Каменные угли с выгодными для промышленного извлечения содержаниями химических элементов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Б.Ф. Нифантов, 2013

УЛК 622.74(571.17) Б.Ф. Нифантов

КАМЕННЫЕ УГЛИ С ВЫГОДНЫМИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯМИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

В будущем минеральное сырье необходимо добывать из недр в целях его комплексного использования, с извлечением всех полезных компонентов. В природе нет мономинеральных месторождений. Они всегда содержат примеси ценных или экологически опасных химических веществ. Ключевые слова: геохимия углей, комплексное использование, экономика, экология, элементы-примеси.

Экология и экономика освоения и использования ресурсов твердого минерального топлива и, в первую очередь углей, становятся все более актуальными в связи с необходимостью выбора источников энергии, потреблением металлургического кокса, сжиганием ежегодно возрастающих объемов разнообразных по качественным показателям углей и другим причинам. Исследованы данные результатов изучения 1274 угольных, золошлаковых, углеобогатительных и других проб. В результате изучения комплекса элементов установлены содержания по ряду объектов, подлежащие дальнейшей количественной оценке по геолого-геохимическим, экономическим, экологическим показателям.

Представление только о валовых показателях минеральных вредных выбросов не раскрывает полной картины засорения природной среды, в частности, химическими элементами и их соединениями. Выявление структурирования потоков рассеяния минеральных выбросов на атомарном и молекулярном уровнях позволит определить и решить важнейшие вопросы комплексного устранения вредных последствий техногенной аккумуляции и миграции токсичных элементов в геосферах. Другим обоснованием затронутой проблемы является использование в экономике ряда ценных элементов и компонентов, накопленных углями в ходе геологической истории их формирования. Геохимия углей и вмещающих их пород является отображением процессов денудации древних горных сооружений,

окружавших, например, современную территорию Кузбасса. Выявление направленных потоков древнего рассеяния элементов в угольной толще, возможно, даст основания для поисков повышенных концентраций таких характерных для кузнецких углей элементов, как цирконий, иттрий, редкоземельный комплекс и других. Сведения о содержаниях малых химических элементов в разрабатываемых пластах кузнецких углей и товарной продукции взяты из автоматизированной базы данных «Геохимия углей Кузбасса», которая была создана нами и продолжает пополняться и совершенствоваться.

Были исследованы:

- содержания химических элементов в угольных пластах по пластово-промышленному и пластово-дифференциальному опробованию угольной продукции действовавших разрезов и шахт, всего по 63 предприятиям, в том числе по 19 разрезам и 44 шахтам;

- содержания химических элементов раздельно в зольных и шлаковых отходах углесжигания на шести ТЭС;

- содержания «малых» химических элементов или элементов-примесей (ЭП) в продуктах обогащения ЦОФ «Березовская».

Обнаруженные нами аномалии содержаний урана в углях разреза «Итатский» (более 100 г/т) вызвали необходимость радиологического и дополнительного геохимического исследования как района п. Итат, так и поля вблизи расположенного разреза. По нашему предложению силами ВНИИХТ, ВНИ-ПИПТ, СГГЛ ВНИГРИуголь осуществлено предварительное обследование радиационной обстановки района п. Итат. Примеси химических элементов в кузнецких углях достаточно подробно рассмотрены в опубликованных работах Б. Ф. Нифан-това, других авторов [2, 3].

По Кузнецкому бассейну рассчитаны средние содержания элементов по угольным пластовым и товарным пробам. [4] Определены оценки уровней концентраций ЭП химических элементов относительно мировых кларков. Отметим, что высокие концентрации выявлены для ИЬ (3,0), соответственно, для пластовых и товарных проб. Высокофоновыми оказались 2г (8,4), Ва (7,1). Превышения средних содержаний над фоном в 3-5 раз выявлены для Ы, Бг, 2г, Аи. Таким образом, в кузнецких углях наиболее вероятным нам представляется обнаружение в

повышенных концентрациях следующих комплексов элементов: 1. Р, Р, С1, Бс, Т1, Сг, Мп, Со, N1, Си; 2. ИЬ, Бг, У, гг, ИЬ. 3. Ва, Ьа (табл.1).

В золошлаковых отходах по данным экспериментального сжигания на Кемеровской ГРЭС партии угля, организованного нами в 1990 г., получены результаты, сведенные в таблицу. Их рассмотрение позволило сделать вывод о существенном накоплении в отходах сжигания, в среднем, - Ь1 (в 3,17 раза), Бс (5,08), Т1 (5,67), V (7,19), Сг (13,6), Мп (1,63), Со (5,39), N1 (5,47), Си (2,8), ва (1,79), У (3,17), ИЬ (1,67), Мо (3,4), Сз (3,02), Ва (3,78), Ьа (6,11), Се (7,10), Бт (3,37), Еи (1,57), ТЬ (1,59), УЬ (3,14), Ьи (2,88), № (4,52), РЬ (2,25); также существенно накапливаются Р, ИЬ, Та.

Отметим весьма высокий уровень концентрации хрома в высокодисперсных золоуносах, где его осаждение в электрополе фильтра 1 ряда достигает 16, а в поле фильтра 2 ряда -19,4.

Обобщив ряд вычисленных коэффициентов накопления, заметим, что они получены для партии сжигаемого угля с постоянной зольностью, поэтому выделим комплексы элементов со следующими пределами коэффициента накопления КН: 1. Склонные к высокой концентрации в ЗШО (КН > 6,0) - V, Сг, Ьа, Се. 2. Склонные к повышенной концентрации в ЗШО (6 > КН > 4) - Бс, Т1, Со, N1, №. 3. Склонные к заметной концентрации в ЗШО (4 > КН > 2) - Ь1, Си, У, Мо, Сз, Ва, Бт, УЬ, РЬ. 4. Склонные к накоплению в ЗШО (2 > КН > 1) - Мп, ва, ИЬ, Еи, ТЬ.

Если принять во внимание, что среднее содержание хрома в кузнецких углях составляет 24-26 г/т, то средний поток токсичных соединений хрома на каждую тонну сжигаемого угля составит более 1400 г в пересчете на оксид хрома (Сг203). Из таблицы следует, что повышенные концентрации 29 элементов часто встречаются в шлаках и золоуносе, осаждаемом на электрофильтрах 1-2 рядов (табл. 2).

Отметим коэффициенты концентраций, вычисленные нами по сведениям Я. Э. Юдовича, М. П. Кетрис (средние выборочные данные по электрофильтрам), - Ь1 (1,04), V(2,0), Сг(2,6), Ва(1,0), Ьа(1,0), Се(1,4), Еи(1,1), Ьи(1,9). Из 27 элементов в золе электрофильтров оказались с подфоновыми концентрациями - 19, т. е. 70,4 %. В шлаках, по ККЗУ, марганец обнаружен

Таблица 1

Сравнительные данные о средних содержаниях (г/т) химических элементов в углях Кузбасса и в мире

Элемент Содержание в кузнецких углях, г/т По данным Я. Э. Юдовича, М. П. Кетрис [1]

в пластах угля в товарном угле

и 20,9 18,93 14±1

Ве 2,2 1,97 2,0±0,1

В 28,1 33,26 47±3

Бе 4,7 4,48 3,7±0,2

Т1 1504 1758 890±40

V 21,2 22,36 28±1

Сг 23,6 25,55 17±1

Мп 202,8 211,27 71±5

Со 7,8 6,81 6±0,2

N1 15,4 15,13 17±1

Си 12,6 13,58 16±1

гп 39,0 30,04 28±2

ва 5,2 6,71 6,0±0,2

ве 1,7 1,68 2,4±0,2

Дб 78,6 55,03 9,0±0,7

Бг 297,4 317,74 100±0,7

У 21,1 18,19 8,2±0,5

гг 301,0 268,8 36±3

№ 15,5 11,99 4±0,4

Мо 1,3 1,14 2,1±0,1

Ад 0,73 0,01 0,1±0,016

Бп 1,9 1,54 1,4±0,1

Ва 689,2 1066 150±10

Ьа 21,6 15,31 11±1,0

Се 30,2 31,12 23±1,0

УЬ 1,9 1,35 1,0±0,06

Ш 1,4 - 0,99±0,11

Нд 0,23 0,13 0,10±0,01

РЬ 9,5 8,69 9,0±0,7

в концентрации в 2,3 выше, чем в золошлаках мира. Определения ККУ марганца по пластовым и товарным пробам углей отвечают квалификации его уровня как надфонового (3,0). Таким образом, почти весь марганец (203-211 г/т) при сжигании концентрируется в шлаке. Дальнейшие расчеты выбросов элементов с продуктами сжигания позволят суммарно и поэлементно оценить экологическую нагрузку на регион от неорганического вещества сжигаемых углей.

Таблица 2

Распределение содержаний (г/т) элементов в исходном угле н продуктах его сжигания на Кемеровской ГРЭС

Номер пробы Продукт и Ве Бе Т1 V Сг Мп

1060 уголь 20,0 2,0 4,6 700,0 20,0 25,0 350,0

1061 угольная пыль 20,0 2,0 3,1 700,0 18,0 10,0 210,0

1062 шлак 20,0 1,8 18,78 3800,0 120,0 94,0 980,0

1063 зола 1 ряд 100,0 1,5 19,56 3700,0 150,0 280,0 150,0

1064 зола 2 ряд 70,0 1,6 20,29 4400,0 140,0 340,0 240,0

Продолжение таблицы 2

Со N1 Си ва Бг У М Мо Бп Сэ Ва

5,2 7,5 20,0 7,0 250,0 15,0 10,0 1,0 2,0 1,7 1500,0

3,7 7,0 30,0 5,0 300,0 14,0 10,0 1,0 2000,0

19,9 45,0 50,0 8,2 200,0 54,0 10,0 4,8 2,0 6,1 4615,0

26,4 35,0 50,0 14,0 300,0 340,0 20,0 2,7 3,0 4,0 1080,0

25,7 39,0 110,0 10,0 300,0 50,0 20,0 2,7 3,0 5,3 920,0

Окончание таблицы 2

Ьа Се Бт Еи ТЬ УЬ Ьи Ш РЬ ТЬ

15,5 31,0 3,87 1,0 0,76 2,2 1,0 1,46 15,0 4,8

10,7 22,0 3,05 2,4 2,02 2,2 0,5 0,81 7,2 3,5

91,0 182,9 11,37 2,5 3,14 7,9 1,46 4,61 26,0 18,6

72,0 176,3 10,48 2,7 1,92 4,6 2,28 5,42 26,0 20,5

77,0 204,9 13,15 2,8 1,56 8,2 2,75 5,43 23,0 22,6

Аналогично приведем оценочные данные о вероятном потоке (выходе) токсичных и ценных элементов при сжигании кузнецких углей в среднем по ЗШО по вычисленным коэффициентам накопления.

Полученные данные, в основном, хорошо согласуются со средними содержаниями элементов в золах каменных углей. Существенные различия получены в сторону увеличения ожидаемых средних содержаний для Т1 (в 1,85 раза), Сг (3,43), Ва (3,62), Се (1,24-2,48); а также ниже среднефоновых для Си (0,38), ва (0,21), Мо (0,13), УЬ (0,55), РЬ (0,10).

Таблица 3

Перечень предприятий ТЭС и ЦОФ «Березовская» Кемеровской области, место и материал проб

Предприятие Место отбора Материал пробы

Кемеровская ГРЭС отвал шлак

Новокемеровская ТЭЦ отвал №2 шлак

Беловская ГРЭС золоотвал зола

шлакоотвал шлак

Южно-Кузбасская ГРЭС золоотвал зола

цех шлак

Западно-Сибирская ТЭЦ цех зола

цех шлак

Томь-Усинская ГРЭС отвал шлак

отвал зола

Кузнецкая ТЭЦ отвал шлак

отвал зола

ЦОФ «Березовская» отходы обогащения порода

Таблица 4

Результаты спектрального анализа золошлаковых отходов ТЭС Кемеровской области

Элемент Сред., г/т Кларк ЗУ, г/т ККЗУ

Сг 421,4 120 3,51

Мп 521,4 430 1,21

гп 171 170 1,01

Рассмотрение полученных результатов свидетельствует о том, что 17 элементов в ЗШО Кузбасских ТЭС присутствуют в концентрациях ниже кларковых. Этот вывод не отрицает возможности обнаружения в ЗШО в дальнейшем более высоких содержаний по отдельным объектам или конъюнктурным и технологическим условиям сжигания углей. Следует обратить внимание на содержания выше кларка элементов в золах сжигания каменных углей (табл. 4).

В итоге заметим, что Сг, Мп, гп накоплены в ЗШО кузнецких ТЭС. Из них, в первую очередь, отметим продукты сжигания Южно-Кузбасской ГРЭС, обогащенные Сг, Мп, У, ИЬ. Здесь особо выделяется группа элементов (иттрий, ниобий), связанная с РЗЭ. Поэтому ЗШО Южно-Кузбасской ГРЭС, прежде отходов других ТЭС, должны быть вторично и в полном объеме опробованы на комплекс ценных элементов. Отходы углеобогащения рассмотрены на примере ЦОФ «Сибирь» по литологической фракции пород с зольностью 74,7 %.

Таблица 5

Сравнение геохимических показателей продукта обогащения ЦОФ <(Сибирь» с кларками осадочных пород

Ве Р С1 Бе ва Бг У гг

ЦОФ «Сибирь», г/т 4,6 1200 444 12,7 18,8 291 26 360

КГП, г/т 1,9 670 2700 9,6 12,0 270 29 170

ККГП 2,4 1,8 0,2 1,3 1,6 1,1 0,9 1,0

Окончание таблицы

№ Сэ Ва Еи ТЬ УЬ РЬ

ЦОФ «Сибирь», г/т 34 9 1300 2,2 3 2,6 21

КГП, г/т 7,6 7,7 410 0,94 0,69 2,0 55

ККГП 4,5 1,2 3,2 2,3 4,4 1,3 0,4

При показателях ККГП для большинства рассмотренных элементов, близких к кларку или ниже его, подчеркнем, что Ве, Р, С1, гг, ИЬ, Сз, Ва, Еи, ТЬ, РЬ выявлены в содержаниях выше кларковых. Наиболее вероятно, что в потоке породных отходов ЦОФ «Сибирь» следует ожидать появление обломочного материала с резко повышенными концентрациями элементов, в т. ч. ценных гг, ИЬ; а также ряда токсичных и радиоактивных (табл. 5). Выше кларка здесь обнаружены: токсичный Ве; Р - кислотообразователь; гг (1,0), ИЬ (4,5), Еи(2,3), ТЬ (4,4) - ценные и редкоземельные элементы. Высокая насыщенность породной составляющей отходов ЦОФ «Сибирь» вызывает необходимость поисков в породных отвалах фабрики минералов с цирконием. Возможно обнаружение циркона (ггБЮ4); соединений циркония с ве, С1, Р, Аз, Р, С, О, Б, Б1 (ггБ1), V.

Из химической характеристики золы и руд ясно, что золы углей, добываемых на разрезах «Ольжерасский», «Бачатский», «Листвянский», по содержанию в них глинозема не уступают и даже превосходят нефелиновые руды. В целом для кузнецких золошлаков по сравнению с нефелиновыми рудами отметим избыток двуокиси кремнезема, двуокиси титана, оксидов железа, магния, а также незначительный дефицит глинозема, оксида кальция и щелочных металлов. Учитывая изложенное, считаем, что выбранное из золоотходов сырье может быть источником для производства глинозема и цемента при соответствующей адаптации имеющихся технологий переработки золоотходов. Следует учесть, что содержания оксидов железа, кальция и

магния в золах довольно резко изменяются в зависимости от минералогического состава включений и пород, добываемых вместе с углем. Так, по изученным товарным угольным пробам разрезов ОАО УК «Кузбассразрезуголь», содержания (%) оксида трехвалентного железа в ЗШМ находятся в пределах 1825,6; оксида кальция - 1,0-22,0; оксида магния - 0,5-6,3; при этом содержания кремнезема и глинозема остаются достаточно стабильными. Очевидно, что при повышенных содержаниях в отходах оксида трехвалентного железа (5-25 %) его следует отделить и использовать как добавку к железорудному сырью или для других применений. Кроме того, с высокожелезистыми компонентами золы одновременно могут быть выделены фракции с повышенными содержаниями Ы, Бе, Т1, V, Сг, Со, Си, гп, ва, ИЬ, ИЬ, Се, Бт, УЬ, Ьи, №, ТЬ, и. Такая зависимость увеличения содержаний МХЭ выявлена нами экспериментально в продуктах сжигания углей на Кемеровской ГРЭС. При разделении золы на магнитном индукционно-роликовом лабораторном сепараторе обнаружено, что в слабомагнитных полях (ток 0,5-1,0 А) выделяются V, Сг, Мп, Со, N1, Си, гп, У, Ьа, Се (при токе до 4,0 А), Бт, УЬ, Ьи, РЬ; уран - в более сильных полях при токах 2,0-10,0 А. Выделение таких зависимостей требуется подтвердить на новом массиве золопроб с содержаниями железа в пределах 3-20 % и выше. Рассмотренные особенности распределения химических элементов в кузнецких углях и продуктах их переработки позволяют положительно оценивать возможности переработки ЗШО и других угольных отходов с получением экологически чистых строительных материалов, комплекса ценных элементов, новых видов минерального сырья (табл. 5, 6). Уголь будет и в последующие годы активно потребляться как энергоноситель и сырье для производства кокса и других продуктов. В мировой практике усиливается тенденция к более глубокому изучению технологических, качественных свойств энергетических и других углей, угольных отходов в целях более рационального использования и управления системой техносферы «уголь-отходы». Накопленные массы отходов Кузбасских ТЭС ежегодно пополняются. Их экологический вклад в ухудшение состояния геосфер полностью не изучен. Освобождение занятых под отвалы земель с последующей рекультивацией стало бы не только экологическим, но и социальным благом.

Таблица 6

Размещение н ресурсы отходов в золоотвалах Кемеровской области

Всего по Тепловые электростанции

Показатель Кемеровской об- Томь-Усинская Беловс-кая ЮК ГРЭС ЗСТЭЦ Куз. ТЭЦ

ласти ГРЭС ГРЭС

Площадь зо- 1125,3

лоотвалов, га,

в т.ч.: действующих отработавших 966,3 159,0 402 24 122 50 135 - 61

Наличие зо-

лошлаковых отходов на зо- 70113,3 18631,8 17690,5 11682,0 5673,1 3146,1

лоотвалах,

тыс. т, в т.ч.: действующих отработавших 49413,3 8631,8 11690,5 11682,0 5673,1 3146,1

20700,0 10000,0 6000,0 хранится на отвале ЗСМК

Нами предлагается следующий комплекс технологий для переработки отвалов с отходами углесжигания, обогащения.

1. Комплекс предварительного обогащения (РРС), разработанный в г. Красноярске (автор А. В. Корончевский), позволяющий сортировать обломочный материал отходов, а также породоугольных смесей, по их физическим свойствам, отражающим химический состав сырья; выделять из потока отходов (углей) материал с повышенным содержанием природных радиоизотопов, редкоземельных элементов, железа, других элементов и минералов.

2. Комплекс технологий, разработанных ВНИИХТ и другими институтами, для получения на основе ЗШО цемента, глинозема, редкоземельных, благородных металлов.

Комплекс технологий по утилизации и использованию очищенных отходов для производства экологически чистых строительных материалов, сырья для производства композитных материалов и изделий.

Очевидно, что реализация предлагаемого пакета связанных технологий может быть осуществлена на базе создания в Кузбассе соответствующей отрасли промышленности.

Нами приведен целесообразный, по нашему мнению, пакет рекомендаций. Их можно сгруппировать по объединяющим признакам: поисковые, мониторинговые, технологические, организационные, коммерческие.

Поисковые - относятся ко всем геохимически слабоизу-ченным минеральным объектам, освоение которых осуществляется или намечается. На поисковой стадии все объекты (товарные угли, пласты углей, их внутренние включения, кровля, почва; золы, шлаки, все продукты обогащения, другие отходы) должны быть полнее изучены как минимум количественными спектральными, другими аналитическими методами с преобладанием технологий 1ИАА, 1СР.

Мониторинговый контроль по геохимическим данным должен осуществляться на тех объектах, которые выбрасывают в окружающую среду комплексы ценных или токсичных элементов (компонентов). Есть определенные трудности в том, что не имеется нормативных документов, регламентирующих уровни геохимических выбросов или неоправданного неизвлечения из отходов ценных компонентов.

В Кемеровской области выявлен пример радиационной опасности для населения от природного источника - углей Итатского разреза, содержащих уран. В частности, подсыпка радиоактивной золы итатских углей на огороды местным населением не вина, а беда населения, которому не было своевременно объяснено вредоносное влияние использования золы углей, содержащих уран. Здесь причина - дефицит экологически более чистого топлива.

Технологические рекомендации по извлечению из сырьевых отходов ценных и других элементов базируются на результатах поискового, мониторингового этапов изучения. Прежде всего, следует разобраться с понятием «кондиций» на ценные элементы или другие выгодно извлекаемые компоненты. Это понятие не может отражать нормы инструкций прошлых лет. Кондиция, т. е. содержание элементов, компонентов, выгодно извлекаемых из сырья, определяется конъюнктурой спроса на внутреннем и мировом рынках. Есть здесь и проблема политического характера. К вывозу были запрещены редкоземельная продукция, сырье, содержащее

драгоценные металлы и др. Объясняется такое положение в ведомствах «интересами государства» или «стратегическими». Преодоление запретов может существенно активизировать рынок редких металлов в стране.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Юдович Я.Я., Кетрис М.П. Ценные элементы-примеси в углях. - Екатеринбург: УРО РАН, 2006. - 538 с.

2. Нифантов Б.Ф., Потапов Б.П., Алферов Б.А., Кузнецова Л.В. Угли Кузбасса: химические элементы-примеси и технологии их извлечения при комплексном освоении месторождений. - Кемерово: ИУ СО РАН, 2011. -310 с.

3. Нифантов Б.Ф., Потапов В.П., Митина Н.В. Геохимия и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов в кузнецких углях. Перспективы переработки - Кемерово: ИУ СО РАН, 2003. - 104 с.

4. Nifantov B.F., Potapov V.P. Mineral Resourses of Kuzbass for Complex Deposits providing Realization of Innovative Technologies of Deep Re-processing of Coal and Ores // Twenty-Fifth Annual International Pittsburg Coal Conference "Coal-Energy, Environmental and Sustainable Development". Sept. 29 - Oct. 2 2008. - Pittsburg, Pennsylvania, Recorded in USA. ISBN 1-890977-25-x. - 20p.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Нифантов Борис Федорович - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, nifantovЬf@mail.гu,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения РАН,

А