CC BY
221
ГАЗО-АЭРОЗОЛЬНЫЕ ВЫБРОСЫ ПРИ ГОРЕНИИ УГОЛЬНЫХ ОТВАЛОВ
Анна Юрьевна Девятова
Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. +7-9137455379, e-mail: DevyatovaAY@ipgg.nsc.ru
В статье рассмотрены особенности газо-аэрозольного переноса элементов в процессе горения угольных отвалов и отвалов пирометаллургического производства.
Ключевые слова: угольные отвалы, перенос элементов, атмосферное загрязнение.
GAS-AEROSOL TRANSPORT ELEMENTS BY BURNING COAL-WASTE HEAPS
Anna Yu. Devyatova
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3, Akademika Koptyuga Prosp. scientific researcher, tel. +7-9137455379, e-mail: DevyatovaAY@ipgg.nsc.ru
The article describes the characteristics of gas-aerosol transport elements by burning coal-waste heaps and heaps of pyrometallurgical production.
Key words: coal dumps, transfer elements, atmospheric pollution.
Введение
Характерной особенностью разработок угольных месторождений является удаление больших масс покрывающих и вмещающих пород, годовые объемы которых в несколько раз превышают объемы добываемого угля. Поэтому основными отходами при добыче угля открытым и подземным способом являются вскрышные и вмещающие породы, которые образуют многочисленные отвалы. В литологическом отношении отвалы представлены аргиллитами, алевролитами, песчаниками, углем и другими породами. В них присутствует древесина, металлические предметы. Породы неоднородны по гранулометрическому составу, имеют размер от глинистых частиц до глыб [1]. Площади влияния отвалов в несколько раз превышает площади самих отвалов. В зависимости от технологии отвалообразования формируются отвалы следующих типов: конические (терриконы), хребтовые и плоские. По температурному состоянию отвалы делятся на горящие и негорящие. Отвал считается горящим, если на нем имеется хотя бы один очаг горения с температурой пород на глубине до 2,5 м более 80°С.
Во всем мире большое внимание уделяется горящим угольным отвалам: широко изучаются процессы, приводящие к возгоранию [2, 3], метаморфизм отвальных пород и образование новых минеральных фаз [4, 5, 6], используются геофизические методы[7, 8] и методы ГИС [9,10,11] для нахождения очагов
подземных пожаров. Газы, выбрасываемые в атмосферу горящими отвалами, существенно изменяют почвенный и растительный покров, животный мир, продуктивность лесных и сельскохозяйственных угодий на значительных прилегающих к отвалам территориях [2].
При сгорании 1 кг породы происходит загрязнение до опасного предела от 6,7 до 8,7 млн. м атмосферного воздуха [11]. Из горящих отвалов в атмосферу выделяется около двух десятков вредных веществ: оксид углерода, углекислый газ, сернистый газ, серный ангидрид, сероводород, сероуглерод, серооксид углерода, оксиды азота, серная кислота, цианводород, аммиак, цианиды, тиоциа-наты и др. Составы выделяемых газов подробно исследуются в работах M. Attalla, М. Masalehdani, C. Kuenzer и др.[12, 13, 14, 5]. Однако работы по изучению переноса элементов в газовой фазе при горении угольных отвалов отсутствуют. Наше исследование направлено на определение подвижности и форм переноса элементов в газовой и аэрозольной фазах при горении угольных отвалов и отвалов пирометаллургического производства.
Объекты и методы
Полевой отбор газовых конденсатов проводился на горящих угольных терриконах Челябинской области (г. Копейск), на угольных отвалах Кемеровской области (п. Бачатский) и на отвалах пирометаллургического производства Бе-ловского цинкового завода (г. Белово). В настоящее время горение на отвалах выражается в слабых выходах газа из нескольких небольших отверстий на вершине отвала.
Объектами исследования служили парогазовые конденсаты, отобранные непосредственным забором и охлаждением газов из фумарол. Отбор парогазовых конденсатов является наиболее представительным методом пробоотбра для исследования высокотемпературных газов. Данный метод уже несколько десятилетий применяется для получения конденсатов природных вулканических газов [15].
Химический состав газовых конденсатов выявлялся с использованием метода анализ ИСП-МС на масс-спектрометре высокого разрешения ELEMENT (Finnigan MAT) в ИГМ СО РАН.
Результаты и обсуждение
Парогазовые конденсаты, отобранные на горящих угольных отвалах, оказались достаточно контрастные по своему химическому составу. Это связано с различиями в химическом составе отвальных пород и с возрастом пожаров.
Источниками сырья Беловского цинкового завода (БЦЗ) являлись руды медно-цинковых и свинцово-цинковых месторождений. Помимо извлечения цинка, на заводе при пирометаллургической обработке окислялись колчеданы и другие серосодержащие минералы с образованием сернистого газа, который улавливали для получения серной кислоты.
Отвалы пирометаллургического производства БЦЗ состоят в основном из угольного шлака, окислов кальция и кремния, из железа, алюминия, свинца, цинка и серы. В них также содержатся золото и серебро.
В парогазовых конденсатах этих отвалов преобладают Си, Ag, Sn - это те элементы, которые имели высокие концентрации в исходном сырье (табл. 1), а извлеченные Zn и S представлены в газовой фазе в гораздо более низких количествах чем в конденсатах с горящих угольных отвалов.
Таблица 1
Химический состав конденсатов угольных отвалов Кемеровской области, угольных терриконов Челябинской области и отвалов БЦЗ, мг/л
Мг/л Средний состав конденсата, угольный отвал (Кемеровская обл), п=10 Средний состав конденсата, угольный террикон (Челябинская обл), п=2 Средний состав конденсата, Беловский отвал (Кемеровская обл), п=4
Ca 6,3 35 8
Ка 5,8 11 4,6
Mg 0,16 3,8 1,4
S 110 300 3
K 2,6 85 2
Sr 0,03 н.о. 0,05
0,05 0,76 н.о.
Fe 0,17 10 0,05
Ga 0,0009 н.о. 0,0004
Mn 0,05 0,28 0,03
Pb 0,007 0,82 0,003
Cd 0,0004 0,05 0,0002
0,005 0,07 0,04
Zn 0,14 3 0,11
& 0,003 0,02 0,002
As 0,18 0,61 0,07
Sb н.о. 0,1 0,001
0,002 н.о. 0,013
Sn 0,04 н.о. 4,2
Со 0,0003 0,006 н.о.
Основу субстрата отвалов Бачатского угольного разреза (Кемеровская обл.) составляют вскрышные и вмещающие породы. Наиболее широкое распространение имеют песчаники и алевролиты (до 70 %). Песчаники в пределах поля разреза представлены мелко- и среднезернистыми, реже крупнозернистыми разностями, окрашены в серый цвет. Помимо этого в отвал попадает до 10% угля. Преобладающим цементом является глинистый, количество которого из-
меняется от 5 - 7 до 10 - 18 %. Карбонатный цемент, как правило, имеет каль-цитовый и доломитовый состав, его количество изменяется от 20 до 30%.
Отвальные породы терриконов Челябинской области имеют в своем составе до 80% аргилитов, сидериты - 5-7%, алевролиты 1-2%, уголь 5-15%, кроме того, бывают часто насыщены сульфидами железа и других элементов[6].
Концентрации элементов в парогазовых конденсатах, отобранных на горящих угольных терриконах Челябинской области, на 1 -2 порядка выше, чем в конденсатах Кемеровской области (табл. 1). Особенно выделяются такие элементы как Fe, РЬ, Cd, 7п, Мп, As, Sb концентрации которых в конденсатах превышают ПДК в воде водных объектов хозяйственно-питьевого водопользования. Различия в составах отвальных пород в данном случае, несомненно, значительные, но не объясняют такую разницу в составах парогазовых конденсатов (табл. 1).
Поэтому, мы обратили внимание на возраст пожара и температуру выходящих газов. При длительном горении внутри отвала начинают происходить процессы метаморфизма отвальных пород, с образованием новых минеральных фаз и выбросом специфического спектра элементов. Подробно процессы метаморфизма горящих отвалов исследовал Чесноков Б.В., Сокол Э.В. и др. [6, 4]. Проводя работы в Кемеровской области мы, условно, разделили «молодые пожары» (горящие несколько лет) и «старые пожары» (горящие несколько десятилетий). Возраст пожаров был предоставлен сотрудниками Бачатского угольного разреза.
«Старые пожары» характеризуются наличием горелых пород, новообразованных минералов и высокотемпературными (200 - 500оС) газами. «Молодые пожары» имеют поверхность очага без видимых изменений, выходящие газы более низкотемпературные (60-100оС).
100,0
Рис. 1. Отношение концентраций элементов в парогазовых выбросах «старых» и «молодых пожаров» на угольных отвалах Парогазовые конденсаты, отобранные на горящих отвалах Бачатского угольного разреза, имеют разные химические составы. «Молодые пожары» ха-
растеризуются более низкими концентрациями большинства элементов в своих выбросах, повышенные концентрации наблюдаются у K, Cr, Co, As (рис.1), а в выбросах «старых пожаров» значительно преобладают - S, Ti, Ag, Cd их концентрации в парогазовых конденсатах на порядок больше (рис.1).
Физико-химическое моделирование процессов переноса элементов при высоких температурах и низких давлениях позволило определить формы переноса элементов в газовой фазе. Вычисления проводились с помощью программы Selector и включали 25 элементов: O, H, Cl, F, C, S, Ca, Ка, Mg, K, Sr, Ti, Fe, Ga, Mn, Pb, Cd, Cu, Zn, Cr, As, Sb, Ag, Sn, Со, Hg.
При температурах выше 100оС Hg переносится в элементной форме, при низких температурах - в виде хлорида (HgCl). Так же в элементной форме в минимальных количествах могут переноситься Cd и Zn при температурах выше 400оС. В интервале температур 200-400оС преобладают формы ZnCl2, ZnBr2, CdCl. Железо и алюминий переносятся в виде своих гидроксидов: Fe(OH)2, Al(OH)3, однако при температурах до 400оС преобладают так же другие формы NaAlF4, K AlF4, AlClF2. В виде фторидов так же переносится и сурьма (К300оС), при более высоких температурах основными формами становятся оксиды и сульфиды: Sb4O6, SbS. Устойчивые формы мышьяка в газовой фазе-сесквиоксид (мышьяковистый ангидрид) As2O3 и его димер As4O6. До 300°С основная форма в газовой фазе - димер, при более высоких температурах -сульфид As4S4. Остальные металлы (Ca, Ка, Mg, K, Sr, Ti, Ga, Mn, Pb, Cu, Cr, Ag) при температуре до 600оС находятся в форме хлоридов - MexCly.
Работа проводилась при финансовой поддержке гранта Президента РФ МК-2574.2012.5
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Максимович, Н. Г. Экологические последствия ликвидации Кизеловского угольного бассейна // Географический вестник. - 2006. - №2. - С. 128-134.
2. Дороненко Е.П. Рекультивация земель, нарушенных открытыми горными разработками / Е.П. Дороненко. М.: Недра, 1979. - 263 с.
3. Coal and Peat Fires: A Global Perspective: Volume 1: Coal - Geology and Combustion. Edited by Glenn B. Stracher, Anupma Prakash, Ellina V. Sokol, Elsiver 2011, 357 pp
4. Masalehdani, M.N. et al., 2004. Products of oxidation and combustion within the burning coal waste heaps in the Nord-Pas-de-Calais Coalfield, northern France. In Proceedings of the Joint Earth Sciences Meeting (RST), Strasburg, France, 20-25 September 2004, 39
5. Чесноков Б.В., Бушмакин А.Ф., "Новые минералы из горелых отвалов Челябинского угольного бассейна (сообщение восьмое)" Уральский минералогический сборник, N 5. Ми-асс: ИМин УрО РАН, 1995. С. 3-22.
6. Gerlinde Schaumann, Bernhard Siemon, and Yu Changchun (2010) Geophysical Investigation of Wuda Coal Mining Area, Inner Mongolia: Electromagnetics and Magnetics for Coal Fire Detection. ERSEC Ecological Book Series - 4, р 1-16
7. Sternberg, R. & Lippincott, C., 2004. Magnetic surveys over clinkers and coal seam fires in Western North Dakota. Presentation at the Denver Annual Meeting of the Geological Society of America, Denver, Colorado, U.S.A., 7-10 October 2004.
8. Zhang. J.. Vekerdy. Z.. Genderen. J.L. van. Wang F., Veld H. and Cui. B., 1999. "Expert knowledge fusion for hazard reduction in the development of a Dynamic Analysis System for Fire Fighting." (Proc. Dynamic and Multi-Dimensional G1S Conference. 4-6 October. Beijing, China)
9. Zhang, X., Genderen, J.L. van and Kroonenberg, S.B., 2003. “Spatial analysis of thermal anomalies from airborne multispectral data” (International Journal of Remote Sensing, vol. 24, pp 1-17)
10. Kuenzer, C., Zhang, J., and Hirner, A. (2005). Multitemporal coal fire dynamics - combining thermal remote sensing analysis and temperature field mappings to assess coal fire development in Wuda coal mining area. ISPMSRS, Bejing, China.
11. C. Kuenzer, J. Zhang, A. Tetzlaff, P. Van Dijk, S. Voigt, H. Mehl, W. Wagner, Uncontrolled Coal Fires and their Environmental Impacts: Investigating two Arid Mining Regions in North-Central China, Applied Geography 27 (2007).
12. Ion, T., Gilgor, C., Cioclea, D., and Jurca, L., 1997. New researches in diminishing selfheating/self-combustion phenomenon in the Jiu Valley, Romania coal mines by use of inorganic inhibitors. In Proceedings of the 27th International Conference of Safety in Mines, New Delhi, India, 20-22 February 1997, 555-558.
13. NOx Emissions from Blasting Operations in Open Cut Coal Mining in the Hunter Valley. Moetaz Attalla, Stuart J. Day, Tony Lange, William Lilley, Scott Morgan CSIRO Energy Technology, 2007
14. Chevrier, R. M. and Le Guern, F., 1982. Prelevement et analyses des condensats de fumerolles sur volcans actifs: Soufri re de la Guadeloupe (1976-1977) et Pouzzoles et Vulcano (Italie) (1978). Bulletin of Volcanology, 45(3), 173-178.
© A.M. ffeenmoea, 2013
