В настоящее время уголь – единственный энергоноситель, объёмы которого достаточны для практически полного обеспечения потребностей национальной экономики. В структуре мировых запасов органического топлива уголь составляет 67 %, нефть – 18 % и природный газ – 15 %. В Украине эти показатели составляют соответственно 95,4 %, 2 % и 2,6 %. По прогнозам до 2020 г. Энергоносителем номер один станет уголь. Уже сегодня уголь даёт 23 % тепловой и 55 % электрической энергии.

Однако, большинство углей Украины характеризуется значительным содержанием серы. Около 80 % всего угля содержит более 2,5 % серы (по массе), а сернистость 30 % угля превышает 4 %.

Повышенное содержание серы в углях снижает их качество, что приводит к ряду технических проблем при их использовании, а также ведёт к загрязнению окружающей среды продуктами сжигания угля.

В углях Украины, в то числе и Донецкой области, различают пиритную (колчеданную), органическую, сульфатную и элементарную серу.

Пиритная (колчеданная) сера – основной вид сернистых соединений в углях, на её долю в среднем приходится 62 % общего содержания серы. Формы включений пирита в угольные пласты различны. Пирит, образовавшийся в период угленакопления, распределён по угольному веществу равномерно, в тонкодисперсной форме и, как правило, связан с органической массой угля. Пирит, образовавшийся по трещинам усыхания путём инфильтрации после прекращения процесса угленакопления, распределён грубодисперсо, локализовано – в виде линз, желваков, зёрен, гнёзд. Он представляет включения в виде примесей, доступных выделению механическим способом.

Органическая сера равномерно распределена по всему угольному веществу, её невозможно выделить. Диапазон содержания органической серы в украинских углях 0,3-0,5 %, но встречается 2,5-3 %; такое бывает в пределах одного пласта на близлежащих участках. Это говорит о том, что органическая сера образовалась не только за счёт серы исходного растительного материала. Органические сернистые его соединения соответствуют примерно 0,3-0,5 % серы в угле. Полагают, что источниками образования вторичной серы была элементарная сера, которая при соответствующих условиях взаимодействовала с органическим веществом и увеличивала количество органической серы.

Сульфатная сера в украинских углях содержится в небольшом количестве (до 0,1 %), чаще встречается в углях, долго хранящихся на поверхности. Эта форма серы – результат окисления пирита, в угле она в виде тонких примазок из гипса.

Элементарная сера – остатки серы, которая не прореагировала с углём, она распределяется в виде тонкодисперсных соединений. В угле её около 0,15 %.

Цель работы – состоит в подсчёте запасов «извлекаемого» пирита, выделяемого при обогащении в хвосты для дальнейшего производства серной кислоты, в выявлении роли серы в распределении токсичных элементов в отходах обогащения, а также оценка их экологического влияния.

Для достижения цели необходимо решить ряд задач:

• выявить закономерности распределения серы и токсичных элементов в угле и продуктах обогащения;
• подсчитать запасы пирита на основе запасов угля;
• выявить роль серы в распределении токсичных элементов в отходах обогащения;
• разработать методы прогнозирования и моделирования содержания серы и токсичных элементов в углях и отходах обогащения.

Научная новизна состоит в том, что для шахты «Кураховская» впервые проведён подсчёт запасов пирита и выделена его практическая ценность.

Основные результаты исследований докладывались на международной научной конференции аспирантов и студентов в 2006, 2007 гг.

РАЗДЕЛ 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ

Несмотря на большое разнообразие минеральных и неминеральных форм углей, анализам обычно подвергается озолённый или неозолённый уголь или его плотностные фракции, где все эти формы смешаны. Поэтому содержание любого химического элемента в угле всегда представляет собой некую сумму вкладов его различных форм нахождения.

Изучению генезиса, содержания и распределения серы посвящены работы Кизильштейна Л.Я., Юдовича Я.Э., Кетриса М.П., Зарицкого П.В., Иванова Г.А., Савчука С.В., Тимофеева П.П. и других авторов.

Разработкой методов прогнозирования содержаний различных химических элементов, в том числе и токсичных, в углях занимались Юдович Я.Э., Кизильштейн Л.Я., Родионов Д.А., Свентиховская А.Н., Виноградов А.П., Ферсман А.Е. и другие.

Изучением серного колчедана (пиритной серы) занимались Клер В.Г., Дорофеев А.П., Румянцева О.Г., Иносова К.И., Дворникова А.Г. и другие.

Анализ работ, посвящённых вопросам генезиса и распределения серы, свидетельствует о том, что её формирование произошло на стадии торфонакопления. Высокая сернистость объясняется концентрированным поступлением сульфат-иона в торфяную залежь в составе морских вод. При этом сульфатсодержащие воды чаще и длительнее проникали на наиболее низкие участки рельефа, образовав здесь зоны максимальной сернистости. Пиритная сера рассматривается авторами как наиболее нежелательная примесь в используемых углях и делается акцент на необходимости её извлечения.

Обзор работ по вопросам обогащения угля позволил установить, что сегодня большое внимание уделяется выявлению причин образования пиритной серы и делаются попытки её извлечения, однако практически отсутствуют работы, касающиеся подсчёта запасов пиритной серы и возможности её переработки, как полезного ископаемого.

Аналитический обзор научных работ по проблемам серы в углях позволил установить существование научной и практической проблемы, помог сформулировать цель и задачи собственной диссертации.

РАЗДЕЛ 2 МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ

Для изучения, подсчёта запасов и выявления роли в распределении элементов были взяты данные полуколичественного спектрального анализа для серы и токсичных элементов (As, Hg, Be, F, Mn, Pb, Ni, V, Cr, Co, Li, Ba, Sc, Y, La, Ti, Zr, Nb, Mo, Cu, Zn, Ag, St, Bi) по двум высокосернистым пластам шахты «Кураховская», а также данные по этим же элементам при обогащении угля.

Проведение лабораторных исследований заключалось в исследовании угля углепетрографическими и минералогическими методами. Статистическая обработка результатов анализа проводилась с помощью программ STATGRAF, Excel, SPSS. Она заключалась в следующем:

• расчёт основных статистических характеристик распределения серы и токсичных элементов (дисперсия, коэффициент вариации и другие);


• выявление корреляционных связей между элементами и расчёт парной корреляции между серой и токсичными элементами, для выявления тесноты связи;


• проведение регрессионного анализа (составление уравнения регрессии) для прогнозирования увеличения содержания элементов на основе корреляционных связей;


• проведение кластерного анализа с целью установления рядов связи содержаний токсичных элементов с содержанием серы.

С помощью программы SURFER были закартированы закономерности распределения рассматриваемых элементов по поверхности исследуемых угольных пластов.

РАЗДЕЛ 3 НЕОБХОДИМОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЯ ПИРИТА ИЗ ВЫСОКОСЕРНИСТЫХ УГЛЕЙ НА ПРИМЕРЕ ШАХТЫ «КУРАХОВСКАЯ»

Среднее содержание серы в балансовых запасах угля по пластам шахты «Кураховская» изменяются от 1,6 % (пласт l₄) до 5,6 % (пласт l¹₂), составляя в среднем по участку 3,6 %.

Распределение серы общей по площади незакономерно, что не позволяет производить промышленную селективную выемку малосернистых углей.

Содержание серы органической в среднесернистых углях на 0,8-0,2 % меньше, чем в повышенно- и многосернистых. Разница обусловлена серой пиритной, содержание которой в повышенно- и многосернистых углях на 1,19-3,9 % выше, чем по среднесернистым.

В составе серы общей преобладает пиритная разновидность (S^d_p – 51,4-87,8 %), представленная пиритом в виде линзочек, гнёзд, включений, а также налётов и плёнок по стенкам трещин.

Выделение пирита из угля является важным фактором для повышения качества угля, пирит также может использоваться для производства серной кислоты.

Изучение и оценка пирита производится в углях, требующих обогащения. Баланс распределения содержаний серы в продуктах и отходах обогащения по данным испытаний проб на обогатимость приведены в таблице 1.

Таблица 1 Баланс распределения серы в продуктах и отходах обогащения

По данным лабораторных испытаний содержание серы в концентрате энергетических углей при удельных весах 1,4 и 1,5 г/см³ колеблется от 1,8-2,9 % до 1,8-3,2 %; в среднем составляя 2,5-2,6 %; 4,8-5,0 %; в породе – от 2 до 12 %, в среднем – 6,1 %.

Средний уровень содержания серы в концентрате энергетических углей превышает уровень, при котором возможно образование токсичных соединений, превышающих ПДК от 1,2 до 1,3 раза. Средний уровень содержания серы в промпродукте превышает предел в 2,4-2,5 раза, а в породе – в 3 раза.

Максимальные содержания серы в концентрате при удельном весе 1,4 и 1,5 г/см³ превышают предел до 1,6 раза; в промпродукте – от 3,8 до 4 раз и в породе – до 6 раз.

Высокий уровень содержаний серы в продуктах и отходах обогащения необходимо учитывать при их использовании, утилизации и складировании отходов.

Исходя из вышесказанного, необходимо произвести подсчёт запасов «извлекаемого» пирита, выделяемого при обогащении в хвосты. Запасы пирита подсчитываются только в группе балансовых запасов и пересчитываются на условный пирит.

Запасы пирита подсчитываются на основе запасов угля, рассчитанных общепринятыми методами, и средних содержаний условного пирита.

Запасы условного пирита учитываются с точностью до 0,1 тыс. т. Подсчёт производится по блокам, принимаемым для подсчёта запасов угля, или по укрупнённым блокам. Высокое содержание пирита в углях является источником образования сернистых газов и коррозирующих веществ, которые оказывают негативное влияние на окружающую среду. Выделение пирита во время переработки угля позволит улучшить состояние окружающей среды, повысит качество товарных углей, а извлекаемый пирит может стать сырьём для сернокислотной промышленности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Концентрация серы в угольных пластах происходит на торфяной стадии их формирования. Основным первичным источником сернистых соединений являются сульфаты, растворённые в торфяных водах.


2. Прогнозирование зон с повышенным содержанием серы (особенно пиритной) необходимо для предотвращения взрыва шахтной пыли и газа.


3. Использование сульфидов железа, извлечённых из угля или продуктов обогащения, для производства серной кислоты.


4. Извлечение серы из углей позволит увеличить качество товарных, коксующихся и энергетических углей.


5. Важнейшей проблемой является сернистость углей и загрязнение окружающей среды. Острая проблема загрязнения окружающей среды, в том числе атмосферы в связи с хозяйственной деятельностью человека, общеизвестна. Известно также, что серный ангидрид, поступающий в атмосферу в результате сжигания минеральных топлив (главным образом – угля), является одним из наиболее массовых и токсичных компонентов загрязнения воздушного бассейна. Соединяясь с водой атмосферы, серный ангидрид образует серную кислоту. Повышенная кислотность атмосферных; осадков не только оказывает влияние на здоровье людей; но и приводит к преждевременному износу оборудования, изменению среды почв и водоемов, гибели растительности.
   
   Основное направление борьбы против загрязнения атмосферы лежит в сфере улучшения технологии обогащения и сжигания топлива. Однако проблема имеет и некоторые чисто геологические и геохимические аспекты. Это, во-первых, прогнозирование сернистости угольных пластов и возможность на этой основе снижения содержания серы в товарном угле за счет целесообразного шихтования много- и малосернистого топлива. Во-вторых, изучение морфологических особенностей сульфидов позволяет установить наилучшие условия измельчения угля с целью выделения сульфидной фазы при обогащении.

Влияние выбросов сернистого газа на окружающую среду можно представить в виде следующей схемы (рисунок 1)

Анимированный рисунок 1 - Влияние выбросов сернистого газа на окружающую среду (7 кадров; 79,1 КБ; 10 повторений)

ЛИТЕРАТУРА

1. Кизильштейн Л.Я. Генезис серы в углях. - Ростов-на-Дону: Из-во Ростовского униврситета, 1975 г.


2. Клер В.Р. Изучение сопутствующих полезных ископаемых при разведке угольных месторождений. - М: Недра, 1979 г.


3. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Неорганическое вещество углей. - Екатеринбург: УрО РАН, 2002 г.


4. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005 г.

---

Главная | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание