Наибольшими потребителями углей в Украине являются тепловые электростанции (ТЭС). Основу ТЭС (по состоянию на конец 1999г.) составляли 104 энергоблока с мощностью 150—800 МВт, на которых в структуре топливного баланса на газ приходилось 47,8%, мазут — 20,8%, уголь 31,4%. для обеспечения безопасности Украины в области энергетики принято решение развивать угольную стратегию топливного снабжения ТЭС.
В России, которая по данным геологов обладает крупнейшими, а возможно и самыми крупными запасами природного газа в мире, электростанции могут рассчитывать на преимущественное потребление природного газа в течение не более 20 лет. Не приходится рассчитывать и на мазут, получаемый из нефти, т.к. в связи с ожидаемым переходом нефтеперерабатывающих заводов на углубленную переработку нефти с целью увеличения выхода светлых моторных топлив, нефтяных остатков, в том числе и мазута в стране будет не хватать. По мнению большинства специалистов, именно углю в ХХI веке предстоит стать ведущим энергоресурсом тепловых электростанций. Сегодня доля угля на ТЭС России не превышает 28%, но уже с начала ХХI века предсказывается его рост до 35% к 2010—2015 гг., а в 2025— 2030 — до 40—45%.
Это в свою очередь должно привести к широкому внедрению в практику принципиально новых методов подготовки угля к сжиганию на ТЭС, т.е. к глубокой переработке угля либо на электростанциях, либо на месте его добычи, что может оказаться особенно перспективным при наметившейся тенденции объединения энергетиков с угольщиками с образованием энергоугольных компаний. Глубокая переработка углей необходима прежде всего потому, что по зольности, сернистости и другим показателям уголь мало пригоден в его исходном виде для эффективного сжигания на электростанциях. Уже сейчас в отвалах электростанций Украины накоплено более 300 млн. т золошлаковых отходов. Лишь небольшая их часть находит применение в строительстве, производстве строительных материалов, в качестве удобрений и т.д. Во многих случаях возможности расширения золоотвалов практически исчерпаны.
В углях обнаружены практически все элементы Периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Однако содержание только девяти из них выше 0,1%. Эти элементы (S, Si, Аl, Fе, Са, Мg, Na, К, Тi) являются макрокомпонентами минеральной части, основными (за исключением серы) золообразующими элементами. Остальные, в количествах менее 0,1%, называют малыми элементами (микроэлементами). При изучении закономерностей накопления микроэлементов в углях и их поведения при обогащении и сжигании существенное значение имеют сведения о формах соединений микроэлементов в твердых топливах. В первую очередь проводят изучение тех микроэлементов, которые могут либо представлять экологическую опасность, либо реально или потенциально промышленную ценность. К промышленно ценным относят: U, Ge, Ga, Мо, V, Нg, Rе, В, Li Аg, Se, РЗЭ, Sc, Ве, Аu; к экологически опасным: As, Нg, Ве, V, Zn, РЬ, Мо, U, F, Cl, Ni, Сr, Sb, В, Cu, Тh, 40К, Rа, U, следовательно, золы углей являются сырьевым источником редких элементов.
Массовая доля общей серы в углях колеблется в широких пределах (0,1—11%). В углях большинства месторождений бывшего СССР она составляет 0,5—2%, в Донецком бассейне — 3—6%, т.е. большинство углей Донецкого бассейна относятся к высокосернистым. Выделяют разновидности серы: органическую, сульфидную, сульфатную. При сжигании и газификации углей большая часть содержащейся в них серы переходит в газообразные соединения SОх. В Украине очистка дымовых газов от SОх на ТЭС не осуществляется. Сульфиды присутствуют в углях преимущественно в виде пирита, редко марказита. Пирит является постоянным компонентом угольных пластов и на отдельных участках его содержание достигает 10—20%. В углях пирит находится в виде конкреций различной формы и размеров (от долей мм до 1 м). В наибольшей степени распространены высокодисперсные включения пирита (<100 или <40мкм), тесно связанные с органическим веществом. Московским геологом Г.С. Калмыковым, изучавшим высокосернистые нижнекарбоновые угли Кизеловского бассейна на Среднем Урале, было установлено, что чем мельче дробится уголь, тем больше в нем определяется пиритной серы и тем меньше органической серы Например, при измельчении углей от 0,2 до 0,01 мм содержание в них снижалось, в среднем, на 0,19%. Г.С. Калмыковым обнаружено, что выделения пирита имеют размеры вплоть до 1 мкм, причем 1/3 всех выделений была мельче 100 мкм. Эти данные подтверждаются и при исследовании ряда других углей. Например, в карбоновых углях Сиднейского бассейна Канады размер большинства дисперсных выделений пирита лежит в интервале 0,05-0,0 1 мм, но иногда доминируют мельчайшие частицы размером всего в доли микрона. В LT - золе легких фракций (<1,35 г/см3) трех польских каменных углей с помощью комплекса методов (рентгеновский дифрактометрический анализ, Фурье-ИК-спектроскопия, Мессбауэровская спектроскопия) было доказано присутствие пирита, который преобладал среди железосодержащих минералов. Это интерпретируется как свидетельство тесной ассоциации пирита с угольным органическим веществом, на 67—89% состоящим в этих фракциях из витринита. То есть это означает присутствие микроминеральной формы пирита, не поддающейся гравитационному фракционированию.
Концентраторами многих малых элементов могут быть высокозольные фракции (плотность более 1,6—1,7 г/см3) угольного вещества. В то же время, носителями микроэлементов являются фракции плотностью менее 1,6—1,8 г/см3 с преимущественным содержанием органического вещества. По-видимому, носителем многих микроэлементов в углях является мелкодисперсная пиритная его часть, в которой должны быть сконцентрированы элементы, образующие труднорастворимые сульфиды (Hg, As, Аg, Sb, Zn, Рb и др.), т.е. концентраторами многих микроэлементов в исходном угле являются высокодисперсные частицы (сульфиды железа) размером менее 50—70 мкм, ассоциированные с органическими веществами и не отделяемыми от них при разделении по плотности даже в лабораторных условиях. Особая роль пирита как концентратора и носителя ртути подчеркнута в работах А.Г.Дворникова. Сотрудниками кафедры ПИ и ЭГ ДНТУ совместно с геологической службой США были проведены исследования образцов углей ряда действующих шахт Донбасса. Эти исследования подтвердили вывод о преимущественном нахождении ртути в пирите.
Многочисленные исследования состава углей Донецкого бассейна показывают, что основная масса серы представлена в виде мелких пиритных включений (FeS 2), полное раскрытие которых достигается при измельчении углей до крупности менее 0,1 мм. Результаты обогащения тонкоизмельченных углей на обогатительных фабриках по традиционным технологиям, основанным на гравитационных эффектах разделения горючей массы топлива и его неорганических примесей, показывают низкую эффективность десульфурации, составляющую не более 15—20%. десульфурация тонкоизмельченных углей, а следовательно, последующее извлечение из пиритной части суммы микроэлементов, возможно методом высокоградиентной магнитной сепарации. Было установлено, что из углей марки АШ в магнитный продукт извлекаются на 60—85% такие элементы, как Аs, Ni, Рb, и Аg; из углей марки Т на 60—75% извлекаются Рb, Сr, Ni, Zn, Ga, а Мn, Со, Sn, Zr, Ва - на 40—50%.
В Донецком физико-техническом институте НАНУ разработан высокоградиентный криомагнитный (сверхпроводниковый) сепаратор СКМ, с помощью которого возможно обогащение слабомагнитных мелкозернистых минералов вплоть до микронных размеров. Сепаратор может быть использован для очистки угольного топлива от серы и золы. Таким образом, могут быть созданы новые техногенные месторождения редких малых элементов углей и одновременно решены проблемы выбросов SOx и токсичных элементов в атмосферу. При очистке углей высокоградиентный магнитный сепаратор производительностью 10—100 т/час извлекает более 90% пиритной серь и до 40—50% прочих золообразующих примесей. При этом потребляемая мощность не превышает 15—20 кВт.
Высокоградиентная магнитная сепарация в сильных магнитных полях, создаваемых сверхпроводниковыми обмотками, является выгодным технологическим процессом. С помощью данного метода из угля может быть извлечена основная часть серы и «полезные» (токсичные) элементы, а затем из сконцентрированной магнитной фракции возможно извлечение большого количества ценных элементов в виде товарных продуктов. Так, например, максимальное содержание в угле Рb (г/т) до 300 (среднее значение 1,37), As — 700 (среднее 68), Аg — 0,05 (среднее 0,003). То есть, при извлечении пиритной части угля в ней может концентрироваться (г/т) Аg - 0,9; Рb — б0000;Аs - 130000.
По сравнению с иными способами создания магнитного поля высокоградиентная магнитная сепарация в сильных магнитных полях обеспечивает значительно меньшее энергопотребление и повышенную производительность в пересчете на единицу массы оборудования. Сепаратор такой конструкции имеет в 10 раз меньший вес и потребляет в 10 раз меньше электроэнергии по сравнению с традиционным сепаратором (без сверхпроводниковых обмоток) аналогичной производительности, Внедрение метода высокоградиентной криомагнитной сепарации позволит минимизировать выбросы SОx и большой группы тяжелых металлов в атмосферный воздух и попутно получить комплексное сырье - концентрат пирита, с которым связаны многие ценные элементы.