Катализаторы как инструмент экологической безопасности переработки горючих ископаемых (безотходные технологии, экологическое топливо, переработка отходов).

Особенностью большинства других подотраслей (получение формованного и специальных видов кокса, полукоксование и энерготехнологическая переработка твердых горючих ископаемых, гидрогенизация и газификация) является то обстоятельство, что все они находятся в стадии опытных и опытно-промышленных разработок. В отличие от традиционной коксохимической промышленности, где существуют большие производственные мощности, где используются десятилетиями сложившиеся технологические решения и которую нереально быстро перевести на новую, совершенную технологию, в других подотраслях имеется возможность идти новыми путями и ориентироваться на создание производств, обладающих высокой степенью ннженерно-эколого-экономического совершенства. Существует также возможность в полной мере учесть опыт, накопленный в коксохимии, нефтепереработке и других отраслях промышленности.

Во-вторых, при сжигании твердых топлив вся сера переходит в токсичный оксид серы (IV), а азот твердого топлива на 70% превращается в оксиды азота. Поэтому использование дополнительных количеств твердых горючих ископаемых в Европейской части России может усилить загрязнение атмосферы. Следовательно, с востока страны в европейскую ее часть должны передаваться безбалластное топливо и химическое сырье, приготовленное из дешевых углей, транспортирование которого осуществляется по трубопроводам.

Особенность предприятий по производству жидких и газообразных топлив из угля заключается в том, что они должны иметь большую производительность. Так, завод, изготовляющий 15 млн. т жидкого топлива из угля в год, должен перерабатывать ежегодно 70–100 млн. т угля, т.е. в 10–15 раз больше, чем самое крупное современное коксохимическое предприятие. Более сложными и многооперационными оказываются и сами технологические процессы.

Для приготовления синтетических топлив используются молодые угли, отличающиеся высокой влажностью (влажность канско-ачинских углей 30–35%). Поэтому значительно возрастает и выход сточных вод. Кроме того, например, при гидрогенизации кислород угля полностью превращается в воду. Поэтому при любых методах приготовления жидких и газообразных топлив из угля основным технологическим процессам должно предшествовать обезвоживание угля, позволяющее значительно

Наиболее разнообразный ассортимент продуктов получают в различных вариантах полукоксования или скоростного пиролиза твердых горючих ископаемых. Твердый остаток, газ, два вида смол: легкая и тяжелая, загрязненная большим количеством угольной и полукоксовой пыли – все это создает трудности синхронного сбыта. Так, при выходе легкой смолы 5–10% на органическую массу угля необходимо обеспечить сбыт 8–10-кратного количества полукокса. Полукокс легко окисляется и самовозгорается. Поэтому его транспортирование и хранение целесообразны под слоем инертного газа. Это усложняет сбыт и транспортирование полукокса.

Сложной и нерешенной проблемой является переработка тяжелой смолы из-за ее высокой зольности и запыленности. Этих трудностей можно избежать, если горячий полукокс и тяжелая смола используются в качестве топлива на ТЭС. Легкая смола, как видно из разделов 5.1 и 6.2, не является готовым жидким топливом прежде всего из-за высокого содержания фенолов.

В любых технологиях полукоксования возникает необходимость гидрогенизации смол и очистки больших объемов сточных вод, содержащих одно- и многоатомные фенолы, сульфиды и карбонаты, азотистые основания, карбоновые кислоты и нейтральные масла.

Экологические проблемы, возникающие при развитии сланцеперерабатывающей промышленности, в основном подобны тем, которые существуют при развитии полукоксования и гидрогенизационных процессов. Существенной особенностью этой отрасли оказывается образование несравненно больших по сравнению с переработкой углей количеств зольных отходов, а также необходимость добычи значительно большего количества исходного материала.

В РФ накоплен опыт переработки минеральной части прибалтийских сланцев. Зола пылевидного сжигания сланцев полностью окислена, и в ней образуются клинкерные минералы, необходимые для создания вяжущих материалов. Она успешно применяется как известковое удобрение в сельском хозяйстве. В Эстонии ежегодно потребляется более 3 млн. т золы на общей площади 330 тыс. га, что дает чистую прибыль за счет прироста урожая около 6, 5 млн. руб.

Сланцевая зола применяется также для производства уникальных высокомарочных цементов и автоклавных силикатобетонных изделий.

В условиях Прибалтики сланцевая зола представляет интерес также для монолитной закладки фосфоритных рудников и сланцевых шахт.

Гидрогенизация угля – многооперационный и весьма чувствительный к качеству исходного сырья способ приготовления жидких топлив. С инженерных позиций–это наиболее сложный способ получения указанных продуктов.

Самым неприятным отходом производства оказывается шлам после термического растворения или жидкофазной гидрогенизации. Высокая зольность и вязкость шлама, его большой выход усложняют переработку. Поэтому в состав любого гидрогенизационного производства входит либо полукоксование шлама с последующей газификацией полукокса, либо непосредственная газификация шлама. Многостадийность процесса гидрогенизации, высокие давления на основных его стадиях уменьшают надежность и усложняют управление технологией, что также делает процесс экологически неблагоприятным. При гидрогенизации неизбежно образование больших объемов сточных вод, содержащих фенолы, сульфид и карбонат аммония, различные нейтральные соединения.

Газификация угля – наиболее универсальный процесс, используемый самостоятельно и как важная составная часть (получение водорода) в других способах переработки.

Экологически разные варианты газификации неравноценны. Наиболее неблагоприятна слоевая газификация, так как при этом получают и сточные воды, и смолу, т.е. весь набор химических продуктов полукоксования. При газификации в псевдоожиженном слое и газификации пылевидного угля образуются газовые смеси, свободные от органических соединений, хотя в конденсирующейся воде обязательно будут присутствовать аммиак, сероводород и карбонаты. Недостатком газификации в псевдоожиженном слое оказывается получение твердого шлака, значительный остаток углерода в шлаке, большой пылеунос.

С экологических позиций наиболее заманчива безостаточная газификация с жидким шлакоудалением. Приготовление жидкого шлака расширяет возможный круг его использования (шлаковое литье, производство гранулированных материалов, искусственного гравия и т.п.). Парокислородная газификация на установках типа Колперс–Тотцек или Тексако позволяет получить водяной газ, свободный от органических веществ, и жидкий шлак.

Главной задачей в этих процессах являются улавливание пыли из газа и возвращение ее в цикл. Газификация может быть средством ликвидации и утилизации отходов производства. Любые сточные воды могут применяться в качестве сырья для производства в парогенераторах пара, используемого при газификации. Особенно перспективны в этом отношении схемы типа Тексако.

Таким образом, единственным в принципе безотходным способом приготовления газа из угля (даже в сочетании с иными процессами переработки угля) является газификация пылевидного топлива с применением парокислородного дутья при высоких температурах.

Создание инженерно и экологически совершенных технологий приготовления жидких и газообразных топлив из угля открывает перед специалистами простор для творческого поиска.

В промышленности углеграфитовых материалов, как отмечалось выше, существуют три вида отходов: засыпка из печей; отходы от механической переработки изделий; газы и смолистые вещества, выделяющиеся при обжиге изделий. Последние представляют собой особую опасность при применении углеграфитовых материалов в электролизерах и печах с самоспекающимися анодами (наиболее распространенный вариант производства алюминия), когда смолистые вещества, могут выделяться непосредственно в производственные помещения.

В традиционном производстве углеграфитовых материалов можно возвратить в цикл значительную часть отработанной засыпки. При этом, однако, требуется ее рассев и в некоторых случаях прокалка. Отходы от механической обработки представляют практически чистый углерод и могут использоваться как восстановители в ряде металлургических процессов и как наполнители при изготовлении некоторых видов углеграфитовых материалов. Утилизация или уничтожение смолистых веществ при существующих конструкциях печей–в полной мере нерешенный вопрос.

В новых технологических процессах можно избежать использования значительных количеств засыпки, применяя, например, обжиг в кассетах, печи высокочастотного обогрева. Эти же решения позволяют улавливать смолистые вещества. Принципиально важным может быть использование нефтяных связующих,. которые не только позволяют более гибко управлять качеством материалов, но и содержат на 1, 5–2 порядка меньше канцерогенных веществ, чем обычно применяемые каменноугольные пеки. Это значительно улучшает условия труда и повышает степень экологической безопасности производств углеграфитовых материалов. С экологических же позиций необходимо отказаться от использования самоспекающихся электродов или, анодов и применять только обожженные электроды и аноды.

Катализа́ тор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.