CC BY
39
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622:533.940.4
Б. Ф. Нифантов, А.Н. Заостровский, О.П. Занина
ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕННЫХ И ТОКСИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КУЗНЕЦКИХ УГЛЯХ
Понятия о ценных и токсичных химических элементах, как примесях в углях, недостаточно полно формулируются. Обычно ассоциации этих элементных групп называют ценными и потенциально ценными, токсичными и потенциально токсичными ЦПЦ, ТПТ. Не существует также в достаточной мере надежных критериев для комплексной оценки свойств ценности или токсичности многоэлементных естественных ассоциаций. Последнее для оценки токсичности элементной или минеральной (молекулярной) ассоциации весьма существенно. Здесь, в будущем, должны найти отражение как экологические и медицинские нормы безопасных содержаний (порогов) в углях и минеральных отходах для отдельных элементов, минералов и химических соединений, так и для конкретизированных их сообществ с учётом совместного усиления их токсичного воздействия в различных природных средах. Развёртывание этих направлений исследований остро необходимо при ожидающихся перспективах увеличения в энергетике доли угольной продукции. Для предотвращения экономических потерь следует определится в комплексе требований к дополнительной коммерческой оценке рудных элементов их ассоциаций и минеральных групп.
В настоящее время экономическая оценка полезных компонентов угольного сырья и соответствующих отходов базируется на роли отдельных химических элементов. Такой подход, хотя и позволяет вычислять суммарные выгоды от извлечения металлов и компонентов сырья, но не учитывает в избранных технологиях формы вхождения вещества в конечные и промежуточные извлекаемые минеральные продукты.
Нами выявлено, что при извлечении, например, железорудного концентрата из зольных продуктов сжигания кузнецких углей одновременно с магнетитом почти полностью извлекаются германий и олово. Не учитывать таких особенностей -значит терять ценные элементы в последующих металлургических процессах, продукции, отходах. Комплексное, рациональное, использование минерального сырья - магистральный путь будущего развития процесса освоения полезных ископаемых от геологического изучения сырья до производст-
ва продуктов и предметов потребления.
Если примесные легирующие элементы из добытых углей попадают в кокс, а затем в металлургическую продукцию и улучшают её качественные показатели и свойства, то такие примеси (2г, №, У и другие) должны учитываться в цене и оплачиваться потребителем. Необходимо на государственном и межотраслевых уровнях предусмотреть порядок оплаты за естественно содержащиеся в угольной продукции ценные примеси, передаваемые потребителю через технологические этапы переработки сырья и образования отходов.
Отходы производства с ценными примесями следует направлять на переработку специализированным предприятиям.
Пороги токсичности и нормативны оценки содержаний малых элементов в товарных углях и продуктах их обогащения и золошлакового материала (ЗШМ) приведены в справочнике [1]. Ниже по опубликованным и нашим данным приведём расчеты соответствующих показателей на теоретическую золошлаковую массу.
Будем, в дальнейшем, полагать, что приведённый список исчерпывает набор ТПТ элементов в кузнецких углях (рис 1).
По приведенным оценкам только таллий превосходит порог токсичности. Он выявлен в товарной продукции углей марки СС разреза им. Вахрушева. Продукцию этого разреза, разрабатываемые пласты необходимо в дальнейшем контролировать на содержание таллия.
Как видно по приведенным данным, вероятные концентрации по ЗШМ группы элементов
е
К £ 30 в К 20 !? @ 10 0
5 & -ю
* а-л
-30
•и 'у 'Ц 'Ц 'Ц 'У 'Ц 'Ц ' '"Ц '1Л 'Ц
о- а
Эпвмнгы
Рис. 1. Подфоновый и надфоновый характер распределения токсичных и потенциальнотоксичных химических элементов в ЗШМ кузнецких углей
Химическая технология
77
ТПТ, могут иметь значения (-) 3,0 до (+) 46,0. С наиболее высокими уровнями концентраций в кузнецких углях могут оказаться Сг, Мп, N1, Лб, Т1 Н^. Вся группа ТПТ должна отслеживаться в недрах при геологоразведочных работах и от начала до завершения разработки угольных пластов.
Отметим здесь также роль радиоактивных элементов ТИ и и, изотопа 40К. Первые два достаточно неплохо изучены: 405 и 333 пробы, 548 и 410 элементоопределений; встречаемость - 85,1 и 70,0 %. По 40К данных в базе нет. Торий и уран кузнецких углей при средних содержаниях 4,198 и 4,125 г/т превышают нормативы по естественным радионуклидам - 3,5 и 3,0 г/т. Максимальные их содержания в кузнецких углях - 42,96 и 16,4 г/т, что соответствует их содержаниям в ЗШМ - 320 и 118 г/т. Такие показатели содержаний превышают рудные и опасны для человека. Поэтому необходим постоянный мониторинг за естественными радиоактивными изотопами 40К и другими. Изотопы калия, вероятно, пользуются не меньшей встречаемостью, чем ЯЪ, который имеет распространённость в кузнецких углях не менее 34,7 %. Наши оценки средних суммарных показателей содержаний ТПТ элементов в углях не ниже 0,37 %; в ЗШМ не ниже 3,3 %.
Необходимо подчеркнуть, что в бурых окисленных углях одного из северных районов Кемеровской области (пласт Итатский, 1211) нами выявлено содержание урана - 139 г/т, в ЗШМ - 902,6 г/т, в пересчёте на И02 - 1023,9 г/т. Эти сведения имеют не только важное поисковое значение, но и экологическое, в т. ч. для принятия решений об усилении экологического контроля за распространённостью единые радиационные нормы (ЕРН) в углях, отходах их добычи, переработки и сжигания.
Ценные и потенциально ценные (ЦПЦ) элементы достаточно полно представлены в разрабатываемых пластах кузнецких углей. По опубликованным данным их 41. Нами рассматривается в этой группе большее число изученных в кузнецких углях элементов, т.к. их повышенные содержания, устойчивая распространённость и наличие в отдельных случаях рудных содержаний позволяют внести в этот список 50 элементов, включая А1 и Бе.
Блоковая структура Кузнецкого бассейна, занимавшая от девона до верхней перми, положение подвижного сегмента среди более древних "жёстких" массивов Салаира, Горной Шории, Кузнецкого Алатау, Колывань-Томской зоны, способствовала формированию тектонических условий накопления в озёрно-болотных фациях торфяных залежей. Они адсорбировали и накапливали в растительном органическом веществе из пропитывающих растворов и вадозных вод комплексы элементов, характерные для каждого интервала геологического времени, когда осуществлялось массовое поступление обломочного, глинистого
растворенного материала, а также продуктов вулканической и магматической деятельности. Существенный вклад в накопление элементов привносил рудный материал из выветривавшихся металлоносных месторождений и вмещающих пород. Суммарное сочетание благоприятствующих геологических факторов привело, в итоге, к образованию металлоносных углей.
В петрографическом наборе пород бассейна, кроме углистых пород, включая песчаники, алевролиты, аргиллиты нередко встречаются почти мономинеральные породы в виде желваков и пластообразных тел, представленных карбонатами кальция, магния и железа. Породы также содержат в различных частях бассейна значительные количества фосфора, могут быть окремнены, аллити-зированы. Все эти и другие факты свидетельствуют о выраженной химической дифференциации и концентрации вещества, происходившей как в период осадконакопления, так и после него. Таким образом, породы бассейна и пласты углей могут являться носителями рудных концентраций различных химических элементов.
Последнее подтверждается примерами максимальных и рудных содержаний в зольной компоненте углей. К таким показателям могут быть отнесены вычисленные для ЗШМ рудные содержания алюминия (22,3 % или 42,1 % Л120з), железа (52,8 %), а также Ы, Ве, ва, ве, ЯЪ, Бг, У, 2г, №, Л§, Ьа и суммы РЗЭ, Аи, ТИ, И. Эти и другие, перечисленные в таблице 8 элементы, кроме тех, для которых отсутствуют данные наших определений (1п, Те, Яе, Р1, Pd и др.) спорадически встречающиеся (С^ Т1), составляют геохимическую
ассоциацию ценных и потенциально ценных элементов. Поиски их в угленосной толще и в пластах углей приведут к открытию новых металлоугольных объектов добычи. Учитывая изложенное, следует пересмотреть и заново изучить соответствующие продукты, сырье, накопленные отходы горных, обогатительных, коксохимических, металлургических предприятий, тепловых электростанций в Кузбассе и в других регионах России, где в течение длительного времени потреблялись кузнецкие угли в значительных количествах и накоплены соответствующие минеральные отходы.
Поисковые работы рекомендуется направить в ближайшем будущем на выявление и оценку Р1, Pd, ЯИ, 1г, 08, Яи и 1п, Те, Яе. Необходимо продолжить поиски и определение токсичных и ценностных характеристик таллия, его приуроченность к пластам углей Прокопьевско-Киселёвского и других районов.
При поисковых работах, вероятно, следует обратить внимание на особенности преимущественного вхождения в относительно маломощные пласты Ь1, Бп, БЪ, Сб, Бт, Еи, Ьи, Hf, Ag, Hg, ТИ, И. Газообразный радон, продукт распада радия, сопровождающего урановую минерализацию углей,
60
ї 50
І 40 І зо
I 20
° 10 о іи
0
ш
А1 Тх Ге ЕЪ гг Ъх РЗЭ Элементы
Рис. 2. Гистограмма распределения максимальных содержаний промышленно ценных элементов в ЗШМ кузнецких углей
Элементы
Рис. 3. Гистограмма распределения максимальных содержаний (г/т) редких, благородных, радиоактивных элементов в ЗШМ кузнецких углей: 1) II - 700; 2) Ве - 500; 3) Бе - 200; 4) V- 2000; 5) Оа - 200; 6) Ое - 700; 7) У - 200; 8) ЫЬ - 3000; 9) Ag - 300; 10) И/- 300; 11) Та - 100; 12) Рг- 3.4;
13) Аи - 20; 14) Т1 - 100; 15) В1 - 200; 16) ТН - 300;
17) и -100.
фиксируется в кузнецких углях, в атмосфере горных выработок, на поверхности. Его повышенная эмиссия может быть предвестником опасных газодинамических явлений, всплесков тектонической активности, подземных пожаров. В пластах с максимальными мощностями следует ожидать высоких содержаний Л1, гп, ве, Ag, Cd, В1. Связь с повышенным средним удельным весом углей (1,50 г/см3 при зольности 16,67 %) обнаружена для золота по 82 пробам.
В дальнейшем требуется выявить и изучить минеральные носители ассоциаций элементов, соответственно, для литофильных, халькофиль-ных, сидерофильных групп. Для этого рекоменду-
ется выделить из углей органические и неорганические фракции. Последние, вероятно, следует получить испарением навески угля в холодной плазме [2] с тем, чтобы в ходе пробоподго-товки не изменить, насколько это возможно, состав и структуру первичных минералов зольной массы углей. Изучение структуры и состава выделенных минеральных компонентов в дальнейшем будет осуществляться с применением современных средств электронно-
микроскопической, микроанализаторной и другой исследовательской техники и новых технологий.
Полученные массивы данных потребуется хранить и обрабатывать с применением компь-терерньтехяелвояйгийквршщмийншшоньшаврср; граммных средств.
Выявление в пластах углей и углевмещающих породах отдельных "маркирующих" элементов их изотопов и ассоциаций позволит не только уточнить схемы стратиграфии. Главным образом, такие выявленные комплексы элементов и изотопов могут служить в качестве руководящих поисковых признаков при организации производственного геологического изучения угленосных отложений и других объектов. Этот инструмент исследований применим также при поисковых работах на нефть, газ, минерализованные подземные воды, при добыче углей.
В избранных нормативных сведениях о промышленных ценных и потенциально ценных элементах приведены результаты анализов и вычислений, которые отражают средние, максимальные и промышленные содержания элементов в ЗШМ, представлена на рис. 2, 3.
Их рассмотрение позволяет выделить ассоциации элементов (по средним содержаниям), которые входят в пределы рудных кондиций, в т.ч. Т1, ва, У, №, Ли, Т1, ТИ. Список кондиционных содержаний максимальных в ЗШМ включает: Ь1, Л1, Бс, Т1, Бе, ва, ве, Бг, У, гг, №>, Л^ РЗЭ, Н, Ли, Т1, ТЬ, И. Отмеченные выше перечисления элементов (7 и 24) входят в генетически закономерные ассоциации с Л1, Бе, халькофильными, РЗЭ, Ли, Ag, IIIМ, радиоактивными и другими металлами. Поэтому при выделении металлоконцентратов количество "рудных" элементов окажется больше рассчитанного. Это повысит ценность концентратов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России: Справочник. - М.: Недра, 1996. - 238 с.
2. Коробецкий И А., Подольский А.П., Заостровский А.Н., Балабанова Н.В. Выделение минеральной части из углей и углистых пород // Химия твердого топлива. 1986. № 5. С. 117 - 121.
□ Авторы статьи:
Нифантов Борис Федорович - канд. геолого-минерал. наук, ст. науч. сотр. Института угля и угле-химии СО РАН (ИУУ СО РАН)
Заостровский Анатолий Николаевич
■ канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии твёрдого топлива и экологии, ст. науч. сотр. ИУУ СО РАН
Занина Ольга Павловна
■ аспирант ИУУ СО РАН
