Вугілля та продукти його переробки

Якщо нафта і природний газ є основним джерелом насиче­них і ненасичених вуглеводнів, то відносно ароматичних вугле­воднів, безсумнівно, перевага належить вугіллю. Це тверде паливо посідає чільне місце в розвитку промисловості органічного синтезу як постачальник хімічної сировини. Його природні за­паси набагато перевершують запаси нафти і природного газу. В Україні вугледобування зосереджено в трьох басейнах: Донецькому та Львівсько-Волинському кам'яновугільних басейнах, Дніпровському буровугільному басейні.

Вугілля
— це тверда горюча копалина органічного по­ходження, що утворилася з вимерлих рослин і планктону в результаті діяльності мікроорганізмів.

Масова частка вільного вуглецю у гірській породі доволі незначна (10 % у кам'яному вугіллі, кілька відсотків у бурому вугіллі). Викопне вугілля складається переважно із складних циклічних органічних сполук, що містять елементи: вуглець [Карбон], водень [Гідроген], кисень [Оксиген], азот [Нітроген], сірку [Сульфур], домішки неорганічних речовин (золу) та вологу. Масова частка золи та вологи може досягати 50 % і більше.

Основним способом переробки кам'яного вугілля є коксу­вання. Цей процес здійснюється на коксохімічних заводах, де вугільна шихта переробляється в спеціальних камерах при температурі до 1000—1200
°С. Камери відокремлені одна від одної опалювальними простінками, в каналах яких спалюють газоподібне паливо (коксовий або доменний газ) для підтри­мання високої температури. Кілька десятків таких камер утво­рюють батарею коксових печей. При нагріванні органічні речовини, що входять до складу кам'яного вугілля, зазнають складних хімічних перетворень, утворюючи леткі продукти, що збираються у газозбірнику. В камерах залишається кокс — твердий пористий матеріал, що складається з вуглецю та золи. Після завершення коксування кокс подають до башти гасіння, де його зрошують водою. Кокс використовують у металургійній промисловості як відновник для добування заліза з руд.

При охолодженні летких продуктів конденсуються кам'яно­вугільна смола, аміачна вода
і залишаються газоподібні речовини — коксовий газ.

З кам'яновугільної смоли, вихід якої невисокий (до 4 %), фракціонуванням добувають велику кількість цінних орга­нічних речовин: бензол [бензен] і його гомологи, фенол, нафта­лін [нафтален], антрацен та інші важливі продукти, які знахо­дять застосування у виробництві вітамінів, духмяних речовин, стимуляторів росту рослин, гербіцидів, барвників тощо.

Після фракціонування залишається чорна маса — пек, який використовується у шляховому будівництві, для виготовлення електродів, кровельних матеріалів, лаків (пековий лак), неза­мінних при фарбуванні залізних та дерев'яних конструкцій.

В аміачній воді містяться аміак та солі амонію, їх вилуча­ють з розчину і направляють на виробництво азотних добрив.

Коксовий газ після очищення у своєму складі містить 60 % водню, 25 % метане, 5 % оксиду вуглецю (II), 2 % етилену, 4 % азоту, 2 % оксиду вуглецю (IV), 2 % — інших газів. Він використовується як паливо в промисловості, а також як хімічна сировина. З коксового газу, наприклад, виділяють водень для різних синтезів.

Таким чином, з вугілля, завдяки значній різноманітності його складу, можна добувати незрівнянно ширший асортимент продуктів, ніж з нафти і природного газу.

Не можна не відзначити і негативний вплив коксохімічного виробництва на навколишнє середовище. Так, з однієї коксової печі при звичайному завантаженні шихти в атмосферу надхо­дить 3—5 кг вугільного пилу; 2,2 кг оксиду вуглецю (II); 1,6 кг пари кам'яновугільної смоли та масел; 0,57 кг вуглеводнів; під час вивантаження готового коксу — 2,8 кг пилу; 0,6 кг оксидів азоту.

Істотним процесом, що зумовлює міграцію хімічних речовин з коксових батарей у навколишнє середовище, є гасіння коксу. Коли вода стикається з розпеченим коксом, з башт гасіння виді­ляється багато водяної пари, яка містить велику кількість різноманітних домішок. Білі «султани» парогазової суміші, що періодично з'являються над баштами гасіння — характерна ознака «краєвиду» коксохімічного заводу.

Беззаперечно, деякі заходи, спрямовані на зменшення нега­тивного впливу на довкілля, проводяться. Так, за допомогою спеціальних вбирників уловлюється сірководень, що виділяє­ться з коксового газу. З нього добувають сірчану кислоту, яка використовується на коксохімічних заводах для виробництва сульфату амонію.

Проводиться постійна робота по вдосконаленню методів очи­щення стічних вод від небезпечних речовин. Так, біохімічний метод забезпечує глибоке очищення вод від фенолу. Перспек­тивним є використання озону для очищення вод від ціанідів і тіоціанатів (роданідів).

Великого значення для оздоровлення атмосфери набуває впровадження способу сухого гасіння коксу інертними газами, який значно скорочує небезпечні викиди в атмосферу. Ця новітня екологічно нешкідлива технологія все ширше викори­стовується на коксохімічних заводах України.

З екологічного погляду коксохімічне виробництво вимагає не лише технологічного поліпшення певних його ланок, а й до­корінної перебудови у повністю безвідхідне з комплексним використанням ресурсів на основі принципово нових технічних рішень.

Рівень матеріального добробуту суспільства в наш час визначається кількістю енергії, яка виробляється на душу населення. Опалення будинків, можливість використання швидкісного транспорту, випуск промислової продукції значною мірою залежать від доступності енергії. Енергетичні проблеми можуть стати реальним обмеженням для подальшого зростання матеріальної культури.

Нині ситуація загострилась у зв'язку з неправильними оцінками перспектив розвитку енергетики. По-перше, вважали, що поклади палива (вугілля, нафта, газ) невичерпні. По-друге, після введення в дію перших атомних реакторів було зроблено припущення, що атомна енергія в найближчий час замінить інші види енергії.

Ці передбачення виявилися необгрунтованими. За підрахун­ками вчених нафти на Землі достатньо лише на 40—50 років, природного газу — на 30—40 років, запасів вугілля — на 200— 250 років. Стосовно вугілля, то його запасів достатньо на значно більший час. Але при існуючій технології видобутку вугілля доступною вважають лише одну чверть його світових запасів, а нові сучасніші технології поки що невідомі. Не простою спра­вою виявилося і створення атомних реакторів, особливо якщо врахувати екологічні наслідки атомної енергетики. Достатньо яскравим прикладом цього є чорнобильська катастрофа.

Таким чином, проблеми енергетики пов'язані як з нестачею сировини, так і з неспроможністю суспільства добувати енергію економічно і екологічно раціональними способами.

Значна частина енергії виробляється тепер за рахунок хімічних процесів, а саме при спалюванні нафти, газу і вугілля. Проблеми перетворення світлової і теплової енергії в електричну також розв'язуються на основі хімічних процесів. Нарешті, сучасні установки для добування енергії вимагають створення нових конструктивних матеріалів і теплоносіїв. Це означає, що в розв'язанні проблеми енергетики чільне місце посідають хіміки.

Для розширення енерговиробництва використовують при­родні явища: сонячну радіацію, теплоту вод океанів і земних надр, силу течії річок, припливів і відпливів океанських течій, високих повітряних течій, теплоту мікробіологічної утилізації органічних відходів, фотосинтез, ланцюгові реакції поділу атомного ядра тощо. І хоча внесок нетрадиційних джерел енергії зростає, енергетичні світові потреби поки що задоволь­няються переважно спалюванням природних копалин, що містять вуглець.

На теплових електростанціях поряд з вугіллям доволі широ­ко використовується природний газ, а також мазут — продукт переробки нафти. Зрозуміло, що використання останніх скоро­чуватиметься, оскільки природний газ, продукти переробки нафти — цінні речовини, щоб використовувати їх як котельне паливо.

Зміни у структурі народногосподарського використання вуглеводневої сировини насамперед пов'язані з переведенням енергетики з використання нафти і нафтопродуктів як палива на використання вугілля. Важкі залишки переробки нафти — мазути повніше перероблятимуться на легкі нафтопродукти, необхідні для сучасного органічного синтезу.

Хімічна наука найближчим часом повинна знайти ефектив­ніші способи переробки нафти, природного і супутнього газів, вугілля, а також удосконалити існуючі (перегонку, крекінг, піроліз) з метою повнішого і комплексного використання природ­ної вуглеводневої сировини із забезпеченням усіх економічних і екологічних вимог.

Оскільки запаси нафти обмежені, великого значення набуває питання про добування рідкого палива (гасу, бензину) з вугіл­ля, резерви якого значно більші. У наш час є кілька способів переробки вугілля в рідке паливо: 1) синтез, в основі якого лежить перетворення під тиском вугілля у суміш горючих газів з використанням водяної пари, повітря або кисню; 2) екстрак­ція або термічне розчинення вугілля, при цьому використо­вуються розчинники, які беруть участь у процесах подальшої переробки вугілля; 3) гідрування — спосіб, який заснований на насиченні вугілля воднем, взаємодії вугілля при високій температурі і тиску з речовинами, що містять водень; 4) гідро­ліз — нагрівання вугілля без окисника. Ці способи є поки що дорогими і тому потребують подальшої розробки.

У пошуках нових розв'язань енергетичних проблем заслуго­вує на увагу газифікація вугілля, тобто добування з вугілля не рідкого, а газоподібного палива, яке може бути використано також і як хімічна сировина для різноманітних синтезів.

Перспективним напрямом у розвитку енергетики є викори­стання водню як палива. Водень — висококалорійний газ, який може знайти застосування в авіації і в багатьох інших спожи­вачів рідкого палива. Великою перевагою водню є те, що при його спалюванні утворюється лише пара води. Отже, водень — екологічно чисте ідеальне паливо.

Перехід до водневої енергетики є перспективним ще й тому, що водень може застосовуватися як паливо для всіх видів тран­спорту. Потреба в такому паливі дуже актуальна, якщо врахувати, що основним джерелом забруднення повітря у містах є про­дукти неповного згоряння вуглевмісного природного палива.

Ресурси для добування водню практично безмежні, ними можуть бути води Світового океану. Важливим завданням хі­мічної науки є розробка економічно вигідних способів добування і використання водню як моторного палива.