Реферат: Геологія та гірничо-видобувні роботи удк 553. 93 Білецький В. С., д т. н., професор

ГЕОЛОГІЯ ТА ГІРНИЧО-ВИДОБУВНІ РОБОТИ


УДК 553.93


Білецький В. С., д. т. н., професор ( Донецький національний технічний університет, м. Донецьк)

ПРОБЛЕМИ ПЕРЕРОБКИ СОЛОНОГО ВУГІЛЛЯ

Розкриті екологічні і технологічні аспекти проблеми солоного вугілля, а також подано огляд світового досвіду їх переробки. Викладені основні дані щодо сировинної бази солоного вугілля України. Узагальнені результати вітчизняних досліджень в галузі освоєння солоного вугілля Донбасу. Описані сучасні процеси і методи переробки цього вугілля.


Technological and ecological aspects of problem of salt coal open. The rewiew of world experience of their alteration was done. The results of home researches in mastering domain of salt coal from Donbas аre generalized. Basic data of salt coal in Ukraine laid out. The contemporary processes and alteration methods of this coal were described.


^ Над проблемою використання солоного (лужного) вугілля, частка якого у різних країнах становить 3-10% від загальних запасів вугілля, сьогодні працюють ряд вчених у ФРН, США, Англії, Польщі, Австралії, Україні і інш. країнах [1-95]. Основні труднощі пов'язані з освоєнням і використанням родовищ лужного вугілля зумовлені його підвищеною шлакуючою і корозійною здатністю, а також негативним екологічним впливом на довкілля при спалюванні або іншій термообробці.

У 1980-90-х роках у нашій країні проведено ряд досліджень теоретичного і прикладного плану, метою яких було створення перспективних технологій переробки вітчизняного солоного вугілля. Зокрема, такі дослідження провели Державний інститут мінеральних ресурсів (ДІМР) України, Донецький комплексний відділ інституту “ВНИИПИГидротранспорт” (нині НВО “Гаймек"), Дніпропетровський хіміко-технологічний інститут, Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України, Інститут фізико-органічної хімії і вуглехімії (ІНФОВ) НАН України, Донецький політехнічний інститут (нині – Донецький національний технічний університет).

Солоним або “лужним" називають вугілля з аномально підвищеним вмістом лужних металів в основному, натрію [1]. Вперше цей термін був введений Лемманом у 1952 р., який детально описав буре лужне вугілля Східної Німеччини. Шкідливими домішками цього вугілля є легкоплавкі сполуки натрію і хлору, які відіграють основну роль в утворенні шлаків на поверхнях нагріву при спалюванні вугілля. Хлор і натрій нарівні з сіркою виступає як основний кородівний аґент [2], а також активно забруднює навколишнє середовище [3].

Родовища вугілля з високим вмістом несилікатного натрію, тобто солоних, відомі в багатьох країнах світу - Німеччині, Польщі, США, Україні, Казахстану, Росії, Чехії, Великобританії, Австралії та інш. (див. табл. 1) [4, 13, 95]. Найчастіше таке вугілля має низьку стадію метаморфізму. Максимальне перевищення оксиду натрію в золі вугілля (по відношенню до порогового) коливається в межах 3-8 разів. При цьому практично у всіх випадках у вугіллі домінуючими є водорозчинні сполуки натрію, головним чином галіт.

Розвідані запаси солоного вугілля вельми істотні. Для України це ~ 25 млрд. т, тобто близько 5% всіх розвіданих запасів [3]. У інших країнах їх частка в загальному балансі вугільних енергоресурсів знаходиться, як правило, в межах 3-10%.

Форми лужних компонентів солоного вугілля, які визначають раціональні способи збагачення і подальшої його хімічної і термічної переробки, суттєво залежать від історії походження вугілля. Сьогодні ця проблема має декілька альтернативних розв’язань. Принципово можливі два джерела засолення вугілля - морська вода [12,14-16, 95] і вмісні породи [13, 16-19]. Серед останніх виділяють соленосні відклади і лужні магматичні породи [13]. Прикладом засолення вугілля морською водою вважають басейни що утворилися в прибережно-морських і лагунних умовах седиментації [16]: Іллінойський (США), Південно-Уельський, Йоркширський і інш. (Великобританія), Рурський (ФРН), Остравсько-Кравінський (Чехія), частково Донецький (Україна) і Карагандинський (Росія) і т.д. Серед галогенних порід знаходиться ряд родовищ палеоген-неогенового віку в США, ФРН, Польщі [4, 16,17, 95]. Тут засолення вугілля відбувалося, ймовірно, внаслідок руйнування соленосних відкладів.

За часом засолення існують три можливості [13]: при торфонакопиченні (сингенез), на стадії раннього вуглеутворення (діагенез), в пласті вугілля, що вже сформувався (стадія епігенезу). Аналіз цих варіантів, проведений рядом дослідників, показує велику імовірність гіпотези засолення в період сингенезу. Це, очевидно, пояснює тісний зв'язок сольових компонентів з органічною речовиною вугілля. Що стосується Новомосковського родовища (Україна), вугілля якого становить особливий інтерес для української енергетики, то згідно з дослідженнями С.Д.Пожидаєва [4] тут мало місце засолення на стадії епігенезу. Найвірогідніше, сольовий розчин проникав у вугільні пласти по тріщинах. Засолення ж на стадії торфоутворення для цього вугілля малоймовірне [4].


Таблиця 1

Характеристика деяких родовищ солоного вугілля


Родовище, країна

[Na2O]

в золі, %

Фактор забруднення, %

Зольність, %

Сполуки натрію у вугіллі

Qdaf, Мдж/кг,

Wtr,%

Ступінь вуглефікації

Шт.Вікторія, пласт Моруелл, Австралія

3-12

32,1-53,7

Аd=1,7-2,2

NaCl, -COONa

25,8-28,4

Wtr=45-60%

Буре вугілля, лігніти

Сr=67-69%

Шт.Півн.Дакота, США

1,4-6,5

2,0-10,7

Гумати натрію

-

лігніти

Мідленд, Англія

0,5-6,0

1,6-4,9

NaCl

32,4-37,0

Кам’яне вугілля

Нижньорейнський буровугільний басейн, Німеччина

0,4-9,7

1,1-14,0

-

6,3-8,8

Землисте буре

вугілля

Район Аммедорф, Егельнська мульда, Німеччина

6-17

3-6

Аd=16-23%

NaCl,

гумати натрію

9,6-11,5

Буре вугілля

Туров, Польща

5,8

5,5

NaCl, Na2SO4,

гумати натрію

10,0

Буре вугілля

Старобільсько-Міллеровське, Україна

3,2-10,9

-

NaCl,

гумати натрію

30,5-31,8

Довгополуменеве та газове вугілля

Новомосковське, Україна

2‚5-16‚8

8,5

Аd=10%

NaCl, Na2SO4-ONa

30,1-31,4

Wtr=21,4%

Вугілля перехідне від бурого до кам’яного

Тургайське, Казахстан

>1




NaCl

<24

Буре вугілля

Артемівське, Росія

1,07-13,34

Аd=4-41%

NaCl, Na2SO4,

гумати натрію

Wtr=9-20%

Газове та буре вугілля



У 50-60-х роках ХХ ст. на засоленому вугіллі працювало ряд теплоелектростанцій Англії, США та ФРН [2]. Однак, серйозні труднощі, викликані шлакуванням і корозією поверхонь нагріву котлів послужили причиною заміни ТЕС своєї сировинної бази. У результаті шахти що добували лужне вугілля були закриті, і перед дослідниками гостро стало питання пошуку нових прийнятних технологій їх використання.

Золові відкладення на робочих поверхнях котлоаґрегатів можуть давати всі неорганічні компоненти вугілля, але поведінка їх різна. Найбільш легкоплавким в золі вугілля є галіт (температура плавлення біля 800о С). Осідаючи на робочих поверхнях а також на частинках леткої золи він істотно підвищує їх клейкість, створюючи тим самим умови для формування первинного шлакового шару. Подальше налипання золових компонент приводить до утворення більш товстого основного шару шлакових відкладів. При реакції з діоксидом сірки галіт переходить в більш міцний тенардит Na2[SO4]. Під впливом температури шлакові відклади спікаються, що підвищує їх міцність і практично виключає можливість їх видалення звичайними пристроями для очищення. У результаті різко погіршується теплообмін і збільшується температура газів на виході з топки, що знижує к.к.д. аґреґату і, в кінцевому результаті, внаслідок інтенсивного шлакування повністю виводить його з ладу [16]. Температура початку шлакування солоного вугілля Новомосковського родовища Західного Донбасу становить 750-850 оС (призольності 7,6-12 %), тоді як для несолоного вугілля Донбасу вона суттєво вища - 1000-1020 оС.

Інтенсивна корозія металу при спалюванні солоного вугілля за даними Е.П.Діка збільшується з підвищенням температури і збільшенням вмісту у вугіллі хлористого натрію[16]. А.А.Отс показав, що хлор при спалюванні солоного вугілля виступає як активний прискорювач процесу корозії. Цей ефект спостерігається при вмісті хлору у вугіллі понад 0,5 % [91, 8, 12]. І.П.Епік зв'язує прискорення корозії сталі з хімічно агресивним впливом складних сульфатів натрію і калію [92]. А.Цінцен вказує на негативний вплив сполук лужних металів на карборундову теплоізоляцію труб [93].

При спалюванні солоного вугілля в атмосферу з водяною парою виділяється HCl, а в середовищі вуглекислого газу - молекулярний хлор Cl2. У процесі термоактивації солоного вугілля утворюється також чадний газ CO, хлористий водень HCl, водень Н2, метан СН4 [2, 3, 49]. Крім того, при термопереробці солоного вугілля існує імовірність утворення діоксинів, токсична дія яких значною мірою перевершує дію відомих найсильніших отрут: ціанідів, стрихніну, кураре, зоману, зарину, табуну, VX-газів і інш. [50]. Речовини діоксинового ряду володіють мутагенними властивостями, зменшують імунні можливості організму, нагромаджуючись в організмі, де період напіврозпаду діоксинів складає 6-7 років, викликають різноманітні хвороби і навіть обумовлюють викривлення спіралі молекули ДНК, що спрощує вплив не неї інших речовин [50-53].

Українські вчені Шендрик Т., Симонова В., Потоцька Л. і інш. вважають також вірогідним утворення при термообробці солоного вугілля фосгену - COCl2 [49]. Загалом екологічний аспект термопереробки (зокрема, спалювання) солоного вугілля є вельми важливим компонентом проблеми їх використання, але на сьогодні ще вивчений слабко.

^ Пошук ефективних і екологічно прийнятних методів переробки солоного вугілля ведеться в двох принципово різних напрямах: перший передбачає розробку нових способів прямого використання солоного вугілля без видалення натрій- і хлорвмісних домішок; другий передбачає попереднє знесолення (збагачення вугілля по солі) з подальшим використанням кондиційного продукту в топках (або інших процесах).

Перший напрям включає як традиційний спосіб використання малометаморфізованого солоного енергетичного вугілля - їх спалення на ТЕС, котельних, так і пошук нових шляхів використання незбагаченого солоного вугілля - піроліз, газифікація, зрідження, напівкоксування, комплексна переробка з виділенням гуматів.

У Німеччині і Великобританії випробувано технологію спалювання попередньо збідненого солоного вугілля [5,15]. При цьому для збіднення в нього додавали глину. Таке рішення є одним з найбільш простих, однак значне зменшення теплотворної здатності вугілля істотно знижує техніко-економічні показники процесу аж до його невигідності.

Технічні рішення [21-23] передбачають спеціальні добавки до солоного вугілля, яке нейтралізують негативний вплив лужних солей при їх спалюванні. Такими добавками, як правило, служать силікати лужних металів, кремнієві кислоти, кварц, оксид магнію, веруліт. У Великобританії і Німеччині успішно випробувані як спеціальні добавки до солоного вугілля сполуки Mg і Ca, які нейтралізують несилікатний натрій [24]. Однак застосування в промисловості цей спосіб не знайшов, так як вважається неекономічним [2].

У Німеччині здійснена спроба створення спеціальних топок хлоридного горіння. Це забезпечує спалення палива при зниженій температурі і максимально швидке зниження температури димових газів, що в комплексі повинно різко знизити або навіть усунути шлакування робочих поверхонь при використанні солоного вугілля. Однак, випробування таких топок не дали очікуваних задовільних результатів і подальші роботи в цьому напрямі були припинені [2,8].

Спалення солоного вугілля в котлах з циклонними топками і рідким шлаковидаленням паропродуктивністю 100 і 125 т/год на одній з фірм VEB (Східна Німеччина) показало, що специфічні відкладення на робочих поверхнях котлів спостерігаються при вмісті Na2О в золі 2% і більше [5].

У США солоне вугілля спалено в топках обладнаних додатковим пристроєм очищення екранів. Однак, ці заходи виявилися неприйнятними для очищення поверхонь пароперегрівачів через виникнення термічних напружень в трубах [8].

У Німеччині виконані дослідницькі роботи з напівкоксування солоного вугілля. Встановлено, що при переробці цим методом вугілля родовища Мерсебурґ-Схід близько 50% оксиду натрію і 60-80% хлору переходить у напівкокс. Вихід рідких продуктів в залежності від режимів коксування коливається в межах 5-50%.

У США, Україні і ФРН виконані досліди по зрідженню солоного вугілля [13, 27, 28]. Лабораторні дослідження з гідрогенізації солоного вугілля Новомосковського родовища (Україна) показали можливість перетворення органічної маси вугілля на рівні 72-81%. При цьому основна маса натрію (95-97) і хлору (94-98) концентрується в твердому залишку. При гідрогенізації солоного вугілля Німеччини кількість цільового рідкого і газоподібного продукту становила 53%. Ніяких істотних технологічних ускладнень на лабораторному етапі досліджень не виявлено. Однак, при зрідженні рядового солоного вугілля з родовищ штату Кентукі (США) на пілотній установці спостерігалася активна корозія робочих поверхонь дистиляційної колони. Це, очевидно, було викликане присутністю в продуктах кислоти HCl.

Загалом же, отримані результати оцінені дослідниками як позитивні, а переробка солоного вугілля гідрогенізацією визнана перспективним напрямом.

Ряд способів переробки солоного вугілля без операції спеціального знесолювання запропоновано також українськими вченими Дніпропетровського хіміко-технологічного інституту, Інституту фізико-органічної хімії і вуглехімії НАН України, Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України. На них ми детально зупинимося нижче.

Інший напрям, що передбачає попереднє збагачення вугілля по солі (знесолювання), опрацьований в ряді дослідницьких центрів [11, 23, 30, 32-47, 94, 96]. Причому найбільша частина запропонованих рішень основана на різних варіантах водної промивки солоного вугілля. Це, зокрема, технології Державного інституту мінеральних ресурсів України, НВО “Хаймек", Донецького національного технічного університету.

У США помічено, що при зберіганні солоного вугілля на відкритому повітрі протягом 8 тижнів під впливом природних чинників відбувається його природне відмивання від солі (вміст хлору знижується в 3-4 рази) [37]. Цей факт заслуговує уваги, однак при всій простоті такого прийому він має ряд недоліків: по-перше, сезонний характер; по-друге, результати знесолювання сильно залежать від кількості опадів і важко прогнозуються. Головними ж недоліками є, з одного боку, деґрадація вугілля при тривалому зберіганні, погіршення його технологічних властивостей внаслідок окиснення і, з іншого, - неодмінне активне засолення ґрунтів в районі складування солоного вугілля.

Г.Кроунголд і інш. розробив оригінальний метод знесолювання заснований на йонному обміні [38]. Він дозволяє знизити вміст Na2О в золі солоного вугілля у 20 разів (з 20 до 1 %). Однак, в промисловості цей метод не знайшов впровадження через економічну неефективність.

Авторами [39-41] запропоновано декілька варіантів знесолювання шляхом обробки вугілля соляною і плавиковою кислотами, послідовно розчинами NaOH і HCl, обробкою водним розчином аміаку. Але ці хімічні методи при переробці великої маси вугілля для енергетики виявляються дорогими. Крім того, їх використання пов'язане із застосуванням токсичних речовин.

Таким чином, проведений огляд показує, що проблема переробки солоного вугілля активно вивчається вченими ряду країн і певні успіхи досягнуті як в області прямого їх використання, так і в збагаченні по солі.

^ Дніпропетровським хіміко-технологічним інститутом (ДХТІ) виконані дослідження придатності солоного вугілля Новомосковського родовища для отримання облагородженого палива методом газифікації [29,30]. При цьому як базисний використано метод газифікації вугілля в киплячому шарі під тиском, розроблений Інститутом горючих копалин. За цією технологією вугілля крупністю -10 мм подається в нижню частину реакційної камери газоґенератора куди також надходить пароповітряна суміш. У зоні газифікації здійснюється процес окиснювального піролізу вугілля. З підрешітної частини газоґенератора через систему бункерів здійснюють пневмозоловилучення. Сирий газ спрямовують у циклон, де виділяється вугільний пил, частина летких лужних компонентів і хлору. Знепилений газ знесірчують у фільтрі гарячого очищення вапняком, де з газу витягують сірководень, леткі лужні компоненти і хлор. У наступному по ходу газу фільтрі тонкого очищення газ звільняється від залишків всіх домішок, після чого прямує на парогазові установки ГРЕС, що встановлюють замість менш ефективних паросилових. Температура в реакційному просторі ґенератора витримується в межах 740-1030 оС. Упроцесі газифікації відбувається перерозподіл летких компонент і хлору, що містяться у вугіллі, між продуктами газифікації. У результаті в гарячий газ попадає 54-71% натрію і 61-69% хлору, що містяться в початковому вугіллі. У газі, охолодженому в холодильнику трубчастого типу, залишається 36-67% натрію і до 42% хлору. Після проходження фільтра, заповненого керамічними кільцями, газ очищається від твердих частинок і домішок летких лужних компонентів і хлору. У результаті залишковий вміст Na2O в газі знижується до 0,005 г/м3, що задовольняє вимогам енергетики.

Випробування технології, проведене на солоному вугіллі Новомосковського і Старобільського родовищ Донбасу, показало придатність цього вугілля для газифікації в киплячому шарі. Одночасно зафіксовано значну корозію сталей різних марок викликану агресивним впливом водяної пари збагаченої сірчистими і лужними компонентами, а також сполуками хлору. Ця обставина стримує промислове впровадження технології ДХТІ.

Інститутом проблем моделювання в енергетиці НАН України спільно з Інститутом газу НАНУ і Інститутом фізико-органічної хімії і вуглехімії НАНУ розроблено декілька способів спалювання солоного вугілля.

^ Перший спосіб направлений на зниження вмісту хлорвмісних газів у продуктах згоряння солоного вугілля до величини, що отримується на незасоленому вугіллі і відповідне зменшення корозії поверхонь нагріву котлів. Спосіб спалювання вугілля включає подрібнення вугілля, його термічну переробку, розділення отриманих газоподібних продуктів і коксового залишку, спалювання коксового залишку, виділення з продуктів згоряння золи, а також спалювання газоподібних продуктів. Термічну обробку здійснюють сумішшю повітря і водяної пари при відношенні останнього до вуглецю 6,5-30 мольних % і температурі 1110-1260 оК, після чого отримані газоподібні продукти термічної обробки перед спаленням охолоджують і відмивають водою від хлорвмісних сполук. Термічну обробку пароповітряною сумішшю здійснюють в киплячому шарі, кокс також спалюють в киплячому шарі при температурі 900-1400 оК. Частину золи, виділену з продуктів згоряння, використовують як теплоносій при термічній обробці вугілля, іншу золу виводять з системи, димові гази направляють в топку котлоаґреґата. Газоподібні продукти термічної обробки вугілля охолоджують, відмивають від хлорвмісних речовин при температурі 300-370 оК і спалюють в топці котлоаґреґата. Дослідами на лабораторній установці показано, що у вказаному вище інтервалі температур термообробки і співвідношенні водяна пара-вуглець забезпечується вміст хлору в димових газах по відношенню до вмісту в початковому вугіллі на рівні 4-9%. Таким чином, в топку котлоаґреґата поступає не більше 9% хлору, що міститься у вугіллі, а понад 90% його виділяється і відмивається з газів до топки котлоаґреґата. Дослідами також показано, що при термообробці в умовах, що знаходяться за межами вказаних інтервалів, або не виділяється необхідна кількість хлору, або порушується режим киплячого шару. При температурі вище за 1260 оК спостерігалося скупчення частинок і зашлакування шару спалюваного вугілля [ 20 ].

^ Другий спосіб спрямований на зменшення корозії поверхонь нагріву і системи очищення продуктів термічної переробки вугілля від хлорвмісних газів. Спосіб спалювання хлорвмісного вугілля включає часткову газифікацію вугілля, очищення продуктів газифікації від твердого залишку, доспалювання газоподібних продуктів газифікації в топці пароґенератора, доспалювання твердого залишку в окремій топці, очищення продуктів згоряння від золи, скидання їх в топку пароґенератора. Газоподібні продукти газифікації охолоджують до температури 870-920 оК і очищають за допомогою ґранульованого оксиду магнію. Вибраний інтервал температур для здійснення очищення відповідає умові найбільшої швидкості взаємодії оксиду магнію з хлористим воднем. До того ж при очищенні газоподібних продуктів від НСl при таких високих температурах корозія системи очищення буде значно нижчою, оскільки при цьому не досягається точка роси. Втрати тепла при охолоджуванні продуктів газифікації за цим способом також істотно меншають (в порівнянні з відомими способами очищення у водяних скруберах або при взаємодії з аміаком і подальшим уловлюванням твердого хлориду амонію). Таким чином, розроблений спосіб зменшує корозію теплообмінних систем і підвищує теплову і економічну ефективність спалення хлорвмісного вугілля [20].

Третім способом термічної переробки солоного вугілля є попередня газифікація в циркулюючому киплячому або фонтануючому шарах, що поєднує перевагу потокового процесу і процесу в киплячому шарі, з подальшим спаленням очищених продуктів газифікації. За цим способом подрібнене паливо поступає в реактор попередньої термічної переробки, де відбувається газифікація початкового палива з утворенням горючого газу і коксового залишку при температурі 1073-1273 оК. Продукти газифікації розділяють в циклонному сепараторі. Газоподібні продукти газифікації охолоджують в поверхневому теплообміннику до температур 870-920 оК за рахунок нагріву повітря що надходить на спалення, і подають на очищення від сполук сірки і хлору в аерофонтанний акцептор із засипкою оксиду магнію. Частково обчищені гази з аерофонтанного акцептора надходять в циклонний сепаратор, де вловлюються частинки оксиду магнію, і далі в насадки з магнієвими контактами, де відбувається остаточне очищення газоподібних продуктів газифікації від сполук сірки і хлору. Очищені гази поступають на спалювання в топку пароґенератора. Твердий залишок газифікації, вловлений у циклонному сепараторі, подають на спалювання в аерофонтанну топку і доспалюють при температурі 1170-1370 оК.

Перевірка запропонованого методу спалення солоного вугілля здійснена на дослідно-промисловій установці продуктивністю 12 тонн на добу по вугіллю. Установка створена на експериментальній базі Інституту геології і геохімії горючих копалин НАН України в селищі В.Синевидне (Львівська обл.). При цьому використаний серійний промисловий котел типу НИИСТУ-5М (теплова потужність 2,76 МВт).

Крім описаних способів, Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України вважає можливим переробку засоленого вугілля в установках високотемпературної газифікації. Експерименти на дослідній установці продуктивністю 100 кг/год показали ефективність якого процесу. Досвід переробки солоного вугілля Новомосковського родовища на лабораторній установці (15 експериментів по 30 хв.) дав позитивні результати.

ИГИ (Росія) виконав дослідження по гідрогенізації солоного вугілля одержавши глибину перетворення на рівні 68-73% [99].

^ У Інституті фізико-органічної хімії і вуглехімії НАН України проведені дослідження (Зайковський А.В. і інш. [31]) з лужного гідролізу солоного вугілля. На основі лабораторних досліджень запропонована схема комплексної переробки і використання солоного вугілля Донбасу. Технічне рішення включає три стадії переробки. Перша - вилучення солей гумінових кислот. Друга - карбонізація ентґумінованого вугілля. У дослідах [31] вона проводилася при 550 оС в струмині аргону. Третя стадія - газифікація карбонізату ентґумінованого вугілля діоксидом вуглецю з метою отримання відновних газів. Режим газифікації - 900-1100 оС. Випробування технології показали її перспективність.

Крім того в ІНФОВ НАН України В.Н.Шевкоплясом [89] проведені досліди з піролізу солоного вугілля Західного Донбасу в присутності неорганічних сполук. Встановлено, що обробка вугілля одномолярним розчином різних неорганічних активаторів веде до розупорядкування структури вугілля вже на стадії імпреґнування, що зумовлено взаємодією реаґенту з органічною масою вугілля. Це приводить до збільшення початкової деструкції органічної маси вугілля (перед термопереробкою) і обумовлює зсув температури найбільшого її розпаду в низькотемпературну область. Отримані результати можна використати при створенні вдосконалених способів коксування вугілля, а також у нових технологіях їх термопереробки.

Нами (див. Шендрик Т.Г., Білецький В.С. [90]) методами молекулярної спектроскопії проведені дослідження вуглемасляного аґломерату одержаного з кернових проб солоного вугілля Новомосковського родовища. Показано, що масляна аґломерація солоного вугілля - багатостадійний процес фізико-хімічної взаємодії активних центрів органічної маси вугілля і масляного аґенту, перебудови надмолекулярної структури центрів органічної маси, вимивання водорозчинних солей. Внаслідок цього процесу утворюється висококалорійна органічна сировина нової якості.

Приведені напрями досліджень є перспективними, їх розвиток може привести до створення нових високоефективних промислових технологій переробки солоного вугілля.

Центральним, питанням при визначенні технології знесолювання є форма існування Na і Cl в органічній речовині. Більшість дослідників вважають, що Na і Cl зі стехіометричним співвідношенням за NaCl знаходяться у вугіллі у вигляді адсорбованих йонів заповнюючи міжпакетний простір і орієнтуючись біля електрично відповідних елементів структури [14,15, 56]. Л.Я.Афанасенко виділяє три форми натрію в солоному вугіллі: (1) нерозчинного натрію; (2) розчинного еквівалентного хлору; (3) розчинного нееквівалентного хлору. Перша форма, - нерозчинний натрій, - ідентифікується з натрієвими сполуками в “пустій” породі [2]. Крім того, натрій, ймовірно, може входити в комплексні сполуки (хелати). За даними [4, 24] кількість нерозчинного Na невелика - на рівні 0,15-1,2% від всього Na у солоному вугіллі.

Друга форма натрію, - розчинний еквівалентний хлору, - основна для більшості лужного вугілля. Для Новомосковського вугілля, як показують досліди С.Д.Пожидаєва [44], частка Na, пов'язаного з хлором досягає 70-100%. Для солоного вугілля США (басейн Іллінойс) коефіцієнт кореляції Na і Cl становить 0,77 [10, 57]. За даними В.В.Симонової [13] кількість стехіометричного Na (за NaCl) у вугіллі Західного Донбасу коливається від 55 до 90%. Ці дані схожі з результатами досліджень Л.Я.Афанасенко, яка додатково встановила, що мінімальна кількість Na в складі NaCl характерна для тонких фракцій вугілля (0,2-0 мм) [2].

Третя форма натрію, - розчинний нееквівалентний хлору, - входить на думку авторів [14, 58, 59] в бічні периферійні групи макромолекули вугілля. Можливе також знаходження Na в солях низькомолекулярних органічних кислот, солях гумінових кислот і фульвокислот. В.В.Симонова оцінює кількість Na що входить до складу карбоксилатів і фенолятів на рівні 0-21% (новомосковське вугілля) [13].

Загалом же істотне переважання розчинної форми Na в більшості дослідженого солоного вугілля свідчить про принципову можливість високоефективного збагачення такого типу вугілля за Na методом водної промивки.

Зупинимося тепер на оцінці можливості збагачення вугілля за Сl тим же методом. Як вже показано, велика частина Cl представлена у вугіллі у вигляді NaCl. Однак, частина Cl згідно з дослідами [58, 60] хімічно пов'язана з вугільною речовиною. Л.Я.Афанасенко [2] виділяє дві школи дослідників питання про форми існування Cl у лужному вугіллі: (1) які стверджують, що Cl повністю представлений неорганічними сполуками - хлоридами NaCl, KCl, а також MgCl2, FeCl3, FeCl2 [61, 62]; (2) що припускають часткове знаходження Cl в сполуках з органічною вугільною речовиною [57-60]. При цьому можливі наступні реакції Cl з органічною речовиною вугілля: - взаємодія з парамагнітними централи і нейтралізація їх; - взаємодія з неграничними елементами структури вугільної речовини; - взаємодія з функціональними групами; - заміщення водню хлором в ароматичних і інших водневих структурах [63]. Г.Дайбел і В.Прайнгл [64] в деяких зразках солоного вугілля виявили до 50-70% хлору не пов'язаного з лужними металами. Ними проведені цікаві дослідження на англійському і американському солоному вугіллі що показали вплив карбонатів на ступінь екстракції Cl у воду. Якщо кількість карбонатів у вугіллі знаходиться в межах 0,25-1,5%, то у воду за певних умов може перейти весь хлор. При зниженому вмісті карбонатів (менше за 0,1%) екстракція хлору у воду здійснюється лише частково. Враховуючи це, а також підвищення ступеня екстрагування Cl розчинами що містять аніони NO3-; ОН-; NH2-; SO4- і інш. Л.Я.Афанасенко передбачає існування Cl у солоному вугіллі в йонообмінній формі. При цьому найбільш ефективною в йонному обміні вважається аміногрупа [2].

Загалом же за даними Л.Я. Афанасенко [2] Сl у вугіллі всіх родовищ України (Новомосковське, Богданівське, Петровське) на 90% знаходиться у розчинній формі.

Таким чином, виходячи з аналізу форм існування Na і Cl у лужному вугіллі потрібно очікувати як схожість так і відмінність механізму та динаміки процесів їх збагачення за Na і Cl шляхом водної промивки. При виділенні хлориду Na, спостерігається синхронна екстракція Na і Cl у водне середовище. Що ж до нестехіометричних (за NaCl) форм Na і Cl, то виділення кожної з них має свою специфіку.

Іншим вельми важливим моментом що визначає можливий механізм солевидалення є питання про наявність або відсутність локалізації Na і Cl-вмісних розчинних сполук у вугільній речовині. Це питання вивчене дуже слабко. Т.Г. Шендрик і інш. вважають розподіл йонів Na+ і Cl- по вугільній речовині в основному гомогенним [56]. Виходячи з встановлених структурних параметрів органічної маси лужного вугілля В.В.Симоновою висловлене припущення про засолення вугілля Західного Донбасу морською водою в період сингенезу або діагенезу, що також передбачає гомогенність розташування йонів Na+ і Cl- у вугіллі. Однак, виходячи з гіпотези С.Д.Пожидаєва [4] про епігенетичну стадію засолення сольові утворення повинні головним чином концентруватися в порах.

Автор [64] висловлює припущення про локалізацію ґрунтоводного хлору у великих порах і макротріщинах. Р.Майєрс [2] висуває матричну гіпотезу за якою вугільна речовина утворює органічний каркас-матрицю заповнену мінеральними включеннями. По суті питання про локалізацію солеутворювальних елементів в лужному вугіллі багато в чому залишається відкритим. Очевидно, частіше за все має місце змішана картина - відносна (що перемежається) гомогенність з окремими ділянками соленакопичення.

Зупинимося тепер на ще одній вельми важливій особливості лужного вугілля як об'єкта знесолювання - характеристиці його пористості. Вона, очевидно, значною мірою впливає на механізм вилучення йонів Na+ і Cl- сорбентом (водним розчином) з вугільної речовини.

Виходячи з уявлень А.А.Тагера про сорбцію і десорбцію в пористих системах [65] і зіставлення розмірів йонів хлору (9,8 нм) і натрію (18,1 нм) [66] Л.Я.Афанасенко [2] робить висновок про можливість евакуації йонів Na і Cl з вугільної речовини тільки по так званих перехідних порах (d = 2-7 нм) і неучасті в цьому процесі характерних для слабкометаморфізованого вугілля фольмерівських пор. Але тут спостерігається суперечність зумовлена довжиною мікропор (2-3 мм) і крупністю ефективно знесолюваного матеріалу (від 0-3 до 13-0 мм). Отже, питання про роль пор в процесі солевидалення вимагає подальшого вивчення і розвитку. Крім того, виходячи з гіпотези солевидалення через пори вугілля, неодмінною умовою є їх водонаповнення. Це питання для солоного вугілля раніше не вивчалося, хоч аналогічні дослідження для нелужного вугілля відомі [67].

Якщо вийти з гіпотези гомогенного розподілу сольових інґредієнтів в органічній масі вугілля, то вельми важливою характеристикою є необхідна (і достатня) міра попереднього подрібнення вугілля. У роботах [37, 42, 44, 47] вона визначена на рівні 0-3 мм. Ідея про більш тонке подрібнення вимагає подальшого дослідження.

Наші експериментальні дослідження [94], виконані на різному солоному вугіллі і при різних умовах знесолювання показують, що попереднє обмаслювання вугілля з метою його подальшого ефективного зневод­нення із застосуванням технології масляної аґломерації істотно не погіршує показники знесолювання [97].

Ю.Г.Світлим і інш. виявлено ефект повторного соленакопичення в органічній фазі при знесолюванні вугілля в процесі його гідротранспортування, особливо після 50 км шляху транспортування, що вимагає спеціального вивчення і теоретичної інтерпретації.

Глибокі комплексні дослідження знесолювання і облагороджування солоного вугілля Донбасу були проведені в Україні відповідно до Програми Міністерства геології в 70-80-тих роках ХХ ст. Особливої уваги тут заслуговують роботи Державного інституту мінеральних ресурсів (ДІМР) (С.Д. Пожидаєв і інш.) і Донецького комплексного відділу інституту ВНИИГидротрубопровод - нині НВО “Хаймек" (Ю.Г.Світлий, Ю.Ф.Власов, А.А.Круть, Р.С.Кастрикіна і інш.) [97].

Технологія ДІМР передбачає використання для знесолювання обладнання, що серійно випускається промисловістю для збагачувальних фабрик. Зольність рядового вугілля – 10-20 % обумовлюється різними способами його виїмки. Рядове вугілля крупністю 0-300 мм дроблять до 3 мм і знесолюють шляхом водної промивки в промивальних вежах або радіальному згущувачі при Т:Р не більше за 1:3 протягом 10-15 хв. Потім вугілля в одну або дві стадії збезводнюють на вакуум фільтрах і кек сушать до кондиційної робочої вологості (8%). Сушонку подрібнюють до 0-0,063 мм з одночасною додатковою сушкою вугілля до вологості 1-3%. Отриманий продукт спалюють в розпиленому вигляді і частіше за все з “підсвічуванням” топки мазутом. Важливою особливістю технології є демінералізація водної фази методом дистиляції і доупарювання з