Спочатку було вугілля! А історія виникнення чорного золота волинських надр розпочалася давно - аж 200 мільйонів років тому, в палеозойську еру.
Колись, ще до появи динозаврів, у ті далекі праісторичні часи, саме там, де зараз височать копри і терикони нововолинських шахт, суцільною зеленою стіною стояли масиви прадавніх лісів, які складалися з представників дивної, як на сучасний погляд, древньої флори, на зразок велетенських хвощів або папороті із стовбуром заввишки у десятки метрів.
Ось так мільйони років до нашої ери серед вологої тиші й темряви мезозойських лісових ландшафтів і неосяжних прадавніх боліт раннього палеозою, власне, й народилася головна сюжетна фабула епічної саги про волинське вугілля.
Рік за роком, тисячоліття за тисячоліттям минали на планеті геологічні періоди та епохи. З часом уся біомаса палеоботаніки древньої флори перетворилася на величезні пласти кам'яного вугілля. Але аж до початку XX століття ніхто й не здогадувався про скарби чорного золота, схованого у глибинах землі надбужанського краю. Однак таємниці волинського вугільного ельдорадо вже
недовго залишалося бути нерозгаданою.
Одного похмурого ранку, восени 1912 року, в невеликий ресторан, яких безліч на вузеньких середньовічних вуличках у центрі старовинного Брюсселя, зайшов і замовив філіжанку кави молодий інтелігентний, скромно одягнутий і чемний чоловік. Сів на стілець, вийняв зі свого старого шкіряного портфеля і розгорнув на мармуровому столику товстий журнал, від якого ще пахло друкарською фарбою. Наукове періодичне видання називалося „Щорічник геологічного товариства Бельгії".
За ознаками легкого рум'янцю на обличчі та ледь помітного радісного блиску в очах можна було вгадати, що молодик перебував у піднесеному настрої. Ще б пак! Щойно у поважному та авторитетному для дослідників надр усієї Європи фаховому журналі побачила світ велика наукова авторська стаття, у якій він теоретично обґрунтував і довів право на життя своєї гіпотези про те, що суцільна вугленосна геологічна структура - карбон, яка тягнеться із заходу на схід континенту від узбережжя Атлантики аж до Донбасу, є частково розділеною Українським кристалічним масивом. А оскільки саме Волинь гео-графічно розташована за цим масивом, то існує велика ймовірність наявності карбону і там. А відтак й існування продуктивних покладів кам'яного вугілля на заході України.
Звали молодого вченого Тетяєв Михайло Михайлович. Було йому тоді тридцять років і він нещодавно закінчив університет у місті Льєж - центрі бельгійської гірничорудної промисловості.
Принесена кельнером чорна кава з вершками вже встигла охолонути, а Михайло з олівцем у руці в котрий раз напружено вчитувався у пересипані цифрами рядки своїх аналітичних викладок і наукових формул. У публікації, на підставі ретельного аналізу фаціального складу осадів і тектонічних структур південно-західної частини тодішньої Волинської губернії та східної частини Польщі, він не тільки передбачив наявність там кам'яновугільного басейну із глибинами залягання пластів у 300-400 метрів, але й науково обґрунтував ймовірний характер вугленосності родовища.
Перебуваючи в затишній атмосфері невеличкого і майже порожнього з огляду на ранковий час брюссельського бістро, Тетяєв ще не знав про великий резонанс, який викличе його наукова праця в геологічних колах Європи, що ця стаття вже наступного 1913 року буде перекладена з французької на російську мову Зворницьким Т. О. та окремою монографією вийде друком у Москві під назвою „Основні риси геології та тектоніки палеозойських відкладень Європейської Росії".
Не здогадувався тоді Тетяєв і про те, що попереду на нього чекає довге, сповнене творчих досягнень наукове життя, що стане він відомим геологом, професором Ленінградського гірничого інституту й загальновизнаним авторитетом серед колег-науковців у галузі геотектоніки, що буде нагороджений орденом Леніна, а головне, що його гіпотеза про наявність кам'яного вугілля під пісковиками та суглинками волинського краю, викладена французькою мовою у „Щорічнику геологічного товариства Бельгії" у 1912 році, трансформується у часі та просторі, щоб матеріалізуватися в початок біографії нового українського шахтарського міста, яке назвуть Нововолинськом. А його трудова слава зго-
дом вже тисячами тонн надпланового вугілля, сяйвом золота орденів та блискучою міддю духових оркестрів буде гриміти на одну шосту земної кулі.
Історія відкриття на Волині вугільного ельдорадо прямо пов'язана також із плідною науковою діяльністю польського вченого-геолога Я. Самсоно-вича. Упродовж 20-30 років минулого століття у видавництвах Варшави, Кракова, Львова, Луцька були надруковані десятки наукових праць та монографій цього талановитого дослідника надр.
Майже через 20 років після прогнозу Тетяєва на Рівненщині, у районі міста Острога та села Пельчі в базальному конгломераті сеноманських відкладів, доктор Я. Самсонович виявив гальку кам'яновугільних порід з нижньокам'я-новугільною фауною. Проведені ним спостереження показали, що кількість і розмір гальки збільшувались із сходу на захід. У 1931 році Самсонович прийшов до висновку про поширення корінних відкладів карбону на захід від знахідок гальки - у басейні верхньої течії річки Західний Буг. Палеографічне волинський карбон Самсонович пов'язував із карбоном Верхньосилезького басейну, припускаючи й відповідну його вугленосність.
Незважаючи на те, що наявність на території західноукраїнських областей кам'яновугільних відкладів уже не викликала сумніву, протягом тривалого часу ніяких спеціальних досліджень і геологорозвідувальних робіт для їх конкретного виявлення не проводилось. Лише в 1938 році польський промисловий концерн „Вспулнота інтересув Гурнічо-Хутничих" розпочав буріння на території теперішньої Львівської області в районі міста Сокаля. До 1939 року з 11 свердловин, що бурились на Львівщині, закінчено тільки 7. Три з них пройшли вугільні пласти промислової потужності. Були у польських геологів плани буріння свердловин і на Волині, але початок Другої світової війни припинив роботу. Незабаром західноукраїнські області возз'єдналися з Україною. У 1940 році для проведення планомірних геологорозвідувальних робіт щодо пошуку вугілля Наркомвуглепром СРСР організував Державний трест „Львіввуглероз-відка". Велика Вітчизняна війна перервала пошуково-розвідувальні та науково-дослідницькі роботи з проблеми вугленосності західних областей УРСР. Майже всі геологічні матеріали, отримані до війни, було втрачено.
Після звільнення України від фашистів усе довелося розпочинати спочатку. У 1946-1947 роках трест „Львіввуглерозвідка" значно розширив площі пошуково-розвідувальних робіт, і бурінням було охоплено не тільки Львівська область, але й західні райони Волині. У той період у Москві організовано Міністерство геології СРСР, якому передано проведення всіх геологорозвідувальних робіт із пошуку вугілля у західних областях УРСР.Керуючись результатами геологічної розвідки, ЦК ВКП (б) і Рада Міністрів СРСР постановою від 31 січня 1948 року „Про розвиток видобутку кам'яного вугілля в західних областях України" поклали початок практичному освоєнню майбутнього нововолинського вугільного родовища. На основі цієї постанови було створено трест „Волиньвуглерозвідка", перед яким уже в 1948 році ставилося завдання розвідати шахтні поля на території Володимир-Волинського району. Для здійснення цього масштабного проекту трест „Волинь-вуглерозвідка", незважаючи на труднощі післявоєнних часів, був забезпечений необхідною технікою, фінансами та кадрами. На допомогу Волині прийшов Донбас. Звідти разом з усією матеріально-технічною базою передислокували Ли-сичанську геологорозвідувальну партію. Пошукові роботи на Волині набрали ще більшого розмаху.
Проте успіх не забарився...
* * *
... Здіймаючи за собою з-під коліс хмари сірого пилу, швидко мчав польовим шляхом, що тягнувся на південь від Володимира-Волинського, відкритий, армійського зразка „газик". Окрім водія, у ньому сиділи ще двоє: головний геолог „Волиньвуглерозвідки" Струєв Михайло Іванович та старший геолог розвідувальної партії, недавня випускниця Томського індустріального інституту Віра Шпакова. На відміну від заглибленого у свої думки Струєва, молода дівчина не переставала милуватися навколишніми мальовничими краєвидами.
Невеличкі гаї з стрункими соснами та крислатими дубами, тонконогі білі лелеки на очеретяних дахах приземкуватих хат нагадували Вірі романтичні образи Волині з повісті Купріна „Олеся", яку вона колись прочитала. Проїхавши дерев'яний місток, перекинутий через маленьку тиху річку, геологи побачили перед собою село Бужанку, яке потопало в яблуневих та вишневих садках, - кінцеву мету їхнього службового відрядження. Саме на околиці цього населеного пункту їм потрібно обрати місце для нової 117-ї свердловини.
Літній досвідчений фахівець Струєв і молодий інженер Шпакова помітно хвилювалися. Річ у тім, що на Волині минув майже рік напруженої пошукової роботи дослідників надр. Пробурено не одну тисячу метрів свердловин, написано чимало геологічних висновків, які закінчувалися сумними словами: „Робочий пласт не знайдений". З кожним днем тривожне припущення ставало переконанням навіть у маловірів, хоча „Волиньвуглерозвідкою" свердловини, пробурені на північний схід від Володимира-Волинського, і показали наявність там вугілля. Однак пластів, придатних для промислової експлуатації, не виявили. А тут ще з Москви, з Міністерства геології СРСР, керівникам „Волиньвуглерозвідки" надійшла безапеляційна урядова телеграма: „Або у стислі терміни ви знайдете промислові поклади вугілля, або програму їхнього пошуку у Волинській області буде закрито".
Струєв не погодився з песимістичними висновками своїх авторитетних колег. Він наполегливо доводив усім, хто зневірився, просту істину - свердловини бурилися в одному місці, неподалік Володимира-Волинського. А хто гарантує, що вугілля немає за 15-20 кілометрів на південь або захід? Адже там буріння не проводилось. Дані геофізиків? А чи не помилились вони? Практика знає численні випадки, коли результати геофізичної розвідки, перевірені бурінням, були не зовсім точними. То ж необхідно продовжувати роботу і починати пошукове буріння на території сусіднього Іваничівського району.
Струєв вірив у передбачення Тетяєва, у висновки польського геолога Самсоновича. Багато вже знайдено ознак того, що на Волині мають бути не лише
тонкі, але й робочі пласти. Переконання головного геолога „Волиньвуглероз-відки" підтверджувалося висновком практичних польових досліджень Віри Шпакової. Систематизуючи свої аналітичні спостереження, що надходили з кожної чергової, пробуреної у товщі землі свердловини, молодий інженер Віра Шпакова зауважила цікаву особливість місцевих надр: прошарки карбону стають усе товстішими, віддаляючись від Володимира-Волинського на південний захід у напрямку сіл Будятичі, Дорогиничі, Бужанка, Русовичі Іваничівського району.
Саме тому свердловина № 117, яку Струєв і Шпакова вирішили пробурити неподалік від Бужанки в Іваничівському районі, і повинна була стати остаточним вердиктом у пошуку істини, у вирішенні майже шекспірівського запитання - бути чи не бути вугільній галузі на Волині?
Уже через кілька тижнів старший буровий майстер геологорозвідувальної партії Віктор Ватуля, до речі, уродженець Волинської області, проходив перші метри верхнього горизонту. Усі робітники працювали напружено, у три зміни. З раннього ранку і до пізнього вечора на буровій була присутня Віра Шпакова. Настав жовтень 1948 року, а з ним і затяжна дощова погода. Утома немилосердно наступала на кожного працюючого, але геологи не здавалися: надто великими були ентузіазм і бажання знайти у 117-й свердловині пласт вугілля промислової товщини. У невеличкому будиночку поруч із буровою щоглою інженер Шпакова складала колектор - своєрідну колекцію зразків порід, видобутих із глибини надр. І ось він - довгоочікуваний успіх! Піднятий на поверхню черговий керн показав, що на глибині більше, ніж три сотні метрів, під шаром крейди та глини проходить пласт вугілля товщиною один метр і п'ятнадцять сантиметрів.
Сильні руки геологів, як пір'їнку, підхопили Віру і підкинули у повітрі раз, вдруге, виголошуючи радісне „ура", яке можна було чути аж у Бужанці.
.Червоно-багряним велетенським диском сідало за далекий обрій сонце. Сідало, щоб на світанку наступного дня сповістити всіх про народження на
Волині нового шахтарського міста.
* * *
Це були сталінські часи. Начальство жартувати не любило. І все робилося дуже швидко. Уже в грудні 1949 року почалася практична фаза підготовки до будівництва шахт нового вугільного родовища. Утворено трест „ Західшах-тобуд". Будівельні роботи розпочалися з 1950 року. У липні того ж року'на околиці села Дорогиничі було закладено першу Волинську шахту потужністю 1000 тонн вугілля на добу. А у вересні біля зовсім маленького сусіднього села Русовичі розпочалося будівництво другої шахти. На території села Будятичі також розгорнулися будівельні роботи зі спорудження шахти № 3.
Упродовж 1951-1954 років закладено шахти № 4 - поблизу села Дорогиничі, № 5 і № 6 — біля села Грибовиця, № 7 — неподалік від села Біличі, № 8 — поблизу села Низкиничі. У березні 1956 року за селом Стара Лішня розпочалося спорудження дев'ятої шахти.
10 квітня 1951 року Указом Президії Верховної Ради УРСР було засновано селище волинських шахтарів у складі Іваничівського району. Селище назвали „Нововолинське". Утворилась Нововолинська селищна рада. Головою виконкому обрали Соколова Г.О. У тому ж 1951 році споруджено автодорогу, яка поєднала новобудови з Володимиром-Волинським, а також зусиллями військових залізничників було прокладено залізничну гілку від селища Іваничі до станції Центральної, під'їзні колії до шахт. У 1953 році став до ладу цегельний завод потужністю 27 млн. штук цегли на рік.
Розроблений у 1950 році проектним інститутом „Укрдіпрошахт" план передбачав створення шахтарського селища з населенням лише 10-15 тисяч осіб. Характерною особливістю плану забудови було те, що в ньому велику увагу приділяли озелененню. Намічалося збереження всіх садків, сіл і хуторів, на місці яких будувалося нове селище міського типу.
23 червня 1954 року шахтобудівники відзначили свою першу трудову перемогу: до ладу стала шахта №1 „Нововолинська", на-гора видано перші тонни волинського вугілля...
Так починалася трудова біографія майбутнього шахтарського Нововолинська - міста, для якого спочатку було і не слово, і не діло. Спочатку було вугілля!
СТАН ВУГЛЕХІМІЇ В УКРАЇНІ
Вугілля є єдиною вуглеводневою викопною сировиною, запаси якої можуть забезпечити потреби промисловості й енергетики України в найближчі 200-300 років. Якщо в структурі світових запасів вуглеводневої викопної сировини вугілля становить 67%, нафта - 18 % і газ -15 %, то в Україні відповідно 94,5%, 2 % і 3,6% [1]. Ресурси вугілля в Україні складають за станом на 01.01 1999 р. 1 17,2 млрд. т, з яких 45,8 млрд. т розвідані балансові запаси, в числі яких 32,1 млрд. т - енергетичне вугілля і 13,7 млрд. т коксівне [2]. В останні роки в Україні добувається 80-85 млн. т вугілля на рік. Основними споживачами вугілля є енергетика (60 %), коксохімія (25 %), інші галузі промисловості і комунальне господарство (15 %).
В Україні розвідано біля 1,4 млрд. тонн умовного палива (т.у.п.) рідких і газоподібних вуглеводнів, з яких 1,1 млрд. т.у.п. складає природний газ і біля 300 млн. т.у.п. нафта і конденсат. Щорічно в Україні добувається 15-18 млрд. м3 природного газу при загальній потребі біля 80 млрд. м3. Видобуток нафти не перевищує 4,0 млн. т/рік при потужності нафтопереробних заводів біля 60 млн. т і річній потребі 40-50 млн. т/рік [1].
Вказане вище свідчить про те, що вугілля в Україні є безальтернативним джерелом сировини не тільки для енергетики, але і для технологічної переробки з метою отримання різних технологічних і хімічних продуктів для основних галузей промисловості і експорту.
Вугілля і кокс, отриманий з українського вугілля, в основному, не може бути предметом експорту через високий вміст у ньому сірки, що є найбільш шкідливою домішкою. При спаленні вугілля значна частина сірчистих сполук вугілля перетворюється в оксиди сірки, які негативно впливають на здоров'я людини, отруюють атмосферу, викликають корозію металів [3]. Підвищений вміст сірки обумовлює при енергетичному використанні зростання витрат палива, а при коксуванні погіршення якості коксу і збільшення його витрати на коксування. Збільшення сірчистості коксівного вугілля на 0,1 % приводить до зниження продуктивності доменної печі і зростання витрат коксу на 1,8 %, в зв'язку з чим перевищення вмісту сірки у коксівному вугіллі на 0,1% порівняно з середніми розрахунковими нормами спричиняє зниження оптової ціни вугілля на 0,5 % [4].
У розвинених країнах допускається максимальний вміст загальної сірки у вугіллі і коксі не більше 0,5-1,0 %. Згідно з прийнятою класифікацією за вмістом загальної сірки вугілля України поділяється на низькосірчисте (до 1,5 % сірки), середньосірчисте (1,5-2,5 %), сірчисте (2,5-4,0 %) і високосірчисте (понад 4,0 %). Як бачимо, в цій класифікації навіть не виділене вугілля із вмістом сірки менше 1,0 %.
З 570 шахтопластів вугілля, що розробляються в Україні за станом на 01.01.99 р., тільки 26,4 % пластів належать до категорії низькосірчистих, до сірчистих - 35,2 %, середньосірчистих - 24,0 % і високосірчистих - 14,4 %. Тільки 4 шахти з 74, що добувають коксівне вугілля, розробляють низькосірчисті пласти. Серед шахт, що добувають енергетичне вугілля, тільки одна добуває низькосірчисте вугілля [3]. З 238 шахтопластів коксівного вугілля 113 (47,5 %) мають сірчистість до 2,5 %.
На сьогодні відсутні як промислово освоєні, так і дослідно апробовані способи знесірчення вугілля. Тільки процес збагачення забезпечує часткове знесірчення концентрату за рахунок вилучення частини мінеральної сірки. Найбільш перспективним з процесів збагачення, на нашій думку, є метод магнітної сепарації, розробку і впровадження якого проводить ІнФОВ НАНУ спільно з ДонФТІ НАНУ. Високоактуальними є також розпочаті в 2002 році в ІнФОВ НАНУ дослідження природи сірчистих сполук в українському вугіллі з метою пошуку ефективних шляхів їх вилучення. В Інституті геології і геохімії горючих копалин НАН України [5] розробляють процеси десульфурації високосірчистого вугілля шляхом окиснення піритної сірки сумішшю повітря і водяної пари.
Тверді горючі копалини (ТГК) є важливим альтернативним джерелом сировини для хімічної і нафтохімічної промисловості.
Такі методи переробки вугілля, як гідрогенізація, екстракція, газифікація і ряд інших, вельми перспективні для отримання матеріалів, що не тільки конкурентноспроможні порівняно з традиційними продуктами переробки нафти, але і в ряді випадків мають новий оригінальний комплекс властивостей. Внаслідок взаємодії вугілля різного ступеня метаморфізму в широкому діапазоні температур з такими хімічними агентами, як водень, оксиди вуглецю, вода (водяна пара), кисень, а також з рядом розчинників, утворюється своєрідний набір речовин різної хімічної природи, що являють собою нові товарні продукти як паливного, так і хіміко-технологічного призначення [8].
З цієї точки зору потрібно розглянути весь спектр переробки ТГК в широкому діапазоні температур (табл. 1).
Табл. 1 - Основні температурні інтервали переробки вугілля
Температура,оС
Процеси
Хімічні продукти процесу
2000
Графітизація
(800-2300 о С)
Технічний вуглець,
вуглеграфітові матеріали
1800
1600
Спалення
(800-1500 о С
і вище)
CO, CO 2, Н 2O, NO X, SO X
1200
1000
Газифікація
(900-1500 о С)
CO, Н 2, CH 4, Н 2S, NH 3.
Синтез-газ. Синтез Фішера-Тропша (вуглеводні, рідке паливо, метанол).
Гідроформілювання
(оксо-синтез)
800
Коксування
(750-1100о С )
Кокс, коксовий газ, паливні
продукти, масла, ароматичні
сполуки, феноли, аміак, амонійні солі.
600
Напівкоксування, отримання адсорбентів
(500- 850 о С)
Рідке паливо, хімічна сировина, феноли. Адсорбенти широкого профілю.
400
Гідрогенізація.
Термічне
розчинення
(250-500 о С)
Моторні палива, хімічні
продукти (бензол і його
похідні, феноли, піридинові основи).
200
Екстракція, пресування (50-250 о С)
Нативні хімічні продукти,
гумінові препарати, гірський віск, брикети.
10-50
Механічне подрібнення, змішування, збагачення ( до 50 о С)
Водовугільне та
водомасловугільне паливо,
природні сорбенти,
вугільний порошок
В області низьких температур (10-40 о С), тобто без теплової обробки, з вугілля шляхом переважно механічної дії можуть бути отримані водовугільні (або масляновугільні) суспензії, придатні для транспортування по трубопроводах на великі відстані, вугільний порошок для хімічної і нафтохімічної промисловості, а також вугільні адсорбенти широкого спектру дії.
Вугільний порошок як наповнювач пластмас застосовується понад 40 років [9-11]. Дрібнодисперсне вугілля низької стадії метаморфізму має високу реакційну здатність і вступає в хімічну взаємодію при змішуванні (в кількості до 30 %) з фенолформальдегідними і епоксидними смолами, а також з термопластами і каучуком.
За рубежем вуглепластики отримали широке застосування в різних галузях промисловості і сільського господарства. Вони застосовуються в будівництві будинків і інших споруд. Для захисту фундаментів будівель слугують кислотостійкі пластики з фенолформальдегідної смоли та антрациту. У великопанельному будівництві використовують вуглецеві герметики на базі композицій поліізобутилену або поліетилену. У Німеччині як будівельний матеріал застосовують вугільні плити на основі бутадієннітрильного каучуку і пилу бурого та кам'яного вугілля. У Росії полімерні гнучкі покрівельні матеріали з епоксидної смоли (ЕФ-15) і вугільного пилу застосовують в шахтобудуванні. З цією ж метою використовують рабдопіситове вугілля, запаси якого є в Закавказзі і на Далекому Сході.
У Росії для покриття підлоги і доріг застосовують епоксидні вуглепластики з високою водо- і маслостійкістю. На основі полімерів етилену та ефіру акрилової кислоти в суміші з вугіллям отримано нековзні мастики, що швидко сохнуть. Покрівельні і гідроізоляційні пластини, жолоби для зміцнення укосів, насипу і кюветів отримано на базі фенопластів і липовецького рабдопіситу. Сегменти вугільного кріплення, корпуси електроліхтарів, кришки сальників, транспортерні ролики та інші вироби виготовляють з вуглепластиків на базі вугілля Кузбасу [12]
В інших країнах також розроблено і широко застосовується технологія введення вугілля в різні композиції, в тому числі для отримання покриттів і антифрикційних матеріалів, інгібуючих добавок до полімерів, компонентів перев'язочних матеріалів та ін.
Добавка вугілля дозволяє різко знизити кількість інших інертних наповнювачів, які вводяться у вироби для підвищення їх якості. Так, введення в гумові матеріали до 40% дрібнодисперсного вугілля не змінює їх експлуатаційних властивостей; вугільний пил, що вводиться (до 30%) у вироби з поліетилену (труби, плити, профільовані вироби і т.д.), дозволяє замінити дефіцитну сажу; введення вугілля в ебонітові вироби знижує витрати сірки в 4-5 разів. Безперечний інтерес становить використання природного і модифікованого природного вугілля як сорбента.
Потрібно відзначити також перспективність механохімічного впливу на вугілля [13], внаслідок якого відбувається активація поверхні вугілля, що бере участь в подальших хімічних процесах (екстракції, гідрогенізації та ін.).
Дослідження реологічних і інших властивостей водовугільних і водомасляновугільних суспензій проводяться сьогодні тільки в ІнФОВ НАНУ групою з трьох осіб. В інших українських науково-дослідних інститутах такі дослідження, незважаючи на їх перспективність, припинено. Повністю припинено дослідження з механохімії вугілля, не проводяться дослідження зі створення вугленаповнених полімерів. В ІнФОВ НАНУ продовжуються дослідження сорбційних властивостей бурого і кам'яного вугілля України і можливості їх використання в якості сорбентів.
Другий температурний інтервал (табл. 1) переробки вугілля (від 40 до 150-250 о С) пов'язаний в основному із здійсненням процесів екстракції і отриманням хімічних продуктів.
Ряд хімічних речовин, що витягуються з вугілля, отримують шляхом переробки смоли, що утворюється в процесах коксування і напівкоксування. Однак при цьому використовується тільки невелика частина ресурсів вугілля. Згідно з уявленнями, що розвиваються про високомолекулярну будову органічної частини вугільної речовини, є можливість оцінити найбільш слабкі зв'язки в структурі вугілля і направлено підбирати умови їх руйнування без деструкції зв'язків інших типів. Накопичено досвід застосування екстрактивних процесів для виділення елементів вугільної структури.
Важлива особливість бурого вугілля - наявність в його складі гумінових кислот (ГК), вміст яких коливається в широких межах (5-80 %) залежно від умов утворення і залягання вугілля та міри вуглефікації: ГК нерозчинні у воді; для їх вилучення потрібна лужна екстракція, що дозволяє виділити їх у вигляді товарних продуктів.
Основою скелета молекул ГК є ароматичні системи, що містять як замісники гідроксильні (в основному фенольні), карбоксильні і метоксильні групи. Виявлено також етерні, естерні, альдегідні групи. ГК являють собою полідисперсні системи, які залежно від рН і екстрагента можна розділити на ряд фракцій з різною молекулярною масою (звичайно 500-50000 од.) і властивостями. Однак всі фракції містять практично одні і ті ж функціональні групи, що свідчить про спільність їх будови. Тому ГК не є чітко окресленим класом сполук, але являють собою групу високомолекулярних сполук, що мають дещо різний склад, але загальний тип будови і загальні властивості. За хімічними функціями це ароматичні кислоти і оксикислоти, в яких ароматичні ядра невисокої конденсованості об'єднані групами неароматичного характеру [14].
Буре вугілля, родовища якого розташовані на всій території України, служить основним джерелом сировини для гумінових препаратів, які використовують в різних галузях народного господарства: для поліпшення властивостей акумуляторів [15], аґломерації залізняку [16], як поверхнево-активні речовини, коагулянти, дубителі, при очищенні стічних вод та ін. [17]. Однак найбільш широко гумати використовують при бурінні свердловин як стабілізатори глинистих розчинів [18], а також для отримання препаратів, що використовуються в сільському господарстві головним чином як стимулятори і регулятори росту рослин [17, 19].
Водорозчинні гумінові препарати, що отримують з вугілля, вже досить давно використовують в сільському господарстві для підвищення врожайності сільськогосподарських культур [14, 17, 19]. ГК вугілля - група природних речовин специфічної для гумусу природи, що мають загальний характер будови, не мають принципових відмінностей від гумінових кислот ґрунтів, хоч вони розрізнюються за будовою залежно від біокліматичних чинників, стадії вуглетворення і ступеня вивітрювання [14].
Використання отриманих з вугілля натрієвих солей ГК у вигляді розчинів низької концентрації (0,0 1-0,005 %) в сільськогосподарській практиці при замоканні насіння, а також при поливі та обприскуванні рослин підвищує врожайність багатьох видів сільськогосподарських культур на 20-35%, прискорює дозрівання в середньому на 10 днів, збільшує опірність рослин до несприятливих умов середовища, знижує вміст нітрату в продуктах [14, 17, 19].
Використання гуматів в сільськогосподарській практиці багато в чому пов'язане з біологічною активністю гумінових препаратів, зумовленою наявністю в них помітної кількості карбоксильних, гідроксильних (фенольних) і хіноїдних груп.
Технологія отримання гумату натрію, що використовується сьогодні в промисловій практиці, зводиться до взаємодії подрібненого бурого вугілля з концентрованим розчином їдкого натру і подальшої сушки продукту, що отримується, без розділення компонентів. Така технологія приводить до отримання так званих баластних гуматів, тобто гуматів, що містять до 70% залишкового вугілля. Застосування баластних гуматів створює труднощі, пов'язані з негативним впливом непрореагованого вугілля на якість товарної продукції, особливо при їх використанні в сільськогосподарській практиці, де потрібне застосування безбаластних препаратів.
Технологія отримання безбаластних гумінових препаратів (гуматів натрію) включає в себе подрібнення і підсушку вугілля, екстракцію його розбавленим розчином їдкого натру. Отриманий розчин гумату натрію потім відділяється від залишкового вугілля і після висушування є товарним продуктом. Залишкове вугілля може йти на спалення або використовуватися в інших напрямах.
У 70-80 роки ХХ ст. українська наука займала передові рубежі в галузі дослідження і застосування гумінових препаратів. У галузі досліджень з застосування гумінових препаратів у сільському господарстві провідні позиції займала лабораторія гумінових препаратів Дніпропетровського сільськогосподарського інституту, потреби буровиків країни в стабілізаторах бурових розчинів забезпечував Семенівський завод гірського воску в м.Александрія Кіровоградської області. В ІнфОВ НАНУ розроблялися способи модифікації гумінових препаратів для використання як стабілізаторів водовугільних палив, стабілізаторів і пластифікаторів будівельних розчинів і бетонів, адаптогенів і прискорювачів росту рослин в сільському господарстві та в інших галузях народного господарства. Однак у 90-і роки внаслідок економіко-політичних змін в країні результати цих досліджень були впроваджені тільки на дослідних ділянках і до сьогодні не затребувані. На початку ХХІ ст. виробництво гумінових препаратів і продуктів в Україні практично припинено, а наукові дослідження проводяться на рівні окремих ентузіастів.
Іншим видом екстрактивних процесів, придатним для отримання нативних вугільних продуктів, є екстракція органічними розчинниками. Найбільш цікавим є процес екстрактивного виділення воскових продуктів з бурого вугілля.
Сирий гірський віск (монтан-віск, або бітум А), що витягується з бітумінозного бурого вугілля шляхом екстракції органічними розчинниками (бензин, бензол та ін.), - складна суміш природного воску і воскових смол [20-25]. Воски являють собою суміш довголанцюгових вуглеводнів, спиртів, кислот і їх естерів. Склад воскових смол більш складний - в них знайдено терпени і ряд інших багатофункційних речовин.
Гірський віск і його модифікації характеризуються волого- і кислотостійкістю, низькою електропровідністю. Вони використовуються при точному литві по моделях у машинобудуванні, в ряді процесів хімії і нафтохімії, при виробництві паперу, шкір, покриттів і в ряді інших галузей промисловості.
Сьогодні основним виробником воску в світі є Німеччина (біля 90 % світового виробництва - до 50 тис. т воску в рік). Семенівський завод гірського воску виробляв до 2 тис. т воску на рік за старою німецькою технологією. Однак сьогодні виробництво воску там практично зупинене.
Для промислового виробництва воску економічно ефективними є технології, які забезпечують вихід цільового продукту вище за 6,0-6,5%. Піддане екстракції бітумінозне вугілля практично не втрачає своїх енерготехнологічних властивостей і може бути використане як паливо, в тому числі для виготовлення брикетів.
Для організації промислового виробництва гірського воску найбільш перспективним є буре вугілля Дніпровського буровугільного басейну. Створення такого виробництва дозволить без зниження виробки брикетних фабрик і без погіршення паливних властивостей брикетів отримати цінний і дефіцитний продукт, який в свою чергу служить сировиною для отримання модифікованого воску. При отриманні його як побічного продукту утворюється хромовий дубитель, що загалом робить виробництво рентабельним.
Екстракція бурого вугілля органічними розчинниками - складний дифузійно-масообмінний процес, на який впливають фізичні, хімічні і технологічні чинники. Серед них найбільш важливе значення мають умови попередньої підготовки вугілля: розмір частинок і їх вогкість, природа розчинника, попередня термічна або хімічна обробка сировини, тип екстрактора, тривалість і температура процесу, тиск в системі, співвідношення "вугілля : розчинник" і ряд інших факторів [22, 24].
Технологічний процес отримання воску зводиться до подрібнення вугілля до крупності 0,1-3,5 мм, сушки до вологості 20%, обробки вугілля розчинником (бензином або бензолом) і перегонці розчинника з отриманням товарного продукту. Вугілля після пропарювання може брикетуватися або використовуватися в енергетиці.
ІнФОВ НАНУ спільно з ДонФТІ НАНУ і Семенівським заводом гірського воску в 70-80 роки ХХ ст. виконав ряд науково-дослідницьких робіт, направлених на підвищення частки гірського воску, що вилучається з українського бурого вугілля до 10-20%, дослідження його складу і властивостей і модифікацію якості. У другій половині 80-х років роботи в цьому напрямі були припинені в зв'язку з поступовим припиненням в Україні виробництва гірського воску і переходом на імпортну (в основному з Німеччини) продукцію.
У третьому температурному інтервалі (250-500 ° С) основним є процес гідрогенізації вугілля для отримання рідкого палива і хімічних продуктів з вугілля. У цьому ж температурному інтервалі протікає процес термічного розчинення вугілля. Ці напрями переробки вугілля становлять сьогодні найбільший інтерес. Протягом останніх 70-80 років розроблено наукові основи процесу, створено технології зрідження твердого палива під тиском водню з отриманням широкого спектру хімічних продуктів [26,27]. Залежно від умов гідрогенізації органічну масу вугілля (ОМВ) вдається перетворити не тільки в моторне паливо (бензин, дизельне, реактивне і котельне паливо), але і в сировину для органічного синтезу, включаючи бензол і його похідні, поліциклічні ароматичні вуглеводні, а також феноли, азотисті основи та інші сполуки.
Рідкі продукти гідрогенізації вугілля не можуть бути безпосередньо застосовані як товарні палива, оскільки містять значні кількості азотистих, кисневих сполук, нестабільних неграничних вуглеводнів і домішок сірчистих сполук. Для глибокого видалення з сировини багатоатомних сполук і одночасного отримання ефективного розчинника - донора водню, що застосовується в процесі зрідження вугілля, а також малосірчистого термічно стабільного моторного палива з високими октановим і цетановим числами цю сировину необхідно піддавати переробці із застосуванням процесів гідроочистки, каталітичному риформінгу, гідрокрекінгу.
Для переробки продуктів зрідження вугілля в моторні палива і їх компоненти, а також в сировину для виробництва ароматичних вуглеводнів і індустріальних масел розроблений в ИГИ (Москва) і ВНИНП спільно з інститутами ВНИИНП і ВНИИНефтехим ряд технологічних процесів гідроочистки, гідрокрекінгу і каталітичного риформінгу із застосуванням нових оригінальних каталізаторів [28-31]. Розробка наукових основ процесів гідрогенізаційної переробки вугільних дистилятів різного фракційного складу в моторні палива, їх дослідна перевірка в лабораторному і стендовому масштабі тривала понад 10 років.
За своїм хімічним складом рідкі продукти гідрогенізації вугілля відрізняються від нафтопродуктів підвищеним вмістом фенолів, ароматичних і нафтенових вуглеводнів, а також азотистих і сірчистих сполук, таких як похідні піридину, бензофурану, карбазолу, тіофену та ін. Вказаний склад продуктів зрідження вугілля дозволяє розглядати їх як сировину для виробництва різних органічних сполук, в тому числі фенолів і ароматичних вуглеводнів. Так, у фракції гідрогенізату з точкою кипіння 180-240 ° С міститься 8-12% фенолів.
Суттєве (приблизно в 4 рази) зниження обсягів капітальних вкладень у будівництво промислової установки гідрогенізації може бути досягнуте, якщо процес зрідження вугілля буде ефективним при тиску 5-6 МПа. Тому після одержання позитивних результатів в освоєнні технології при тиску 10 МПа на Дослідному заводі СТ-5 [27, 32] в останні 3-5 років дослідження і дослідні роботи були направлені в основному на розв'язання цієї проблеми.
Роботи проводилися в Росії в основному в ИГИ, ЗАО "Тулаинжнефтегаз", Інституті хімії природних сполук СО РАН, РХТУ ім. Д.М. Менделеєва і деяких інших організаціях. У цих дослідженнях брав активну участь ІнФОВ НАН України. Загалом ці науково-дослідні роботи дали позитивні результати.
Заслуговує на увагу метод зрідження вугілля "зв'язаним" воднем. Процес здійснюється в більш м'яких порівняно з класичною гідрогенізацією умовах - у присутності лугів або феросплавів. Можливим є зрідження вугілля з використанням сумішей СО + Н2О.
В ІнФОВ НАН України спільно з ІГК(Москва) проводилися дослідження з визначення оптимальних параметрів гідрогенізації бурого і "солоного" вугілля України, розробки способів модифікації вугілля з метою підвищення виходу рідких продуктів при гідрогенізації вугілля, можливості гідрогенізації модифікованого вугілля при тиску водню 3-5 МПа. Зараз дослідження процесів гідрогенізації і термічного розчинення вугілля в Україні не проводяться в зв'язку з відсутністю спеціального лабораторного автоклавного обладнання для роботи при тиску 20-30 МПа.
Більш високі температури переробки вугілля (від 500 до 700-850 °С) характерні для здійснення процесів напівкоксування, коли нарівні з коксовими продуктами в промислових умовах вдається отримувати помітну кількість масел, фенолів і інших хімічних продуктів, що добре описано в літературі [33, 34].
Як відомо, активне вугілля широко використовується як адсорбент для очищення міських і промислових стічних і природних вод, промислових газів, прояснення розчинів, вилучення рідкісних і благородних металів, розділення повітря та інших газових сумішей, для медичних цілей. Виробництво їх у всіх країнах безперервно зростає. У США виробляють на рік понад 150 тис. т адсорбентів, в основному на базі полімерних матеріалів, що визначає їх високу вартість (до $ 10 тис./т). Асортимент адсорбентів, що виготовляються в США, Японії та інших країнах, включає до 100 найменувань.
В Інституті горючих копалин розроблено наукові і технологічні основи переробки вугілля різних класів з отриманням сорбційних матеріалів без істотного порушення природної структури вугілля з використанням традиційної схеми їх переробки шляхом карбонізації початкового матеріалу з подальшою парогазовою активацією карбонізату [35-39]. Було показано, що чим нижчим є ступінь метаморфізму вугілля, що переробляється, тим ширшим є спектр дії сорбційних матеріалів, отриманих на його основі. При цьому вдається отримувати порошкоподібні сорбенти для видалення нафтопродуктів і нафти з водних і твердих поверхонь, дроблені мезопористі сорбенти для очищення стічних вод від високомолекулярних сполук, зокрема від нафти, барвників, поверхнево-активних речовин і т.п., а також гранульовані мезопористі носії для каталізаторів. Ці адсорбенти придатні також для очищення крові, виділення золота і срібла з розбавлених ціанистих
|
