CC BY
31
© И.И. Шаровар, В.Г. Виткалов, Т.А. Гула, 2006
УДК 622.272
И.И. Шаровар, В.Г. Виткалов, Т.А. Гула
ВЛИЯНИЕ РЕАГЕНТНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ ОРГАНИЧЕСКОЙ МАССЫ БУРОГО УГЛЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ
~П разные периоды развития исто-
X# рии России минерально-сырьевые ресурсы в основном определяли состояние экономики страны и служили материальной базой укрепления ее промышленной мощи.
Угли, как и любое другое органическое ископаемое, могут использоваться в двух направлениях: в качестве энергетического топлива и в качестве сырья для химикотехнологической переработки.
Основной проблемой использования угля является загрязнения окружающей среды продуктами его переработки, выбрасываемыми в атмосферу.
Основные загрязняющие агенты при массовом сжигании углей:
802, БОз, ^Б, Б, СО2;
металлы, которые по своему вредному воздействию на окружающую среду можно разделить на две группы: первая (наиболее опасная по токсичности) группа -Л8, Ве, И§, Cd и вторая - В, Си, Со, N1, Бе, РЬ.
Особую экологическую опасность и одновременно промышленный интерес представляют урано-угольные месторождения и многочисленные рудопроявления урано-угольного типа, известные в Подмосковном, Донецком, Челябинском, Минусинском и Иркутском бассейнах.
В Челябинском угольном бассейне в начале 60-х годов было выявлено Копей-ское урано-угольное рудопроявление, заключенное в пласте бурого угля мощно-
стью 1 м. Оруденение оконтурено в виде линзы с содержанием урана в ее центральной части до 1000-8500 г/т. В Подмосковном бассейне известно 5 мелких ураноугольных месторождений и большое число рудопроявлений. Наиболее крупное Бельское месторождение в Тверской области является многоярусным и содержит до 28 угольных пластов. Залежи урана прослеживаются по простиранию и падению от нескольких сотен метров до нескольких километров при мощности от 0,1 до 3,0 м и вариациях содержания урана от 0,01 (100 г/т) до 0,262 % (2620 г/т). Максимальные концентрации урана в углях и параметры рудных объектов связанны с бурыми углями мезозойского возраста [1].
При сжигании ураносодержащих углей уран и продукты его распада (радий и радон) частичного улетучиваются с дымовыми газами и твердыми частицами, а частично обогащают твердые продукты (шлаки, золу). По имеющимся литературным данным, угольная зола обогащается различными элементами в 2-15 раз по сравнению с исходным углем в зависимости от зольности.
В результате детальных специализированных работ на территории России выявлен целый ряд германий-угольных месторождений. Германий-угольные месторождения служат важным источником получения германия в нашей стране. Кларк Германия (по А.П. Виноградову) равен 1,4 г/т. В отличие от урана и других металлов
для промышленного извлечения германия при использовании коксующихся углей достаточно концентрации металла 2,0-4,5 г/т, а энергетических углей - 10-15 г/т. [1]
В германий-угольных месторождениях (в бурых углях) зафиксированы следующее содержание германия, г/т: Миллеров-ского района Донбасса - 156, Реттихов-ского месторождения Приморья - до 360, Черемховского месторождения Иркутского бассейна - до 72. Содержание германия определялось в золе углей, а затем пересчитывалось на уголь пропорционально его зольности, однако при сжигании угля с доступом кислорода часть германия теряется вместе с дымовыми газами.
В России, в частности в Восточном Донбассе, германий получают в основном из подсмольных вод и смол коксохимического производства, однако извлекается не более 10 % германия, за рубежом извлекают до 90 % германия преимущественно из пыли дымовых газов.
Кроме урана в урано-угольных месторождениях зафиксированы промышленные концентрации ряда других элементов, г/т: молибдена до 400, селена - до 1200, рения - до 4, германия - до 10, серебра -до 12, иногда золота, свинца и цинка.
Максимальный кларк концентрации накопления (Кк>1000) установлен для ограниченного круга элементов: урана
(Подмосковный бассейн - 2400; Челябинский - 3400); ртути (Донецкий бассейн -3600), рения (Донецкий бассейн - 1140).
Угли подавляющего большинства месторождений Подмосковного бассейна относятся к разряду сернистых и высокосернистых. Содержание серы колеблется от 2 % до 11 %, достигая иногда 25 %. В добываемых в России углях содержится около 10 млн т серы, три четверти которой переходит в атмосферу в виде Б02. В угле различают четыре формы серы: пиритную, органическую, сульфатную и элементар-
ную. Содержание пиритной и органической серы в угле может быть от десятых долей процента до нескольких процентов.
В общем балансе серы сульфатная и элементарная формы не играют существенной роли, так как содержания сульфатной серы не превышает 0,1-0,2 %, а элементарной - меньше 0,2 %.[3]
Общую сернистость угля принято определять двумя формами серы: пиритной и органической. Основной формой серы является, как правило, пиритная. Органическая сера каменных углей входит в угольное существо интрамолекулярно и распределено в нем равномерно. [3]
Основным загрязняющим фактором горно-энергетического производства являются тепловые электростанции. Здесь все поступившее сырье превращается в отходы, причем отходы при сжигании 1 т антрацита в 4 раза превышают массу использованного топлива. Утилизацией обычно охватывается только зола и шлаки.
Пары воды и двуокись углерода, поступая в атмосферу, включаются в природные циклические процессы и поглощаются растительностью для синтеза органических соединений и регенерации кислорода. Однако, темпы роста использования топлива человеком на несколько порядков выше регенерационных возможностей растительного мира. Только 30 % энергии топлива используется по прямому назначению - для производства электроэнергии, остальное количество рассеивается в окружающую среду в виде горячих газов (10 %) и теплой воды (60 %). Из-за дороговизны методов поглощения двуокиси серы (25-50 %) от общей стоимости оборудования электростанции обычно повсеместно используют метод рассеивания дымовых газов в атмосферу с помощью высоких труб.
Таблица 1
Характеристика испытываемых бурых углей
Характеристика Единица измерения Значение
Группа угля гумусо-сопропелевые
Качественная характеристика угля: влага рабочая WP зола Ас сера ^б летучие теплота сгорания, 2Г
% 24.1-32.8
% 37.1-52.0
% 2.2-6
% 49.6-50.2
Кдж/кг 25250-29250
Элементный состав горючей массы: углерод СГ водородНГ (О+Ы+Б)Г
% 6.58-6.68
% 5.6-5.8
% 21-25
Органический состав горючей массы: гуминовые кислоты первичная смола полукоксования
% 27,9-31,5
% 7.1-8.5
Таблица 2
Результаты анализа исследуемых проб
№№ п/п Наименование шахты Время обработки 1, ч Влага аналитической пробы Wа ,% Сера общая ана-литичес-кого состояния 8 а, % Сера общая сухого состояния 8 ^,%
1 «Бельковская», исходная проба 0 12.0 1.15 1.35
2 «Подмосковная», исходная проба 0 7.2 6.02 6.43
3 «Бельковская», 1:в=6 ч 6 16.8 1.12 1.31
4 «Подмосковная» 1в=6 ч 6 6.4 5.14 5.54
5 «Бельковская», 1:в=24 ч 24 12.1 1.11 1.26
6 «.Подмосковная», 1:в=24 ч 24 10.2 4.56 5.08
7 «Подмосковная», 1:в=36 ч 36 20.2 2.98 3.73
Повышение уровня использования углей может быть обеспечено так же за счет улучшения его качества. Так, снижение зольности углей на 1 % дает эффект роста КПД сжигания в топках электростанций на 0,1, снижает недожог на 1,5-2,0, расход кокса на 2 %. Повышение доли обогащенных углей, резко снижает транспортные
расходы. Удаление вредных примесей серы, превышающих 0,7 %, фосфора свыше 0,01 %, ртути, мышьяка, стронция 0,010,0016 %, повышает экологическую и технологическую чистоту топлива и соответственно снижает нагрузку на окружающую среду. [3]
Угленосные отложения в Подмосковном бассейне приуроченные к нижней части карбона. Залежи угля распространяются не повсеместно и имеют в большинстве случаев вид обособленных линз неправильной формы, запасы которых составляют около 0,8 млрд т.
Угли бассейна отличаются повышенной зольностью, в связи с чем среди них условно выделяются малозольные (до 35 %), зольные (35-40 %) и многозольные (45-50 %) разности.
Минеральная часть углей на 85-90 % состоит из каолинита и частично гидроокислов алюминия, 10-15 % приходятся на другие минералы.
Угли характеризуются сравнительно невысокой теплотой сгорания (2511638344 кДж/кг), довольно значительной сернистостью (3-5, местами до 8 %). [2]
Конкурентоспособность угледобы-
вающей отрасли Подмосковного бассейна может быть достигнута за счет создания прибыльных угольных производств и комплексного использования всей добываемой горной массы.
В этой связи актуальным является повышение экологической безопасности и технологической чистоты топлива, полученного из бурых углей Подмосковного бассейна.
Решение поставленной задачи может быть достигнуто в результате разработки эффективных методов химического воздействия на структуру органической массы угля, например, средой низкокипящих фторалканов и других веществ, близких к ним по физическим и химическим свойствам.
При исследовании влияния на структуру органической массы угля предварительной его обработки низкокипящей жидкостью объектами были выбраны бурые угли Подмосковного бассейна: шахта «Бельковская» и шахта «Подмосковная». Характеристика испытываемых бурых углей представлена в табл. 1.
В качестве реагента была выбрана низ-кокипящая жидкость с температурой ки-
пения (t = 50 0С) и плотностью 1,4 т/м3. Для изучения влияния реагентного модифицирования на поведение серы в буром угле шажты «Подмосковная» и шахты «Бельковская» была разработана методика. Методика включала отбор и приготовления проб для анализа в соответствии и правилами и нормами обработки проб, установленным ГОСТ 10742-71 (СТСЭВ 752-77).
Пробы, обработанные низкокипящей жидкостью выдерживались в плотно закрытой колбе от 6 до 36 часов, затем низ-кокипящая жидкость сливалась в чистую колбу и определялся ее химический состав. Далее проба угля выдерживалась в открытой колбе до полного улетучивания реагента.
Анализ серы в исходной пробе и пробах обработанных низкокипящей жидкостью были проведены по методике Шешко в научно-производственном филиале «Жилев-ская ОПОФ - углепродукт », которые представлены в табл. 2.
Результаты исследований показали, что модификация бурого угля низкокипящей жидкостью способствует уменьшению процентного содержания серы, по сравнению с исходной пробой (рисунок).
С увеличением времени воздействия на органическую массу бурого угля сера претерпевает существенные изменения.
Для бурого угля, модифицированного Z-раствором (низкокипящим фторал-каном), в период его нахождения внутри пробы, уменьшение процентного содержания серы общего аналитического состояния можно объяснить разложением пирита и переходом части серы в раствор.
Использование низкокипящей жидкости для производства энергетического и бытового топлива на основе технологии реагентного модифицирования, обеспечивает повышение качества топлива на основе бурого угля и повышение его потребительских свойств и товарной стоимости.
Разрабатываемая технология реагент-ного модифицирования бурого угля особенно актуальна при создании методов ос-
воения урано-угольных месторождений Подмосковного бассейна. Так как урановые компоненты рассеяны, в основном, в углистом веществе и прослойках глинистой породы, буроугольного пласта, представленных каолинитами, отличающихся низкой проницаемостью, использовать традиционные методы подземного выщелачивания, практически невозможно.
Использовать метод переработки золы и шлаков для извлечения урана методами кучного выщелачивания также проблематично из-за необходимости сжигания высокосернистых углей в районах с высокой плотностью населения. Это обусловлено массовыми выбросами сернистого газа и уносом части урансодержащих компонентов с аэрозолями в процессе сжиПгарноивяе.денные исследования позволяют выделить породу из структуры бурого уг-
Изменение процентного содержания серы от времени обработки бурого угля низкокипящей жидкостью
ш. «Подмосковная», ш. «Бельков-ская»
ля до его сжигания и провести последующее ее кучное выщелачивание в изолированных емкостях, желательно в подземных условиях с размещением переработанной горной массы, не содержащей углистого вещества, в выработанном пространстве шахты, что позволит существенно улучшить экологическую обстановку в угледобывающих районах за счет снижения сдвижений поверхности и устранения породных отвалов, являющихся в настоящее время основным источником загрязнения окружающей среды.
Модифицированное углистое вещество может подвергаться предварительному выщелачиванию ценных компонентов, в том числе и урана, а потом, уже обессеренное, подвергается сжиганию. Техникоэкономическая целесообразность последующей комплексной переработки золы и шлаков должна обосновываться соответствующими расчетами после завершения экспериментальной отработки отдельных элементов технологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смыслов А.А. и др. Недра России. СПб. 1. Каталымов А.В., Кобяков А.И. Перера-
- М.: СПбГГИ (ТУ). 2001 - 547 с. ботка твердого топлива. Калуга: Издательство Н.
2. Потапенко В.А. и др. Подмосковный Бочкаревой. 2003 - 248 с. угольный бассейн. Тула: «Гриф и Ко», 2000. -
276 с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------
Шаровар И.И. - профессор, доктор технических наук,
Виткалов В.Г. - доцент, кандидат технических наук,
Гула Т.А. - аспирант,
кафедра «Подземная разработка пластовых месторождений», Московский государственный горный университет.
