Во что превращается уголь под давлением
Алмаз, графит и уголь
Алмаз, графит и уголь — состоят из однородных атомов графита, но имеют различные кристаллические решетки.
Алмаз, графит, уголь.
Краткая характеристика: алмаз, графит и уголь
Кристаллические решетки графита не имеют прочных связей, они представляют собой отдельные чешуйки и как бы скользят друг по другу, легко отделяясь от общей массы. Графит часто используют в качестве смазки для трущихся поверхностей. Уголь состоит из мельчайших частиц графита и таких же малых частиц углерода, находящегося в соединении с водородом, кислородом, азотом. Кристаллическая решетка алмаза жесткая, компактная, обладает высокой твердостью. Тысячелетиями люди даже не подозревали, что эти три вещества имеют что-то общее. Все это — открытия более позднего времени. Графит серый, мягкий, жирный на ощупь совсем не похож на черный уголь. Внешне он скорее напоминает металл. Алмаз — сверхтвердый, прозрачный, сверкающий, по внешнему виду совсем отличен от графита и угля, (подробнее: Как используют минералы). Никаких признаков их родства не давала и природа. Месторождения угля никогда не соседствовали с графитом. В их залежах никогда геологи не обнаруживали сверкающих кристаллов алмаза. Но время не стоит на месте. В конце XVII века флорентийским ученым удалось сжечь алмаз. После этого не осталось даже крохотной кучки золы. Английский химик Теннант через 100 лет после этого установил, что при сжигании одинаковых количеств графита, угля, и алмаза образуется одинаковое количество углекислого газа. Этот опыт открыл истину.
Взаимопревращения алмаза, графита и угля
Превращение — графита или угля в алмаз
Труднее далось людям третье превращение — графита или угля в алмаз. Почти сто лет пытались осуществить его ученые.
Получить из графита алмаз
Я получил искусственные алмазы,
— решил Генней.
Искусственный алмаз.
Способ получения искусственных алмазов
Через 10 лет после Геннея французский ученый Анри Муассонподверг стремительному охлаждению насыщенный углеродом чугун. Мгновенно застывшая поверхностная корка его, при остывании уменьшаясь в размерах, подвергала внутренние слои чудовищному давлению. Когда затем Муассон растворял в кислотах чугунные ядрышки, он находил в них крохотные непрозрачные кристаллики.
Я нашел еще один способ получения искусственных алмазов!
Проблема искусственных алмазов
Превращение графита в алмаз
Наступление продолжалось. Во главе его встал лауреат Нобелевской премии американский физик Перси Бриджмен. Почти полвека занимался он усовершенствованием техники сверхвысоких давлений. И в 1940 году, когда в его распоряжении оказались прессы, могущие создавать давление до 450 тысяч атмосфер, он начал опыты по превращению графита в алмаз. Но осуществить это превращение он не смог. Графит, подвергнутый чудовищному давлению, остался графитом. Бриджмен понимал, чего не хватает его установке: высокой температуры. Видимо, в подземных лабораториях, где создавались алмазы, играла роль и высокая температура. Он изменил направление опытов. Ему удалось обеспечить нагрев графита до 3 тысяч градусов и давление до 30 тысяч атмосфер. Это было уже почти то, что, как мы знаем теперь, необходимо для алмазного превращения. Но и недостающее «почти» не позволило Бриджмену достичь успеха. Честь создания искусственных алмазов досталась не ему.
Первые искусственные алмазы
Первые искусственные алмазы были получены английскими учеными Бэнди, Холлом, Стронгом и Вентроппомв 1955 году. Они создавали давление в 100 тысяч атмосфер и температуру в 5000 градусов. В графит добавляли катализаторы — железо, ром, марганец и т. д. И на границе графита и катализаторов возникли желто-серые непрозрачные кристаллы технических искусственных алмазов. Что ж, алмаз идет не только на брилианты, он используется и на заводах, и на фабриках. Впрочем, несколько позже американские ученые нашли способ получать и прозрачные кристаллы алмаза. Для этого грант подвергают давлению в 200 тысяч атмосфер, а затем электрическим разрядом нагреванию до температуры 5 тысяч градусов. Кратковременность разряда — он длится тысячные доли секунды — оставляет установку холодной, и алмазы получаются чистыми и прозрачными.
Создание искусственных алмазов
Советские ученые пришли к созданию искусственных алмазов своим путем. Советский физик О.И. Лейпунскийпровел теоретические исследования и заранее установил те температуры и давления, при которых возможно алмазное превращение графита. Цифры эти в те годы — это было в 1939 году — показались удивительными, стоящими за границами достижимого для современной техники: давление не менее 50 тысяч атмосфер и температура 2 тысячи градусов. И все-таки, за стадией теоретических расчетов пришла пора создания опытных конструкций, а затем и промышленных установок. И сегодня работают многочисленные устройства, выпускающие искусственные алмазы и другие, еще более твердые вещества. Высшее достижение природы в твердости материала не только достигнуто, но уже и перекрыто. Такова история открытия третьего превращения углерода, самого важного для современной техники.
Как алмаз возник в природе
Но что осталось самого удивительного в алмазном превращении углерода? То, что ученые до сих пор не понимают, как алмаз возник в природе! Известно, что единственным коренным месторождением алмазов являются кимберлитовые трубки. Это глубокие цилиндрические колодцы диаметром в несколько сот метров, заполненные синей глиной — кимберлитом, с которой вместе и были вынесены на поверхность земли драгоценные камни.
Обработанный алмаз.
Гипотеза глубинного рождения алмазов
Наиболее ранней была гипотеза глубинного рождения алмазов. Согласно этой гипотезе, сверкающие кристаллы выделились из расплавленной магмы на глубине около 100 километров, а затем вместе с магмой по трещинам и разломам медленно поднимались к поверхности. Ну а с глубины в 2—3 километра магма прорывала земную коруи вырывалась на поверхность, образуя кимберлитовую трубку.
Взрывная гипотеза
На смену этой гипотезе пришла другая, вероятно, ее следует назвать взрывной гипотезой. Ее выдвинули Л. И. Леонтьев, А. А. Кадемекий, В. С. Трофимов. По их мнению, алмазы возникают на глубине всего 4—6 километров от земной поверхности. А требующееся для возникновения алмазов давление создается взрывом, вызванным некоторыми взрывчатыми веществами, проникшими в занимаемые магмой полости из окружающих осадочных пород. Это могут быть нефть, битумы, горючие газы. Авторы гипотезы предложили несколько вариантов химических реакций, в результате которых образуются взрывчатые смеси и возникает свободный углерод. Эта гипотеза объясняла и высокую температуру, требующуюся для алмазного превращения, и гигантское давление. Но не все особенности кимберлитовых трубок она объясняла. Очень легко было доказать, что породы кимберлитовой трубки образовались при давлении, не превышающем 20 тысяч атмосфер, но невозможно доказать, что они возникли при более высоком давлении. Сегодня геофизики достаточно точно установили, для каких пород требуются те или иные давления и температуры образования. Скажем, постоянный спутник алмаза — минерал пироп — требует 20 тысяч атмосфер, алмаз — 50 тысяч. Большее, чем для пиропа, и меньшее, чем для алмаза, давление требуют коэсит, стишовит, пьезолит. Но ни этих, ни других пород, требующих для своего образования столь высоких давлений, в кимберлите нет. Единственное исключение здесь — алмаз. Почему это так? Ответить на этот вопрос решил доктор геолого-минералогических наук Э. М. Галымов. Почему, спросил он себя, давление в 50 тысяч атмосфер должно быть обязательно свойственно всей массе магмы, в которой творятся алмазы? Ведь магма — поток. В ней возможны и вихри, и быстрины, и гидравлические удары, и пузырьки возникающей местами кавитации.
Гипотеза рождения алмаза в режиме кавитации
Да, именно кавитация! Это удивительно неприятное явление, несущее не мало бед гидравликам! Кавитация может возникнуть на лопастях гидравлической турбины, если она хоть чуть-чуть вышла за границы рассчитанного режима. Такая же беда может постичь и лопасти гидравлического насоса, перешедшего на форсированный режим. Кавитация может разрушить и лопасти пароходного винта, словно бы надорвавшегося в борьбе за скорость. Она губит, разрушает, разъедает. Да, это точнее всего: разъедает! Сверхпрочные стали, блиставшие зеркальной полировкой поверхностей, превращаются в рыхлую пористую губку. Словно тысячи крохотных беспощадных и жадных ртов рвали по крохам металл в том месте, где его изгрызла кавитация. Да еще ртов, которым «по зубам» легированный металл, от которого отскакивает напильник! Не мало аварий турбин и насосов, гибели пароходов и теплоходов произошло из-за наличия кавитации. И ста лет не прошло, как разобрались, что же это такое — кавитация. А действительно, что же это такое?
Представим поток жидкости, движущейся в трубе переменного сечения. Местами, в сужениях, скорость течения растет, местами, там, где поток расширяется, скорость течения падает. Одновременно, но по обратному закону изменяется давление внутри жидкости: там, где вырастает скорость, резко падает давление, а там, где скорость уменьшается — давление растет. Этот закон обязателен для всех движущихся жидкостей. Можно представить, что при некоторых скоростях давление падает до той величины, при которой жидкость закипает, и в ней возникают пузырьки пара. Со стороны кажется, что жидкость в месте кавитации начала кипеть, ее заполняет белая масса крохотных пузырьков, она становится непрозрачной. Вот эти-то пузырьки и являются главной бедой при кавитации. Как рождаются и как умирают кавитационные пузырьки, еще недостаточно изучено. Неизвестно, заряжены ли внутренние их поверхности. Неизвестно, как ведет себя вещество паров жидкости в пузырьке. А Галымову было поначалу неизвестно, могут ли вообще возникнуть кавитационные пузырьки в магме, заполняющей кимберлитовую трубку. Ученый произвел расчеты. Оказалось, что кавитация возможна при скоростях течения магмы, превышающих 300 метров в секунду. Такие скорости легко получить для воды, но может ли течь с такой же скоростью тяжелая, густая, вязкая магма? Снова расчеты, расчеты и долгожданный ответ: да, может! Для нее возможны скорости и в 500 метров в секунду. Дальнейшие расчеты должны были выяснить, будут ли достигаться в пузырьках требующиеся величины температуры и давления — 50 тысяч атмосфер давления и 1500 градусов температуры. И эти расчеты дали положительные результаты.
Средняя величина давления в пузырьке в момент охлопывания достигала миллиона атмосфер! А максимальное давление может быть в десять раз больше. Температура же в этом пузырьке имеет величину в 10 тысяч градусов. Что и говорить, условия далеко перешагнули через предельные для алмазного превращения.
Таково, по Галымову, таинство рождения редчайшего из творений природы и драгоценнейшего для современной техники кристалла, одного из аллотропных состояний того самого элемента, которому обязана своим существованием жизнь на нашей планете. Но это совершенно другая сторона в судьбе углерода, которому обязаны своим существованием алмаз, графит и уголь.
Можно ли сделать алмаз из угля?
Химики шутят: если очень сильно надавить на уголь, то получится алмаз. Эту идею в разные времена эксплуатировали авторы фантастических историй, кинорежиссеры, мультипликаторы и разработчики компьютерных игр, благодаря чему многие люди верят, что кусок угля действительно можно превратить в драгоценный алмаз. Один только Супермэн убедил в этом не одно поколение своих поклонников.
В принципе, понятно, откуда возникла данная идея. Уголь, в своей основе, и алмаз являются формами одного и того же химического элемента – углерода. И, действительно, высокое давление – это ключевой фактор как в процессе превращения разлагающихся углеродных форм жизни (например, растений) в уголь, так и в процессе формирования алмазов. Но в реальности все значительно сложнее.
Химический состав угля сильно отличается от алмаза.
Алмаз представляет собой чистый углерод в хорошо выраженной кристаллической форме. Это прозрачный и чаще всего бесцветный кристалл, хотя бывают и цветные алмазы: желтые, голубые, розовые и даже черные. Такое цветовое отступление от правила связано с особенностями природных условий формирования кристалла и с наличием в нем примесей. К примеру, присутствие в структуре алмаза атомов бора придает кристаллу желтый оттенок, а азот – голубой. Стоит отметить, что речь идет об очень малом количестве примесей – порядка одного атома на миллион.
Основой угля является углерод, однако, назвать его чистым нельзя. В угле содержится множество примесей, включая водород, азот, кислород, серу, мышьяк, селен и ртуть. Кроме того, уголь, в зависимости от своего происхождения и возраста, содержит различные органические соединения.
Чтобы стать алмазом, углероду недостаточно высокого давления. Процесс также требует очень высокой температуры (тысяч градусов). Только в таких условиях может сформироваться особая кристаллическая решетка алмаза. При одновременном воздействии температуры и давления на углерод каждый его атом связывается с четырьмя соседними атомами, образуя очень прочную структуру. Именно строению кристаллической решетки алмаз обязан своей твердостью. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Если бы в составе присутствовали примеси, как в угле, такая связь образоваться бы не могла.
Искусственные алмазы люди все-таки научились создавать. Производят их из графита.
Графит, как и алмаз, является аллотропной формой углерода. С виду он напоминает уголь, но отличается от него свойствами, цветом и наличием кристаллической решетки. Уголь не имеет никакой кристаллической структуры.
Структура графита совсем не похожа на структуру алмаза. Графит образован параллельными слоями, состоящими из атомов углерода, расположенных по углам правильных шестиугольников. Слои отстоят друг от друга на значительном расстоянии и к тому же сдвинуты относительно друг друга. Это строение и объясняет свойство графита расслаиваться на чешуйки, благодаря чему он применяется для изготовления карандашей и в качестве смазочного материала.
Долгие попытки получить искусственный (синтетический) алмаз увенчались успехом в середине двадцатого века. Получение искусственных алмазов из графита при современном уровне развития химии и технологии уже не является проблемой, но требует дорогостоящего оборудования.
То, что природа делает за миллионы лет, человек теперь может сделать за гораздо более короткий срок. Главное – воспроизвести условия, в которых в природе одна форма чистого углерода переходила в другую, то есть создать высокую температуру и очень высокое давление. Существует несколько способов сделать это. Правда, искусственные алмазы получаются довольно мелкими, и объем их производства относительно небольшой. К примеру, московская лаборатория может вырастить до 1 килограмма алмазов в год.
Кстати, существует и искусственный графит. В отличие от алмаза его производят и используют в промышленных масштабах. А получают искусственный графит из угля.
СОДЕРЖАНИЕ
Историческое прошлое
Технологии CTL неуклонно совершенствовались со времен Второй мировой войны. Техническое развитие привело к появлению множества систем, способных работать с широким спектром типов угля. Однако было создано лишь несколько предприятий, основанных на производстве жидкого топлива из угля, большинство из которых основано на технологии ICL; наиболее успешным был Sasol в Южной Африке. CTL также вызвала новый интерес в начале 2000-х как возможный вариант смягчения последствий для снижения зависимости от нефти, в то время как рост цен на нефть и опасения по поводу пикового уровня добычи нефти заставили планировщиков переосмыслить существующие цепочки поставок жидкого топлива.
Методы
В промышленных масштабах (т.е. тысячи баррелей в день) установка по сжижению угля обычно требует многомиллиардных капитальных вложений.
Процессы пиролиза и карбонизации
Таким образом, экономическая жизнеспособность этой технологии сомнительна.
Процессы гидрирования
Процессы SRC-I и SRC-II (рафинированный уголь) были разработаны компанией Gulf Oil и реализованы в качестве пилотных установок в США в 1960-х и 1970-х годах.
Существует также ряд двухстадийных процессов прямого сжижения; однако после 1980-х годов только двухступенчатый каталитический процесс сжижения, модифицированный по сравнению с процессом H-угля; Процесс экстракции жидким растворителем компании British Coal ; и Японский процесс сжижения бурого угля.
Китайская угледобывающая компания Shenhua в 2002 году решила построить завод прямого сжижения в Эрдосе, Внутренняя Монголия ( Erdos CTL ), производительностью 20 тысяч баррелей в день (3,2 × 10 3 м 3 / сут) жидких продуктов, включая дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ (LPG) и нафта (петролейный эфир). Первые испытания были проведены в конце 2008 года. Вторая и более продолжительная испытательная кампания была начата в октябре 2009 года. В 2011 году Shenhua Group сообщила, что завод прямого сжижения работал непрерывно и стабильно с ноября 2010 года, и что Shenhua произвел 800 единиц. млн юаней (125,1 млн долларов) прибыли до налогообложения за первые шесть месяцев 2011 года по проекту. ^
Косвенные процессы преобразования
Реакция метанирования превращает синтез-газ в заменитель природного газа (SNG). Завод газификации Great Plains в Беуле, Северная Дакота, представляет собой предприятие по переработке угля в SNG, производящее 160 миллионов кубических футов в день SNG, и находится в эксплуатации с 1984 года. Несколько заводов по переработке угля в SNG находятся в эксплуатации или в стадии реализации. Китай, Южная Корея и Индия.
Вышеупомянутые примеры промышленных установок, основанных на процессах непрямого ожижения угля, а также многие другие, не перечисленные здесь, в том числе находящиеся на этапах планирования и строительства, приведены в таблице Мировой базы данных по газификации Совета по технологиям газификации.
Экологические соображения
Исследования и разработки в области ожижения угля
У вооруженных сил США есть активная программа по продвижению использования альтернативных видов топлива, и использование огромных внутренних запасов угля в США для производства топлива путем сжижения угля имело бы очевидные экономические преимущества и преимущества в плане безопасности. Но из-за более высокого углеродного следа топлива от сжижения угля сталкиваются с серьезной проблемой сокращения выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла до конкурентного уровня, что требует продолжения исследований и разработок технологий сжижения для повышения эффективности и сокращения выбросов. Необходимо будет продолжить ряд направлений исследований и разработок, в том числе:
Что касается коммерческого развития, конверсия угля переживает сильное ускорение. Географически наиболее активные проекты и недавно введенные в эксплуатацию предприятия расположены в Азии, в основном в Китае, в то время как американские проекты были отложены или отменены из-за разработки сланцевого газа и сланцевой нефти.
Обогащение угля: этапы и способы
Не секрет, что горняки добывают в шахтах и на разрезах далеко не чистый уголь. Извлекаемая порода содержит в себе множество примесей, которые снижают качественные характеристики полезного ископаемого.
Уголь в первозданном виде непригоден для дальнейшего использования, поэтому его надо отделять от ненужных минеральных компонентов в горной массе
Процесс разделения давно называется обогащением — проходит оно в несколько этапов и самыми разнообразными способами.
Подготовка угля
Добытую на разрезе или в шахте породу горняки отгружают в спецтехнику, которая доставляет её на горно-обогатительную фабрику. Там горная масса проходит начальный этап обогащения – подготовку.
Первичную породу сортируют на классы по размеру кусков и наличию минеральных включений. Главная задача – выявить углесодержащие компоненты.
Для отделения фракций угля ГОФы на специальном оборудовании проводят процедуры грохочения и дробления.
Сначала порода загружается в грохоты – аппараты в виде одного или нескольких коробов с ситами или решетами с калиброванными отверстиями. Куски породы просеивают, после чего сортируют по фракциям в классификаторах.
Все классификаторы работают примерно по одной схеме: пульпа (смесь угля и жидкости) непрерывно поступает в заполненный водой сосуд. Крупные частицы угля быстро оседают на дно сосуда, а мелкие «уходят» вместе с пульпой через сливной порог.
Затем отсортированную породу измельчают до необходимых размеров при помощи дробильных установок.
Стандартная классификация крупности угля включает в себя следующие виды: плитный (более 100 мм), крупный (50-100 мм), орех (26-50 мм), мелкий (13-25 мм), семечко (6-13 мм), штыб (менее 6 мм). Также есть так называемый рядовой уголь, который имеет неограниченные размеры.
«Простое» обогащение
Непосредственно для обогащения угольщики прибегают к массе методов. Среди них есть довольно простые: например, ручная сортировка, когда уголь отделяют от горной массы вручную, ориентируясь только по его внешним отличительным признакам.
Ещё один метод — обогащение по трению – основан на форме частиц угля и разной величине их коэффициентов трения. Его суть такова: куски угля обогащают на наклонной поверхности. Имея разный коэффициент трения, они движутся с разной скоростью и траекторией движения, что позволяет им самостоятельно отделяться друг от друга.
Флотация
Флотационный способ основан на свойстве минеральных частиц: находясь в воде, они прилипают к поверхности воздушных пузырьков. Для обогащения угля данным методом используются специальные машины (пневматические, механические или механопневматические).
В устройство загружается пульпа, через которую оно пропускает пузырьки воздуха – к ним прилипают только угольные зёрна. Полученный пенный продукт устремляется на поверхность смеси и образует на ней слой минеральной пены, который отправляют в концентрат.
Эффективность флотационного метода увеличивают реагенты. Это могут быть продукты нефтепереработки (керосин, соляровое масло, нефть) или продукты переработки самого угля (фенолы, антраценовое масло, сырой бензол).
Гравитационное обогащение
В основе гравитационного метода обогащения угля лежит его разная плотность и скорость движения в воздушной или водной среде.
Так называемый мокрый процесс обогащения может проводиться на концентрационных столах, в тяжёлых средах, моечных желобах, гидроциклонах или же при помощи отсадки на специальных машинах.
Моечный желоб — плоское корыто с невысокими бортами, которое ставится под небольшим уклоном. Пульпа проходит через аппарат, осевшие частицы угля выделяются через разгрузочную камеру желоба. Сейчас такие аппараты используются очень редко из-за невысокой производительности.
Концентрационные столы больше подходят для обогащения высокосернистых коксовых углей и пирита – не характерных для России видов угля, поэтому в нашей стране практически не применяются.
Зато большое распространение получили отсадочные машины. Они разделяют угольную смесь на частицы с разной плотностью при помощи движущихся в них восходящих и нисходящих потоках воды с разной скоростью. Отсадку используют и для мелких углей (12-0,5 мм), и для крупных (10-12 мм).
Данный метод обогащения более эффективен, чем другие мокрые способы, но за исключением обогащения в тяжёлых жидкостях.
Тяжёлые жидкости – это водные растворы неорганических солей и минеральные суспензии. Их плотность выше, чем плотность угля, но в то же время меньше, чем плотность первичной породы. Поэтому уголь, оказавшись в растворе или суспензии, всплывает на поверхность, а лишние материалы тонут.
Концентраты, полученные в результате мокрого обогащения, содержат в себе много воды, поэтому обязательно подвергаются обезвоживанию.
Сухой метод обогащения разделяет уголь в воздушной среде с помощью другого оборудования – сухих лотков, пневматических сепараторов или машин.
Материал подаётся на рабочую поверхность оборудования и сортируется под действием восходящего или пульсирующего воздушного потока с параллельным встряхиванием. Зёрна угля в зависимости от плотности и крупности разделяются за счёт перемещения в разных направлениях.
Благодаря обогащению уголь из первичной горной массы превращается в первичный концентрат, оставшиеся породы отходами.
Конечный продукт
Полученный первичный концентрат подвергается доводке – чтобы получить материал, который будет полностью соответствовать принятым стандартам. Конечный продукт с ГОФ отправляется потребителям.
На выходе обогатительные фабрики получают концентрат, который содержит наибольшее количество горючей массы с минимальным числом лишних примесей. За счёт этого повышается самое главное качество концентрата – теплота сгорания.
Ещё в процессе обогащения образуется так называемый промпродукт – смесь сростков угольных и породных компонентов. В большинстве случаев его отправляют на повторное обогащение, но иногда реализуют в качестве котельного топлива.
И третий продукт углеобогащения, который содержит в себе в основном породные минералы, — это отходы обогащения (по-другому из называют микстами). В составе некоторых отходов есть достаточное для переработки количество угля, поэтому их тоже иногда отправляют на повторное обогащение.
Остальные миксты угольные предприятия, как правило, складируют в хвостохранилищах. Но постепенно в угольной отрасли получает распространение переработка углесодержащих отходов (например, получение брикетов).