CC BY
54
УДК 658.562.64:622.3
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА УГЛЕЙ МЕТОДОМ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ПРИМЕСЕЙ
А.В. Мозолькова
Кафедра горного и нефтяного дела Российский университет дружбы народов
ул. Орджоникидзе, д. 3, 117419, Москва, Россия
В статье рассматривается влияние содержания и вещественного состава на качество углей при различных направлениях их использования, а также предложены решения по снижению зольности углей путем их предварительной деминерализации в массиве. Показано, что наибольшее количество минеральных примесей - труднорастворимые силикаты, однако наиболее технологически вредными являются относительно легко растворяющиеся сульфиды.
Возможность использования угля в той или иной отрасли определяется его качеством. Одним из важнейших показателей качества угля является содержание в нем примесей (зольность, содержание серы, фосфора и др.), которые либо содержатся в угле в виде различных включений, либо попадают в уголь из вмещающих пород при добыче. Для снижения содержания примесей в угле их обогащают после выемки на поверхности. Однако существует принципиальная возможность удаления минеральных примесей из угля до начала выемки методами, аналогичными тем, которые используются при разработке месторождений способом скважинной геотехнологии и рассматриваются в рамках концепции техногенного ресурсовоспроизводтс-ва минерального сырья [2, 3] Для разработки эффективной технологии деминерализации углей в массиве рассмотрим минералогию и формы нахождения минеральных примесей угля и их растворимость.
Минералогический состав неорганической части угля значительно различается как ог месторождения к месторождению, так и на различных участках одного и того же месторождения. В целом минеральный состав конкретного угля определяется условиями его формирования, начиная со стадии накопления растительного материала и заканчивая гипергенезом сформированного угля.
Минеральные примеси в углях представлены главным образом глинистыми минералами (на их долю приходится в среднем 80-60% от общего количества минеральных веществ, содержащихся в углях, они представлены иллитом, серицитом, монтмориллонитом, каолинитом, реже отмечается галуазит); сульфидами железа (пирит, марказит и мельковит), карбонатами (кальцитом, сидеритом, доломитом и анкеритом) и кварцем. В меньших количествах встречаются полевые шпаты, фосфаты, нитраты, сульфата, оксалаты, ванадаты, вольфраматы. По оценке Дж. Рентона на глинистые минералы и кварц приходится 80 - 90% всего количества минерального вещества. Остальное - карбонаты (кальцит, доломит, анкерит, сидерит) и
дисульфиды (пирит и марказит). Все прочие минералы Дж. Рентон относит к малым (minor) и редким (trace).
К числу малых он относит водные сульфаты железа (кокимбит, сомольконит, ярозит) и кальция (гипс, бассанит, ангидрит), полевые шпаты (плагиоклазы и щелочные) и сульфаты (галенит, сфалерит и пирротин).
В группе редких минералов в настоящее время насчитываются многие десятки минералов, (в том числе к этой группе относятся минералы редких, благородных и рассеянных металлов).
Характерной особенностью угленосных толщ является присутствие в них существенно каолинитовых пород - подугольных (андерклеев) и внутриугольных (тон-штейнов). Андерклеи представляют собой глинистые породы, обогащенные каолинитом, залегающие под угольными пластами и находящиеся в тесной ассоциации с ними. Их образование может быть связано как с формированием угольной залежи, так и с выщелачиванием органического материала из торфа или угля [6].
Тонштейны - это выдержанные на большой площади прослои пород в угольном пласте. Образование тонштейнов связывают с осаждением вулканического пепла. Мощность тонштейнов изменяется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
В особую группу выделяются так называемые «соленые» угли, содержащие большое количество хлоритов (в основном галита).
Все неорганическое вещество углей делится на 6 классов: биогенная зола растений-углеобразователей;
седиментационная (хемогенная зола) образующаяся в некоторых торфяниках;
сорбционная зола, образующаяся путем сорбции растворенного вещества на органическом материале торфа или бурого угля или на его минеральном веществе;
конкреционная зола, образующаяся в диагенезе либо из сорбционной золы, либо самостоятельно;
кластогенная зола, представленная обломочными терригенными или вулканогенными частицами, занесенными в торфяник водой или ветром;
инфильтрационная зола, представленная эпигенетической минерализацией в
трещинах угля (холодноводной или гидротермальной).
Биогенная и сорбционная зола, также мелкие классы конкреционной и хемогенной золы образуют «внутреннюю золу», которая не вскрывается во время дробления при обогащении углей. Остальные классы образуют «внешнюю золу», которая при обогащении остается в тяжелых фракциях (рис. 1).
В химическом составе неорганической части угля можно выделить две группы химиче-
ских элементов: главные (золообразующие) - 81, А1, Ре, Са, М§, N3, К, для некоторых углей характерны также сера и фосфор, и второстепенные (элементы примеси) - в этой группе могут находиться практически все химические элементы. Среди второстепенных элементов имеются редкие ценные металлы (Се. Оа, и, Мо, Ве, Бс, ТК), технологически вредные (С1, Б, Ав), токсичные (Н& Ав и др.) и потенциально токсичные элементы. Например, для Подмосковного угольного бассейна потенциально ценными элементами являются ТИ., Аи, Оа, а потенциально токсичными - Ве, 2п, Сс1, Ш, РЬ [5]. При этом один и тот же элемент в зависимости от его концентрации в угле и способа использования этого угля может выступать в разном ка-качестве.
В настоящее время основными направлениями использования углей являются: в качестве топлива в энергетике, коммунальном хозяйстве и при производстве строительных материалов, коксование и полукоксование, газификация. Кроме того, уголь можно использовать для получения сорбентов, жидкого горючего (бензина, дизельного, котельного и реактивного топлива), различных углеродных материалов (карбидов кремния и кальция, термоантрацита, термографита), однако в настоящее время большая часть угля используется как топливо (рис. 2)
[3,41-
При сжигании входящие в состав угля минералы образуют твердую золу и частично переходят в газовую фазу. Минеральный состав золы зависит от состава минералов, входящих в уголь, и их преобразований под действием высоких температур. Негативные свойства твердой золы заключаются в загрязнении топочных агрегатов, атмосферы (в виде пыли) и литосферы (склады шлаков).
Образующиеся газообразные соединения серы (в основном сернистый газ) вызывают коррозию оборудования и загрязняют атмосферу.
Продуктом, получаемым при газификации углей, являются энергетические и технологические газы. Газификацию производят в газогенераторах различных систем. Препятствием для использования углей в газогенераторах является их спекае-мость и высокое содержание серы. Сера, содержащаяся в углях, при газификации частично переходит в газ в виде сернистого газа и сероводорода. Особенно вредна в этом отношении сульфидная сера (в газ переходит 70-80 % ее объема).
Основным продуктом коксования является кокс, кроме того, при коксовании получают ряд продуктов, являющихся ценным химическим сырьем (коксовый газ, каменноугольная смола). Основными свойствами, определяющими пригодность углей для коксования, являются спекаемость, зольность, содержание серы, влаж-
Бытовые
нужды
24%
Получение
ЖИДКИХ
продуктов, газа, кирпичное производство, обжиг извести
25%
Производство
кокса
23%
Рис. 2. Направления использования угля
ность. Качество кокса определяется его зольностью, содержанием влаги, серы и фосфора, выходом летучих веществ, иногда составом золы и ее плавкостью.
Вещества, способные растворить некоторые содержащиеся в угле минералы, и условия их растворения приведены в табл.
Таблица
Растворимость некоторых минералов, содержащихся в угле [1,91
Минерал Растворители и условия растворения
Кварц С кислотами не реагирует за исключением НЕ, с которой легко образует летучее соединение 81Р4. Поддается влиянию щелочей.
Полевые шпаты (плагиоклазы, альбит, лабрадор, ортоклаз, микроклин) В кислотах не разлагаются
Биотит Разлагается в НгБС^, НКСЬ смеси НР+Н2804 при нагревании разложение усиливается
Хлорит Соляная кислота не действует, концентрированная Н2804 вполне разлагает
Пироксены (диопсид, салит, генденбергит, авгит, эгирин, сподумен) Практически не разлагаются в кислотах, за исключением некоторых разновидностей, растворяющихся в горячей серной и соляной кислотах. Геденбергит растворяется в НС1 с выделением 8Ю4
Эпидот Растворяется в НС1 с выделением студенистого кремнезема только после предварительного сплавления или сильного прокаливания
Апатит Растворяется в НС1, НЫ(Х Н2804, при нагревании разлагается СНзСООН
Магнетит Полностью растворяется в НС1, концентрированной азотной и фосфорной кислоте, медленно но полностью растворяется в НР, уксусная, лимонная и винная кислоты при кратковременном воздействии на магнетит не действуют
Гематит Растворим в концентрированной НС1
Сфен (титанит) В горячей НС1 разлагается частично, в горячей Н2804 полностью разлагается с образованием СаБ04
Минералы глин каолинит иллит галуазит Частично разлагаются в кислотах и щелочах при нагревании. Каолинит растворим в серной кислоте при нагревании до паров 803.
Сульфиды Разлагаются в кислотах с выделением серы и ее соединений
Кальцит Легко растворяется соляной кислотой с выделение С02
Гипс Растворяется в НС1 слабо. В воде, подкисленной Н2804, растворяется гораздо лучше, чем в чистой. Однако при концентрации Н2804 свыше 75 г/л растворимость резко падет. Одна часть гипса растворяется в 200 частях воды.
Сульфиды Растворяются в кислотах с выделением серы и ее соединений
Гидроксиды железа (гетит, лемонит, лепидокролит) В НС1 и IIР разлагаются при нагревании
Продолжение табл.
Минерал Растворители и условия растворения
Тальк В НР разлагается
Пирит Легко окисляется и переходит в оксиды железа Сера при этом образует сульфаты (гипс и др.)
Доломит С холодной НС1 реагирует очень слабо, в горячей вполне растворяется
Анкерит Растворим в 10% СНЗСООН (двухкратная получасовая обработка при 100°С), 3 - 5% НС1 при нагревании
Сидерит Холодная НС1 действует слабо, но при нагревании очень энергично
Галенит Растворяется в концентрированной горячей НС1, концентрированной РГЫОз, при длительном нагревании порошок минерала растворяется в Н28С>4, РеСЬ, смеси 25%
Сфалерит №бЬо]йе£Ь ($йц£^грированной РЬ804 и НС1 с выделением сероводорода
Пирротин Растворим в разбавленной (1:2) НС1 с выделением 8 и Н28; в разбавленной 1:1 НМ05 растворяется при нагревании, растворяется в лимонной кислоте с выделением Н28.
Галит Легко растворяется водой
Как видно из табл., содержащиеся в углях минералы в той или иной степени растворяются различными веществами. Глинистые минералы, содержащиеся в углях в наибольшем количестве, являются труднорастворимыми. Сульфиды, содержатся в углях в меньшем количестве, но являющиеся одной из наиболее технологически вредных примесей угля растворяются легче, чем глинистые минералы. Следовательно, обрабатывая угольный пласт различными реагентами через скважины можно добиться снижения зольности и сернистости угля.
Кроме того, растворение содержащихся в угле минеральных примесей может осуществляться при помощи микроорганизмов-хемоавтотрофов, которым процессы окисления неорганических субстратов служат источником энергии. Углерод для синтеза органических веществ такие микроорганизмы получают, как правило из С02, остальные элементы - из горных пород и подземных вод.
Процессы извлечения металлов при помощи бактерий известны с XVI в.
Реализовать технологию подземного выщелачивания минеральных примесей из угля для пласта, почва и кровля которого являются водоупорными породами и не содержат разрывных нарушений можно следующим образом.
Пласт угля вскрывается скважинами (можно использовать скважины, пробуренные для разведки месторождения и предварительной дегазации пласта). Затем в эти скважины нагнетаются специальные растворы (например, раствор соляной или других кислот или культуры бактерий и питательная среда). После этого скважина герметизируется на время, необходимое для растворения минералов, по окончании которого скважины распечатываются, и в пласт нагнетается раствор для удаления продуктов реакции и нейтрализации выщелачивающих растворов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГГУ. -2001.-656 с.
2. Воробьев А.Е. Ресурсовоспроизводящие технологии горных отраслей. Учебное пособие. - М.: МГТУ. - 2001 - 150 с.
3. Воробьев А.Е., Балыхин Г.А., Гладуш А.Д. Техногенное воспроизводство углеводородного сырья в литосфере: факторы, механизмы и перспективы. - М.: «Учеба», 2003.-417 с.
4. Горная энциклопедия. Т.1. - М.: «Советская энциклопедия», 1984.
5. Минеральное сырье /Под. ред. В.П. Орлолва. Краткий справочник. - М.: ЗАО «Геоинформмарк». - 1999. - 302 с.
6. Минеральное сырье. Уголь. В.А.Косинский, Ю.Н. Корнилов, Е.И. Поляковская и др. Справочник. - М.: ЗАО «Геоинформмарк». - 1997. - 63 с.
7. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России: Справочник. - М.: Недра. - 1996. - 238 с.
8. Юдович М.Я., Кертис М.П. Неорганическое вещество углей. - Екатеринбург: УрО РАН. - 2002. - 404 с.
9. Миловский А.В. Минералогия и петрография. - М.: Недра. - 1973. - 366 с.
IMPROVEMENT OF QUALITY OF COALS BY A METHOD UNDERGROUND DISSOLUTION MINERAL IMPURITY
A.V. Mozol’kova
The department of Mining and oil business Peoples’ Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, 117419, Moscow, Russia
In clause is considered influence of the maintenance and material structure on quality of coals at various directions of their use. And also offer decisions on decrease of mineralization of coals by their preliminary demineralization in a file. The greatest quantity of mineral impurity - the almost insoluble silicates is shown, that, however the most harmful are rather easily dissolved sulfides.
Мозолькова Анна Вячеславовна, ассистент кафедры Горного и нефтяного дела Российского университета дружбы народов. Автор 10 публикаций по ресурсовоспроизводящим технологиям.
