Маркировка каменных углей

Уголь	Марка	Vг, %	Характеристика кокса
1	2	3	4
Длиннопламенный	Д	≥36	От порошкообразного до слабоспекающегося
Газовый	Г	≥35	Спекающийся
Газовый жирный	ГЖ	31−37	То же
Жирный	Ж	24−37	»
Коксовый жирный	КЖ	25−33	»
Коксовый	К	17−33	»
Отощенный спекающийся	ОС	14−27	»
Тощий	Т	9−17	От порошкообразного до слабоспекающегося
Слабоспекающийся	СС	17−37	То же

Наиболее молодые каменные угли обладают большим выходом летучих − более 33%. Это длиннопламенные, газовые угли.

По внешнему виду каменные угли в отличие от бурых имеют черный цвет, иногда с блеском, плотное строение и большую прочность.

К антрацитам относят ископаемые угли с выходом летучих менее 7,5%. Различают полуантрациты (ПА), переходные от тощих каменных углей к антрацитам, и антрациты (А). Низшая теплота сгорания их составляет 24 100−30 300 кДж/кг.

Для антрацитов характерны металлический блеск, слоистая структура, большая твердость. Загораются антрациты трудно, горят почти без пламени, тлея в кусках; относятся к высокосортному топливу, так как имеют небольшой балласт, высокую теплоту сгорания, устойчивы на воздухе, поэтому легко выдерживают дальние перевозки и длительное хранение на складах.

При добыче каменных углей и особенно антрацитов образуются куски разных размеров, определяющие сортность.

Согласно ГОСТ 19242−73, бурые, каменные угли и антрациты разделяют на следующие их классы (табл. 1.5).

Таблица 1.5

Классификация ископаемых углей

Класс	Обозначение для		Размер куска, мм
	каменного угля	антрацита
1	2	3	4
Плитный	П	АП	100−200 (300)
Крупный	К	АК	50−100
Орех	О	АО	25−50
Мелкий	М	АМ	13−25
Семечко	С	АС	6−13
Штыб	Ш	АШ	 6
Рядовой	Р	−	Не более 200−300
Мелкий и семечко со штыбом	МСШ	−	 25
Семечко со штыбом	СШ	−	 13

Полное обозначение ископаемых углей получается при приписывании к обозначению марки обозначения класса углей, например АШ − антрацит штыб, Б2Р − бурый рядовой с влажностью 30−40%, ДР − каменный уголь длиннопламенный рядовой и т.д.

Горючие сланцы образовались в виде слоистых отложений на дне бывших водоемов в течение длительного времени. Они являются продуктом пропитывания мергелистых, известняковых и других горных пород разложившимися простейшими организмами, обитавшими в водоемах. Для горючих сланцев характерны высокая зольность, достигающая 65% на сухую массу, повышенная сернистость − до 13% и высокое содержание летучих веществ − до 90% на горючую массу. Низшая теплота сгорания рабочей массы их невысока, всего 4600−10 300 кДж/кг. Горючие сланцы горят длинным коптящим пламенем. Их удобнее сжигать в пылевидном состоянии. Из-за низкой теплоты сгорания горючие сланцы в большом количестве идут на переработку для получения из них более ценного газообразного (сланцевого газа) и жидкого топлива, а также разнообразных химических продуктов. Сланцевую золу используют в производстве цемента и бетона как активную минеральную добавку, в качестве известкового вяжущего в производстве ячеистого бетона, в составе тампонажных растворов в нефтедобыче, а также в сельском хозяйстве для нейтрализации кислых почв.

Горючие сланцы относят к местным видам топлива. Природные запасы их в Беларуси составляют 11 млн. т, но промышленная разработка их является экономически нецелесообразной.

Техногенное топливо. В настоящее время в качестве техногенного топлива в ряде зарубежных стран используются изношенные автомобильные покрышки. Их в целом виде или кусками сжигают, например, в цементных вращающихся печах. Такой метод утилизации всех изношенных автопокрышек применяется в Японии и Германии. Содержащийся в них металлокорд не является препятствием, поскольку частично заменяет в сырьевой смеси железосодержащий компонент.

Теплота сгорания автопокрышек  33 000 кДж/кг. Одна тонна их равноценна 800850 кг мазута М 40.

Объем накопившихся в Республике Беларусь автопокрышек составляет 400 тыс. т, и ежегодно он пополняется на 5560 тыс. т. Следовательно, этот обременительный с экологической точки зрения техногенный отход представляется достаточно перспективным источником теплоты. Из опыта работы цементных заводов Германии, таким топливом можно покрывать 25% потребной теплоты во вращающейся печи, работающей по сухому способу.

Не менее перспективным для цементной отрасли является синтетическое топливо из отработанных технических масел и жидких органических отходов лакокрасочных и других производств, получаемое пропиткой ими мелкодисперсного (фракции до 2 мм) известняка. Это топливо затем с помощью двухканальной горелки вдувается совместно с пылеугольным топливом во вращающуюся цементную печь.

Применение техногенных топлив решает задачу программы энергосбережения и увеличения доли местного топлива в топливно-энергетическом балансе республики, а также вопросы улучшения экологии.

Жидкое топливо. Основным источником искусственных жидких топлив является нефть. Она представляет собой маслянистую жидкость от темно-бурого до черного цвета растительно-животного или иного происхождения, состоящую из смеси парафиновых, нафтеновых (C_nH_2n+2) и ароматических (C_nH_2n+6) углеводородов, находящихся в различных соотношениях. В ней содержится также некоторое количество жидких кислородных, сернистых и азотосодержащих соединений.

Сырая нефть редко используется в качестве топлива. Для получения искусственных видов топлива ее подвергают термической переработке: фракционной перегонке или крекингу. При фракционной перегонке нефть нагревают до 300−370°С. В процессе нагрева образующиеся пары разгоняют на фракции, которые конденсируются при разной температуре: сжиженный газ (выход 1%), бензиновая (t_к=30−180°С, выход 15%), керосиновая (t_к=120−135°С, выход 17%), дизельная (t_к=180−360°С, выход 18%). Жидкий остаток с температурой кипения 330−350°С называется мазутом. Выход мазута при прямой перегонке составляет 40%. При использовании глубокой перегонки (крекинга) нефти выход его не превышает 20%. Крекинг-процесс состоит в расщеплении сложных углеводородов мазутной фракции на более простые легкокипящие при повышенном давлении, температуре и при участии катализатора. При крекинге нефти увеличивается выход из нее светлых нефтепродуктов.

В Республике Беларусь природные запасы нефти составляют 58 млн. т. Ежегодная добыча ее не превышает 1,7 млн. т.

Мазут по внешнему виду представляет собой черно-бурую жидкость с зеленоватым оттенком. В зависимости от содержания предельных и непредельных углеводородов он делится на парафинистый и непарафинистый. В мазутах прямой перегонки преобладают углеводороды ароматического и нафтенового ряда, а также полициклические и парафиновые. Крекинг-мазут содержит в основном полициклические углеводороды, а также углеводороды непредельного ряда (олефины) и продукты их полимеризации или конденсации. В мазуте содержатся асфальто-смолистые вещества, представляющие сложные комплексы полициклических, гетероциклических и металлоорганических соединений.

В соответствии с ГОСТ 10585−75, мазут разделяют на следующие марки: флотский Ф5 и Ф12; топочный 40В и 40; топочный 100В и 100. В последнее время появился мазут марки 200. Цифра в марке мазута показывает значение условной вязкости (°ВУ). Флотские мазуты относятся к категории легких топлив, топочные мазуты марок 40В и 40 − к категории средних, остальные из указанных выше − к категории тяжелых. Для сжигания в технологических установках и промышленных печах в основном используется мазут марок 40В и 40. Они состоят преимущественно либо из тяжелых крекинг-остатков, либо из смеси крекинг-остатков с мазутом, получаемом при прямой перегонке нефти. Мазут, маркированный буквой В, относится к высококачественному.

Мазут содержит в основном углерод (С^р=84−87,7%) и водород (Н^р=10−11,7%). Имеет значение кинематической вязкости от 36 до 118 мм²/с. Для перекачки мазута по трубопроводам (так называемым пароспутникам) и осуществления процесса сжигания его подогревают глухим паром до 100−140°С до достижения вязкости 15−20 мм²/с. Температура застывания мазута находится в пределах (7 − 42°С). В пределах марок топочные мазуты подразделяются на три сорта в зависимости от содержания серы: малосернистые (S^p0,5%), сернистые (S^р=0,52%) и высокосернистые (S^р=2,5−3,5%). Зольность (А^р) мазутов не должна превышать 0,14%, влажность (W^р) − не более 1,5%. В состав золы входят соединения V, Ni, Fe и других металлов. Из-за большого содержания в золе соединений ванадия ее используют для выделения ванадия. Низшая теплота сгорания мазута указанных марок достигает 39 900−41 490 кДж/кг.

В последнее время все более актуальным становится получение жидкого топлива из угля, горючих сланцев, рапса. Причем оно получается достаточно конкурентоспособным по отношению к природному, в особенности дизельное топливо из рапса. В Беларуси успешно ведутся работы по получению жидкого топлива типа мазута М 40 из изношенных автопокрышек. Выход жидкого топлива в этом случае составляет 450500 кг из одной тонны покрышек. Однако процесс переработки их на жидкое топливо является менее экономичным, чем сжигание их непосредственно во вращающихся цементных печах при условии соблюдения требований охраны окружающей среды. Сжигание автопокрышек позволило бы уменьшить доминанту природного газа в цементном производстве.

Природный газ − беззольное высококачественное топливо. Представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из предельных (C_nH_2n+2) и непредельных (C_nH_2n) углеводородов, H₂, CO и Н₂S. В состав негорючей части входят N₂, CO₂ и Н₂O. Природный газ чисто газовых месторождений характеризуется высоким содержанием углеводородов, в основном метана СН₄ (до 99%). В состав природного газа в небольших количествах входят также этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, пентан С₅Н₁₂, этилен С₂Н₄ и пропилен С₃Н₆. Содержание балласта СО₂ и N₂ в природном газе может находиться в пределах 0,1−14,5% по объему, концентрация водяного пара − соответствует состоянию насыщения при температуре газа в трубопроводе. В процессе добычи природный газ осушают, очищают от механических примесей, сернистых соединений, тяжелых углеводородов. Низшая теплота сгорания сухого природного газа колеблется в пределах от 33 100 до 36 950 кДж/м³ при н.у.

Кроме чисто газовых месторождений, имеются месторождения природного газа, сопутствующие залежам нефти. Газы, получаемые из таких скважин, называются попутными, или нефтяными газами. Они содержат больше тяжелых углеводородов. Теплота сгорания их в связи с этим может достигать 63 560 кДж/м³ при н.у.

Искусственные газы могут быть получены специально путем термической обработки естественных твердых видов топлива либо являются побочными продуктами различных производств. К первым относится генераторный газ, ко вторым − доменный, коксовый и нефтяные газы.

Генераторный газ является основным представителем искусственного газообразного топлива. Процесс его получения из твердого топлива называется газификацией. Осуществляют его в специальных аппаратах − газогенераторах. Сущность процесса газификации состоит в неполном сжигании твердого топлива при недостатке воздуха. Процесс газификации может протекать также в угольных пластах, залегающих в недрах земли. Этот способ газификации является перспективным для сильно забалластированных углей, а также трудноизвлекаемых. Генераторный газ может быть получен нескольких видов: воздушный, водяной и паровоздушный (смешанный). Воздушный получается при продувании сухого воздуха через слой углерода, водяной  при комбинированной схеме его получения. В первом случае основной горючей составляющей генераторного газа является СО, во втором − СО и Н₂ и в третьем − СО, Н₂, СН₄ и другие углеводороды. Наибольшую низшую теплоту сгорания из них имеет водяной генераторный газ (10 300 кДж/м³), наименьшую − воздушный (4600 кДж/м³). Генераторные газы в большинстве стран практически полностью вытеснены природным, однако сейчас снова возрождается интерес к их получению и использованию.

Доменный газ получается на металлургических заводах при доменном процессе. Горючая часть его включает СО, Н₂, СН₄ и H₂S. Он имеет низшую теплоту сгорания до 4900 кДж/м³. Используется на том же производстве в чистом виде или в смеси с коксовым газом.

Коксовый газ образуется при коксовании углей. Имеет более сложный состав. Горючая часть его содержит преимущественно Н₂, СН₄. Поэтому низшая теплота сгорания его более высокая и находится в пределах 16 500−20 600 кДж/м³ при н.у. Газ переработки нефти получается в процессе крекинга и пиролиза. При этом наряду с жидкими продуктами из нефти выделяется большое количество горючих газов, теплота сгорания которых составляет 46 000−50 000 кДж/м³ при н.у.

В последнее время в мире промышленное применение получает биогаз  продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). Горючая часть биогаза состоит в основном из СН₄, СО с небольшим количеством Н₂S, Н₂. Низшая теплота сгорания биогаза находится в пределах 22 400−26 100 кДж/м³ при н.у. Анаэробное сбраживание различных отходов, кроме того, позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды. Потенциально возможное получение в Беларуси товарного биогаза от всех источников оцениваются в 160 тыс. т у.т. в год.

Сравнительные усредненные характеристики твердого, жидкого и газообразного топлива приведены в табл. 1.6−1.8. Как видно из табл. 1.6, с возрастом твердого топлива в нем увеличивается содержание углерода, водорода, летучих веществ. Увеличивается также теплота сгорания. Температура плавления золы может изменяться в широких пределах  1170−1500°С. Поскольку горючие сланцы имеют иное происхождение, они не подчиняются указанной зависимости.

Таблица 1.6