатка от определения выход химических продуктов коксования // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. № 6 (118). С. 178–185.
10. Посохов Ю.М. Разработка и промышленное осуществление экспресс-анализа углей на основе ИК-спектроскопии: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.07. Екатеринбург, 2055.
11. Антонова В.А., Котельникова Н.Ю., Бурков В.В. Оценка качества углей и шихты для коксования на основе ИК-спектрального анализа // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2004. № 9. С. 4–8.
12. Левданский А.В., Кондрасенко А.А., Маляр Ю.Н., Левданский В.А., Кузнецов Б.Н. Изучение органосольвентных лигнинов методами ИК-ЯМР-спектрометрии // Журнал Сибирского федерального университета. серия: химия. 2019. № 12 (2). С. 201–220.
13. Русьянова Н.Д. Углехимия / Отв.ред. Е.И. Андрейков. М.: Наука, 2003. 316 с.

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

Наименование

Зольность, Ad

Влага рабочая, Wtr

Аналитическая влага

Выход летучих веществ Vdaf, %

Содержание серы, Sd, %

Низшая теплота сгорания, ккал/кг

Wa

1

ЭУ исх

10,2

2

0,8

35,9

0,51

6489

2

ЧУ исх

6,9

1,9

0,7

36,4

0,7

7423

3

МУ исх

8,7

1,9

0,8

39,2

0,6

5613

4

КУ исх

6,8

1,8

1,6

46,6

0,32

7152

Угольная смесь месторождений Элегестское – Чаданское

5

ЭУ20-ЧУ80

7,4

1,8

0,8

36,3

0,67

7264

6

ЭУ40-ЧУ60

7,9

1,8

0,8

36,1

0,64

6978

7

ЭУ50-ЧУ50

8,6

1,9

0,7

36

0,54

6970

8

ЭУ60-ЧУ40

8,6

2

0,7

36

0,53

6944

9

ЭУ80-ЧУ20

8,9

1,9

0,7

35,9

0,52

6806

Угольная смесь месторождений Межегейское – Чаданское

10

МУ20-ЧУ80

6,8

1,7

0,8

36,2

0,69

7116

11

МУ40-ЧУ60

7,8

1,9

0,8

36,4

0,68

6755

12

МУ50-ЧУ50

8,2

2

0,8

36,7

0,66

6596

13

МУ60-ЧУ40

8,8

1,8

0,7

36,9

0,64

6418

14

МУ80-ЧУ20

8,7

2

0,7

38,2

0,61

5954

Угольная смесь месторождений Элегестское – Каа-Хемское

15

ЭУ20-КУ80

6,6

1,9

1,5

44,2

0,35

6993

16

ЭУ40-КУ60

8,5

1,7

1,4

44,1

0,4

6926

17

ЭУ50-КУ50

7,9

1,8

1,4

44

0,43

6904

18

ЭУ60-КУ40

8,5

1,9

1,3

43,7

0,45

6876

19

ЭУ80-КУ20

8,8

2

1

36,1

0,5

6731

Угольная смесь месторождений Межегейское – Каа-Хемское

20

МУ20-КУ80

6,7

1,9

1,6

44,7

0,33

6982

21

МУ40-КУ60

6,9

1,7

1,4

44,6

0,35

6649

22

МУ50-КУ50

7,2

1,9

1,3

43,7

0,51

6406

23

МУ60-КУ40

7,6

1,8

1

42,6

0,56

6273

24

МУ80-КУ20

8

1,7

1

42,1

0,59

5905

 

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.

mong1.tif

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.

mong2.tif

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.


Библиографическая ссылка

Монгуш Г.Р. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ (МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА) УГОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ТУВИНСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 12-1. – С. 157-162;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12973 (дата обращения: 21.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074