Твердые топлива, используемые как источник энергии и сырье для химического производства, подразделяются на топлива естественного происхождения - природные - и топлива искусственные - синтетические. К природным топливам относятся торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы. Они называются также ископаемыми твердыми топливами. Искусственными топливами являются каменноугольный, торфяной и нефтяной кокс, полученные пирогенетической переработкой различных видов природного топлива, а также брикеты и угольная пыль - продукты механической переработки твердого топлива.
Ископаемым твердым топливом (твердым горючим ископаемым) называются естественные твердые горючие вещества органического происхождения, образовавшиеся из остатков отмерших растений и планктонов в результате бактериального воздействия. В земной коре твердые горючие ископаемые находятся в виде углеродистых осадочных пород, образующих месторождения или бассейны. Все ископаемые твердые топлива по материалу, из которого они образовались, делятся на сапропелиты и гуммолиты.
Сапропелиты возникли в результате восстановительного разложения остатков сапропеля - илистых отложений, образовавшихся на дне водных бассейнов из планктона и низших растений. К сапропелитам относятся горючие битуминозные сланцы и некоторые другие ископаемые.
Гуммолиты возникли в результате окислительного разложения остатков высших растений. Они подразделяются на:
гуммиты, состоящие в основном из гумусовых веществ;
линтобиолиты, образовавшиеся из стойких структурных элементов низших растений (споры, пыльца и т.п.).
Основные виды ископаемых твердых топлив (торф, бурые и каменные угли, антрацит) относятся к гуммитам.
Глубина превращения исходных биогенных материалов в результате углеобразования в твердые топлива характеризуется так называемой степенью их углефикации (метаморфизма), под которой понимают среднее содержание углерода в топливе (в мас.%, или дол). По возрастанию степени углефикации твердые гуммитовые топлива образуют генетический ряд:
Торф → бурые угли → каменные угли →антрацит
Степень углефикации их приведена в табл.1.1
Таблица 1.1 - Степень углефикации ископаемых твердыхтоплив
| Топливо | Торф | Бурые угли | Каменные угли | Антрацит |
| Степень углефикации,мас.%и. - | 58-62 | 61-15 | 16-92 | 93-96 |
Твердые топлива составляют основную массу известных ископаемых топлив на планете. Их суммарные запасы на несколько порядков превосходят запасы жидкого (нефть) и газообразного топлива.
Каменные угли различной природы являются наиболее распространенным видом твердого ископаемого топлива. Это неоднородные твердые вещества черного или черно-серого цвета, включающие четыре типа макроингредиентов, различающихся по блеску, внешнему виду и составу: блестящий (витрен), полублестящий (кларен), матовый (дюрен) и волнистый (фюзен). Соотношение этих ингредиентов, составляющих органическую массу каменных углей, характеризует их структуру, химический и минералогический состав и обуславливает их многообразие и различие свойств.
В состав органической части каменных углей входят битумы, гумминовые кислоты и остаточный уголь. Молекулярная структура органической части угля представляет собой жесткий трехмерный полимер нерегулярного строения, содержащий подвижную фазу в виде разнообразных мономолекулярных соединений. Обе фазы построены из отдельных фрагментов, включающих ароматические, в том числе многоядерные и гидрированные системы с алифатическими заместителями, и азотсодержащие гетероциклы, соединенные мостиковыми связями С-С, С-О-С, C-S-C и C-NH-C. Степень конденсированности фрагментов (п) зависит от степени углефикации каменного угля. Так, при степени углефикации 18% п = 2, при степени 90% п=4, для антрацита n = 12. В составе каменных углей установлено также наличие различных функциональных групп: гидроксильной (спиртовые и фенольные), карбонильной, карбоксильной и серосодержащих групп - SR - и - SH.
Важнейшими характеристиками каменных углей, от которых зависят возможность и эффективность их использования, являются зольность, влажность, сернистость, выход летучих веществ и механические свойства, а для углей, применяемых в качестве сырья для термохимической переработки, - также спекаемость и коксуемость.
Зольность. Золой называется негорючая часть угля, состоящая из минеральных веществ, содержащихся в топливе. В состав золы входят оксиды алюминия, кремния, железа (III), кальция и магния. Высокая зольность снижает теплоту сгорания угля и ухудшает качество получаемого кокса. Зольность каменных углей колеблется от 3 до 30% и может быть снижена их обогащением. Угли, используемые для коксования, должны иметь зольность не выше 1-1,5%.
Влажность. Общая влажность угля состоит из внешней, образующей капли или пленки на поверхности, и внутренней (пирогенетической), выделяемой в процессе коксования. Влага, являясь балластом, удорожает транспортировку угля, затрудняет подготовку его к коксованию, хранение и дозировку, а также повышает расход тепла на коксование и увеличивает время коксования. Влажность углей, используемых для термохимической переработки, не должна превышать 1%.
Сернистость. Сера в каменных углях находится в виде колчеданной, сульфатной и органической. Общее содержание серы в углях колеблется от 0,4 до 8%. Так как в процессе коксования большая часть серы остается в коксе и может при выплавке чугуна переходить в металл, вызывая его красноломкость, уголь необходимо десульфировать обогащением.
Выход летучих веществ. Летучими веществами каменного угля называются парообразные и газообразные вещества, выделяющиеся из угля при нагревании его без доступа воздуха при определенной фиксированной температуре. Выход летучих веществ зависит от условий образования, химического состава и степени углефикации угля, а также от температуры, скорости нагревания и выдержки при заданной температуре. С увеличением степени углефикации выход летучих веществ уменьшается. Так, для торфа он составляет около 10%, для бурых углей - 65-45%, каменных углей - 45-10%, для антрацита - менее 10%. Методика выхода летучих веществ стандартизирована. Он определяется нагреванием навески угля при 850ºС и выдерживании при этой температуре в течение семи минут.
Коксуемость. Это свойство углей рассматривается в п.1.3.2
В основу технологической классификации каменных углей положены выход летучих веществ и толщина образующегося при нагревании пластического слоя. В табл.1.2 приведена технологическая классификация углей одного из бассейнов, по которой они делятся на 1 марок (классов).
Таблица 1.3 - Технологическая классификация углей
| Марка угля | Выход летучих веществ, % | Толщина пластического слоя, мм | |
| Наименование | Обозначение | ||
| Длиннопламенный ГазовыйЖирныйКоксовыйОтощенный спекающ. ТощийАнтрацит | ДГЖКОСТА | 423535-2121-1822-1411-199 | -6-1513-2014-206-13 |
Значительная часть ископаемых углей подвергается высокотемпературной (пирогенетической) переработке, то есть является химическим сырьем. Цель такой переработки - получение из угля ценных вторичных продуктов, используемых в качестве топлива и полупродуктов основного органического синтеза.
Все методы переработки ископаемых углей основаны на гетерогенных, в большинстве случаев некаталитических процессах, протекающих в многофазной системе при высоких температурах. В этих условиях материал угля претерпевает глубокие изменения, приводящие к образованию новых твердых, жидких и газообразных продуктов. По назначению и условиям процессы пирогенетической переработки твердого топлива подразделяются на три типа: пиролиз, газификация и гидрирование.
Пиролизом, или сухой перегонкой, называется процесс нагревания твердого топлива без доступа воздуха с целью получения из него твердых, жидких и газообразных продуктов различного назначения. В зависимости от условий процесса и природы вторичных продуктов различают низкотемпературный пиролиз, или полукоксование, и высокотемпературный пиролиз, или коксование. По масштабам производства, объему и разнообразию производимой продукции процесс коксования занимает первое место среди всех процессов переработки твердого топлива.
Полукоксование проводят при 500-580 0 С с целью получения искусственного жидкого и газообразного топлива транспортабельного и более ценного, чем исходное твердое топливо. Продукты полукоксования - горючий газ, используемый в качестве топлива с высокой теплотой сгорания и сырья для органического синтеза, смола, служащая источником получения моторных топлив, растворителей и мономеров, и полукокс, используемый как местное топливо и добавка к шихте для коксования. Сырьем для полукоксования служат низкосортные каменные угли с высоким содержанием золы, бурые угли и горючие сланцы.
Процессы гидрирования и газификации ставят целью получение из твердого топлива соответственно жидких продуктов, используемых в качестве моторного топлива, и горючих газов. Внедрение этих методов переработки повышает значение твердых топлив и каменных углей, в частности, в топливном балансе страны.
Коксованием называется разновидность сухой перегонки (пиролиза) каменного угля, проводимая при 900-1200°С с целью получения кокса, горючих газов и сырья для химической промышленности.
Современное коксохимическое предприятие - это крупномасштабное комплексное производство, в котором утилизируются и перерабатываются все компоненты коксуемого сырья. Существует два типа коксохимических предприятий: