CC BY
38
УДК 658.567.1: 622.33: 504.064
С.А. Силютин
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КЛАССИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ КАК ИСТОЧНИКА НЕБЛАГОПРИЯТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ИХ ХРАНЕНИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ В ПРОЦЕССАХ УТИЛИЗАЦИИ
Предложены основные параметры классификации образующихся и хранящихся твердых отходов добычи, обогащения и сжигания углей: источник образования, содержание органического углерода, степень его углефикации, литолого-минералогический состав, содержание серы, золообразующих элементов, потенциально опасных элементов и потенциально ценных микроэлементов, пластичность. Они определяются лабораторными исследованиями согласно существующим ГОСТам и нормативным документам. Применение классификации позволит подготовить рекомендации к снижению неблагоприятных воздействий на земельные территории, водные бассейны и грунтовые воды и атмосферу, связанные с добычей, переработкой углей и хранением образующихся при этом твердых отходов. На ее основе могут быть выбраны перспективные направления использования ежегодно образующихся и хранящихся подобных отходов.
Ключевые слова: твердые отходы, классификация, снижение неблагоприятных воздействий, использование.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-5-11
Согласно современным представлениям к углеотходам — твердым отходам добычи и переработки углей (обогащение, сжигание, газификация и т.д.) относят вскрышные и шахтные породы, порода после гравитационного обогащения и хвосты флотации обогатительных фабрик, золошлаковые отходы в виде золы-уносов и шлаков после сжигания и газификации. Согласно предварительной оценке на 01.01.2017 г. в России
хранится более 12,5 млрд т этих углеот-ходов.
Как правило, выход твердых отходов на 1 т добытого угля составляет от 2 т/т до 12 т/т вскрышной породы и от 0,2 т/т до 0,5 т/т шахтной породы. Выход твердых отходов на 1 т переработанных на обогатительных фабриках углей обычно изменяется в пределах от 0,2 т до 0,35 т отходов гравитационного обогащения и от 0,02 т до 0,05 т хвостов флотации. Зо-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 1. С. 5-11. © С.А. Силютин. 2018.
лошлаковые отходы ТЭС, использующих для сжигания антрациты каменные и бурые угли, увеличиваются ежегодно на 30—35 млн т, а их выход на 1 т сжигаемых углей превышает 0,25 т.
В России принято сокращенное буквенное обозначение твердых отходов добычи и переработки углей [1]. Отходы вскрышных пород, образующиеся при открытой добыче углей, сокращенно обозначаются символом ОДВ, шахтные отходы, производимые при подземной добыче углей — ОДШ, отходы гравитационного обогащения и флотации, соответственно, ООГ и ООФ, золошлаковые отходы — ЗШО, их составляющие золы-уносов и шлаки соответственно ЗУ и Ш. В настоящее время в России, в отличии от некоторых зарубежных стран (США, ФРГ, Китай и др.), газификация в промышленном масштабе не осуществляется, но ее применение рассматривается в ближайшей перспективе с целью получения из углей синтетических жидких топлив и химических продуктов. Выход твердых отходов (ЗШО) на 1 т газифицируемого угля составит в России в среднем около 0,25—3,0 т.
В России около 50% количества образующихся ОДВ используется на закладку выработанного пространства. Утилизация других видов углеотходов составляет не более 7—8% от их ежегодного выхода. Остальные количества твердых отходов направляют для хранения в отвалы или терриконы (ОДВ, ОДШ, ООГ), пруды накопители (ООФ) и зольные отвалы (ЗШО). Хранение твердых отходов, помимо существенных капитальных вложений и значительных текущих затрат, необходимых для сооружения хранилищ углеотходов и их эксплуатации, сопряжено со следующими основными негативными факторами и неблагоприятными воздействиями на среду обитания:
• пыление, газообразование, возникновение пожаров на отвалах и террико-
нах, обусловливающих загрязнение атмосферы и окружающих территорий;
• ухудшение жизненных условий населения на территориях вблизи мест хранения углеотходов;
• возможные заболевания и мутации живых организмов, живущих на рекультивированных отвалах и питающихся растущей там растительностью;
• загрязнение открытых и закрытых водоемов водами, вытекающими из отвалов и зольных прудов;
• выплаты экологических штрафов;
• исключение из хозяйственного оборота земель, в том числе пригодных для сельскохозяйственной деятельности, занятых под хранение углеотходов.
Предлагаемая классификация включает параметры, значения которых позволяют разработать предварительную оценку выбора наиболее перспективных направлений утилизации конкретных углеотходов. К числу подобных показателей относятся: источник образования углеотходов, содержание в них горючих углеродосодержащих веществ, литолого-минералогический состав, содержание серы, золообразующих элементов, а так же, так называемых, потенциально ценных (ПЦЭ) и потенциально токсичных (ПТЭ) микроэлементов, в том числе естественных радионуклидов (ЕРН — 22^, 228^, 40К и продукты их деления).
Источник образования дает представление о гранулометрическом составе углеотходов, степеней углефикации их органических веществ и выветрелости при хранении, а также вероятной стабильности физико-химических показателей минеральных и органических составляющих.
Литолого-минералогический и химический составы углеотходов отличаются существенным разнообразием компонентов (минералов) так называемых зо-лообразующих элементов Al, Fe, Ca, Mg,
Литолого-минералогический состав во многом определяет направление использования углеотходов. Экспериментальные данные о минеральной массе твердых отходов добычи и переработки углей позволяют выделить три большие их группы: глинистые, с содержанием глин более 50%, песчаные состоящие на 40% и более из песчаника и кремнезема, и карбонатные, сложенные карбонатными породами более, чем на 20%. Характеристика литологического состава определяют по ГОСТ 18384-73 или ГОСТ 12112-78.
Литолого-минералогический и химический состав отходов определяет тип и структуру углеотходов. В процессе сжигания углей литолого-минералогический и в меньшей степени химический состав минеральной массы значительно изменяются, что определяется условиями их сжигания и, в первую очередь, скоростью взаимодействия с кислородом и конечной температурой образования зольного остатка. Тип и структура зольных остатков во многом определяет не только выбор направления использования ЗШО, но и параметры технологии производства из них товарной продукции.
Содержания горючих углеродосодер-жащих веществ, пропорциональные концентрации «органического» углерода (Со), по котором можно оценить теплотворную способность углеотходов. Величина «Со» определяется по ГОСТ 2408.1-95 или ГОСТ 2408.4-98. При Со < 5% масс. (на сухую массу) углеотходы классифицируются как минеральные, а при Со больше 5% масс. как «органоминеральные», соответственно ОДВМ, ОДШМ, ЗУМ и ОДВО, ОДШО, ООГ, ЗУО, ШО. Классификация твердых отходов добычи и переработки углей в зависимости от источников их образования и содержания углерода представлена на рисунке.
Оценка степени углефикации органического углерода, содержащегося в
рассматриваемом отходе, т.е. буроуголь-ной, каменноугольной и антрацитовой, оцениваемой по параметрам группы «источник образования», дает представление о реакционной способности горючих углеродсодержащих веществ, на основании которой в первом приближении можно судить о возможности самовозгорания углеотходов и их поведении в процессе термообработки. В частности на основе величины можно прогнозировать скорость их выгорания, количество выделяющихся смолообразующих веществ при термообработке в восстановительных средах, некоторые особенности оборудования для газификации и пиролиза. Кроме того указанные параметр позволят планировать мероприятия по обеспечению экологически безопасного хранения органоминеральных отходов добычи и обогащения углей.
Содержание серы во многом определяет перспективность использования углеотходов в качестве топлива, а так же их применение в производстве строительных материалов и при возведении искусственных земляных сооружений (фундаментов зданий, автомобильных дорог) и некоторых других направлениях. Кроме того этот параметр позволяет прогнозировать образование водорастворимых веществ при хранении углеотходов. Определение в твердых угольных отходах содержания общей серы на сухое состояние производится по ГОСТ 8606-93 или с применением инструментального метода с использованием анализаторов типа SC -144 или SC-432 [2].
Величина пластичности важна при использовании углеотходов в производстве керамических изделий, кирпича, в том числе огнеупорного, дренажных труб, а также пористых заполнителей для бетонов, облицовочных и половых плиток. Пластичность определяется по ГОСТ 21216.1-81. Зольные уносы и шлаки не обладают пластичностью.
Важными параметрами классификации являются концентрации так называемых потенциально ценных ^е, Au, Ag, Re, РЗЭ и др.) и потенциально экологически опасных микроэлементов (Hg, As, Se, V, ог, Co, N1, Mn, Р, ЕРН и др.).
Содержания ЕРН — естественных радионуклидов, к числу которых согласно инструкциям относят «ТИ», <^а» и изотоп 40К, определяют радиоактивность отходов. Так ЗШО включены в перечень строительных материалов, в которых нормативами регламентируется содержание радиоактивных веществ [3]. При измерении радиоактивности в кюри/кг суммарная радиоактивность характеризуется величиной Аэфф:
А = 108 * Аа + 109 * Ат77 + 107 * А.
эфф Ра ТИ к
где А1 — удельная активность 22^а, 228ТИ, 40К, кюри/кг.
Если Аэфф < 0,5 углеотходы могут использоваться в любых направлениях, но при Аэфф = 0,5—0,7 они могут применяться при строительстве только промышленных зданий, автомобильных дорог, искусственных земляных сооружений, а при Аэфф = 0,7—1,0 углеотходы могут быть использованы исключительно для строи-
тельства автомобильных дорог и искусственных земляных сооружений. При величинах Аэфф > 1,0 требуется осуществление специальных мероприятий по их экологически безопасному хранению.
Определение значений величин перечисленных выше показателей позволяет осуществить экологически безопасное хранение углеотходов, а также оценить целесообразность использования углеотходов по многим направлениям, таким как:
• сжигание, газификация;
• обогащение на энергетическое топливо;
• основное сырье или добавки для производства: пористых заполнителей для бетонов (аглопорита, керамзита, безобжигового зольного гравия и др.), эффективной керамики, вяжущих материалов, в том числе цемента;
• глинозем и кремнеалюминиевых сплавов;
• огнеупорные и абразивные материалы (конструкционная нитридная керамика, карбид кремния и др.);
• добавок для выплавки чугуна с уменьшенным расходом кокса;
• компоненты удобрений;
ОТХОДЫ МИНЕРАЛЬНЫЕ, Со < 5% масс.
одшм одвм ЗУМ
отходы ДОБЫЧИ Порода шахтная одш
Порода вскрышная одв
\ Зола \ уноса, ЗУ ОТХОДЫ СЖИГАНИЯ (газификации)
/ Шлак, Ш
ОДВО ОТХОДЫ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ, Со > 5% масс. ЗУО ШО
ООГ ООФ
/ \
Порода гравитации, ООГ Флотохвосты, ООФ
ОТХОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ
Классификация твердых отходов добычи и переработки углей в зависимости от источников их образования и содержания углерода
• замена грунтов при строительстве искусственных земляных сооружений и автомобильных дорог;
• попутного получения первичных концентратов редких и благородных металлов.
Комплекс указанных параметров позволяет оценить класс опасности угле-отходов при их хранении в отвалах и прудах-накопителях флотохвостов или зо-лошлаковых отходов, а также выбрать основные направления их целесообразной утилизации.
Следует подчеркнуть, что перспективность реального практического ис-
пользования в конкретных отраслях промышленности твердых угольных отходов определяется не только их составом и свойствами, но и технико-экономическими показателями производства и реализации товарной продукции утилизации.
С учетом формирования в каждом регионе спроса на конкретные продукты, существующих экологических штрафов за хранение твердых отходов, логистических и коммерческих затрат формируется конъюнктура рынка отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шпирт М.Я., Артемьев В. Б., Силютин С. А. Использование твердых отходов добычи и переработки углей. Т. 5. — М.: Горное дело, 2013. — 431 с.
2. Pashkevich M.A.. Classification and Environmental Impact of Mine Dump. Assessment, Restoration and Reclamation of Mining Influenced Soils, 2017, Chapter 1, pp. 1—32.
3. Alekseenko V.A., Jaume Bech, Alekseenko A. V., Shvydkaya N. V., Núria Roca. Environmental impact of disposal of coal mining wastes on soils and plants in Rostov Oblast, Russia Journal of Geochemical Exploration, 2017, in press.
4. Siva Prasad Dontala, T. Byragi Reddy, Ramesh Vadde. Environmental Aspects and Impacts its Mitigation Measures of Corporate Coal Mining. Procedia Earth and Planetary Science, Vol. 11, 2015, Pp. 2—7.
5. Dmitrienko M.A., Legros J. C., Strizhak P.A.. Experimental evaluation of main emissions during coal processing waste combustion, Environmental Pollution, Vol. 233, February 2018, Pp. 299—305.
6. Javier Pallarés, Carlos Herce, Carmen Bartolomé, Begoña Peña. Investigation on co-firing of coal mine waste residues in pulverized coal combustion systems. Energy, Vol. 140, Part 1, 1 December 2017, Pages 58-68.
7. Shpirt M. Ya., Rainbow A. K. M. Ecological Problems Caused by Coal Mining and Processing with Suggestions for Remediation. Millpress. Rotterdam. Netherlands. 2006. 162 p.
8. Pandit G. G., Sahu S. K., Puranik V. D. Radioprotection 2011. Vol. 46. № 6. p. 173.
9. Nancy E., Lauer James, Hower C., Ross K. and oth. Environmental Science & Technology. 2015. V. 10. P. 1021.
10. Fisne A., Ozturk, Okten G. Advanc in Mineral Res. Manag Environiol Geot. Hania, 2004, Greece. Р. 767.
11. Авгушевич И. В., Броновец Т. М., Головин Г. С. и др. Стандартные методы испытания углей. Классификации углей. — М.: НТК «Трек», 2008. — 368 с.
12. Нормы радиационной безопасности НРБ-99. СП 2.6.1 758-99. Минздрав России. 1999. — С. 24—26. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Силютин Сергей Алексеевич — кандидат технических наук, начальник отдела качества и обогащения углей АО «СУЭК», e-mail: [email protected].
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 1, pp. 5-11.
S.A. Silyutin
GENERAL PROVISIONS OF CLASSIFICATION OF COAL MINING AND PROCESSING REFUSE AS AN ORIGIN OF ENVIRONMENTAL IMPACT WHEN STORED AND AS A SOURCE OF PROCESS RAW MATERIALS WHEN RECYCLED
Russia is one of the world's top countries with the most annual waste of coal mining, processing and burning. Many countries recycle such waste to obtain raw materials for different purpose in volumes making 40 to 100% of the annual waste production. Russia recycles not more than 7-9% of such waste that is mostly stored in dumps and gathering ponds, which entails high investment, operating cost, nonproductive withdrawal of land, contamination of the environment and the related penalties. The author proposes the main parameters for the classification of new and stored solid waste determined in the laboratory tests in accordance with the current state standards and regulatory documents: source, organic carbon content, coal rank, lithologo-mineralogical composition, sulfur content, ash-forming elements, potentially hazardous element, potentially valued microelements and ductility properties.
The classification will assist in recommending on mitigating adverse effect exerted on lands, surface water bodies, groundwater and air by coal mining and processing and by subsequent storage of solid waste. Furthermore, based on the classification, it will be possible to select promising trends of recycling of annual new and old refuse.
Key words: solid waste, classification, adverse effect mitigation, use.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-5-11
AUTHORS
Silyutin S.A., Candidate of Technical Sciences,
Head of Department, e-mail: [email protected]
OJSC «Siberian Coal Energy Company» (SUEK), Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Shpirt M. Ya., Artem'ev V. B., Silyutin S. A. Ispol'zovanie tverdykh otkhodov dobychi i pererabotki ugley. T. 5 (Use of solid wastes of mining and processing of coal. vol. 5), Moscow, Gornoe delo, 2013, 431 p.
2. Pashkevich M. A.. Classification and Environmental Impact of Mine Dump. Assessment, Restoration and Reclamation of Mining Influenced Soils, 2017, Chapter 1, pp. 1—32.
3. Alekseenko V. A., Jaume Bech, Alekseenko A. V., Shvydkaya N. V., Núria Roca. Environmental impact of disposal of coal mining wastes on soils and plants in Rostov Oblast, Russia Journal of Geo-chemical Exploration, 2017, in press.
4. Siva Prasad Dontala, T. Byragi Reddy, Ramesh Vadde. Environmental Aspects and Impacts its Mitigation Measures of Corporate Coal Mining. Procedia Earth and Planetary Science, Vol. 11, 2015, Pp. 2—7.
5. Dmitrienko M. A., Legros J. C., Strizhak P. A.. Experimental evaluation of main emissions during coal processing waste combustion, Environmental Pollution, Vol. 233, February 2018, Pp. 299—305.
6. Javier Pallarés, Carlos Herce, Carmen Bartolomé, Begoña Peña. Investigation on co-firing of coal mine waste residues in pulverized coal combustion systems. Energy, Vol. 140, Part 1, 1 December 2017, Pages 58-68.
7. Shpirt M. Ya., Rainbow A. K. M. Ecological Problems Caused by Coal Mining and Processing with Suggestions for Remediation. Millpress. Rotterdam. Netherlands. 2006. 162 p.
8. Pandit G. G., Sahu S. K., Puranik V. D. Radioprotection. 2011. V. l46. № 6. p. 173.
9. Nancy E., Lauer James, Hower C., Ross K. Environmental Science & Technology. 2015. Vol. 10. P. 1021.
10. Fisne A., Ozturk, Okten G. Advanc in Mineral Res. Manag Environiol Geot. Hania, 2004, Greece. P. 767.
11. Avgushevich I. V., Bronovets T. M., Golovin G. S. Standartnyemetody ispytaniya ugley. Klassifikatsii ugley (Standard methods of tests of coals. Classification of coals), Moscow, NTK «Trek», 2008, 368 p.
12. Normy radiatsionnoy bezopasnosti NRB-99. SP2.6.1 758-99 (Norms of radiation safety NRB-99. SP 2.6.1 758-99, Minzdrav Rossii, 1999, pp. 24-26.
FIGURE
Classification of coal mining and processing waste depending on the source and carbon conten.
A
ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)
ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БУРОВЫХ УСТАНОВОК
(2017, № 10, СВ 21, 16 с.) Шевырева Наталия Юрьевна — кандидат технических наук, инженер, ООО «Электротехническая промышленная компания», e-mail: [email protected].
Применение активного выпрямителя напряжения в составе преобразователя частоты позволяет осуществить: формирование фазных токов сети, близких по форме к синусоиде; поддержание заданного коэффициента мощности сети; передачу энергии из сети переменного напряжения в цепь постоянного напряжения и в противоположном направлении. Применение принципа подчиненного регулирования координат обеспечивает хорошее качество переходных процессов по напряжению и реактивной мощности сети при пуске и торможении электропривода. Регулирование активного выпрямителя напряжения по напряжению сети уменьшает отклонение напряжения электропитания в переходных и установившихся режимах работы электропривода. Регулирование активного выпрямителя напряжения по реактивной мощности уменьшает потребление реактивной мощности и увеличивает коэффициент мощности в переходных и установившихся режимах работы электропривода.
Ключевые слова: буровая установка, частотно-регулируемый электропривод, активный выпрямитель напряжения, реактивная мощность
APPLICATION OF ACTIVE FRONT END DURING OPERATION OF DRILLING RIGS
Shevyreva N.Yu., Candidate of Technical Sciences, Engineer, Electrotechnical Industrial Company Ltd, Russia, e-mail: [email protected].
The operation of drilling rigs with a frequency-controlled electric drive leads to a significant distortion of the sinusoidal form of the network voltage and an increase in the reactive power consumption. The use of an active front end in the frequency converter makes it possible to: generate phase currents of a network that are close in shape to a sinusoid; maintaining a given network power factor; Transmission of energy from the AC voltage network to the DC voltage circuit and in the opposite direction. The use of automatic control systems of the active front end of the voltage by reactive power and the mains voltage, ensure the maintenance of their set values regardless of the length of the supply line and changes in operating conditions and loads of electric drives of drilling rigs. The application of the principle of subordinate regulation of coordinates provides a good quality of transients in voltage and reactive power of the network when starting and braking the electric drive. Regulation of the active front end on the mains voltage reduces the deviation of the power supply voltage in the transient and steady-state operating modes of the electric drive. The regulation of the active front end of the reactive power reduces the consumption of reactive power and increases the power factor in the transient and steady-state operating modes of the drive.
Key words: drill rig, variable-frequency electric drive, active front end, summary coefficient of voltage harmonics, reactive power, voltage shift of power supply, the regulation of reactive power, regulation of voltage, the quality of transitional processes.
