Автореферат

Актуальность

Донбасс является одним из основных угольных регионов, где добывается до 80% каменных углей Украины. Угли используются как энергетическое топливо или являются исходным сырьем для получения кокса. Однако, донецкие угли - это высокозольные (до 40 % в рядовом угле) органические соединения во многом с большим содержанием пиритной серы (4-10 %). Поэтому, перед использованием в технологических процессах рядовые угли должны пройти предварительное обогащение на обогатительных фабриках. В результате этого остаются угольные шламы, которые накапливаются в отстойниках, не находят широкого практического применения и являются постоянным источником загрязнения окружающей среды.

На сегодня в 56 отстойниках обогатительных фабрик Украины находится 160 млн. т. угольных шламов. Они могут использоваться как дополнительный энергоноситель [4]. Зольность такой массы колеблется в пределах 30-70 %, а содержание органического остатка составляет 30-50 %. На современном этапе развития экономики Украины все большее внимание уделяется к вопросам рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды от загрязнения. Это диктуется стремлением промышленных предприятий повысить эффективность производства продукции, снизить или полностью устранить негативное воздействие на природную среду.

Государственная важность изучения отходов определена законами Украины «Об отходах» и «Об охране окружающей среды», Указом президента Украины «О геологическом изучении и порядке использования техногенных месторождения полезных ископаемых Украины», соответствующими постановлениями Кабинета Министров. В Северодонецком химико-металлургическом комбинате установлено, что подшихтовка обогащенных германием зол донецких углей к германиеносным аргиллитам технически возможна и целесообразна. Извлечение элемента составляет 50-60% от ресурсов в угле. Рентабельность может быть повышена за счет расширения перечня извлекаемых элементов, технологически связанных с германием. Такие результаты по комплексному извлечению из золы углей германия, галлия, молибдена, свинца, цинка получены на стендовых установках в Институте горючих ископаемых и Государственном институте редких металлов (Москва). Однако, если в середине 80-х годов общий объем использования отходов составлял 170 -190 млн. т. и это были преимущественно горнопромышленные отходы (вскрышные породы, шламы углеобогащения и других полезных ископаемых), то на протяжении 90-х годов по сегодняшний день наблюдается стойкая тенденция к снижению объемов использования отходов ежегодно в среднем на 20% в сравнении с предыдущим годом. А между тем породы терриконов угольных шахт, шламы, которые накапливаются в шламохранилищах имеют множество интересных и полезных свойств, которые должны быть использованы в промышленности.

Цель работы: оценка качественного и количественного состава отходов углеобогащения (на примере ЦОФ «Чумаковская») с целью попутного извлечения полезных компонентов из шламов и рационального использования отходов.

Задачи:

1. Систематизация данных по качественному и количественному составу продуктов и отходов углеобогащения.

2. Выбор методов и обработка данных.

3. Исследование закономерностей распределения полезных и токсичных элементов в углях.

4. Классификация исследованных углей по возможности использования продуктов их обогащения в народном хозяйстве.

5. Выработка рекомендаций по использованию углей Донецкого бассейна.

Объект научного исследования

ЦОФ «Чумаковская» расположена в Пролетарском районе города Донецка на трех промплощадках: 1-я - площадка основного производства ЦОФ; 2-я - площадка действующего горящего породного отвала; 3-я - площадка недействующего не горящего породного отвала.

На северо-западе промплощадка основного производства ЦОФ граничит с землями управления Донецкой железной дороги, на северо-востоке с территорией ОАО «Мехпром» и землями Донецкого горсовета, на востоке с территорией п/о «Донецкуглеобогащение» и АТП № 11426, на юге с землями грузового транспортного управления Грузтранс (п\о «Донецкуголь»). За границами основного производства обогатительной фабрики находится жилой частный сектор, объекты соцкультбыта, административные и административно-хозяйственные учреждения. Санитарно- защитная зона фабрики составляет 300м, не выдержана.

На ЦОФ «Чумаковская» имеется полный цикл для обогащения коксующихся углей: углеприемные устройства (вагоноопрокидыватель ВРС-125), дробильно-аккумулирующий комплекс, обогащение в тяжелых средах, отсадочных машинах, обезвоживание на центрифугах, обогащение флотацией, обезвоживание на вакуум-фильтрах, термическая сушка мелкого концентрата, крупного концентрата, флотоконцентрата. Все процессы обогащения коксующихся углей производятся в водной среде по замкнутому циклу осветления. В фильтрпрессовом отделении производится сгущение и обезвоживание хвостов флотации, которые отгружаются на породный отвал, куда также вывозятся отходы гравитации (порода). Концентрат через конвейерно-транспортную и накопительную систему отгружается потребителям. Поточно-транспортные механизмы оборудованы системами аспирации и укрытий в местах возможного образования пыли.

Источниками образования загрязняющих веществ на ЦОФ «Чумаковская» являются: а) промкотельная; б) котельная АБК; в) сушильные установки; г) поточно-транспортные механизмы и оборудование в отделениях углеприема, сушильном, гравитационном и ОТК; д) механический цех; е) площадка разгрузки на вагоноопрокиде; ж) площадка погрузки концентрата в вагоны; з) действующий породный отвал; и) недействующий породный отвал; к) шламоотстойник; л) гараж; м) склад ГСМ.

Само производство, его отвалы и отстойники негативно влияют на людей, населяющих близлежащие жилые дома и административно-хозяйственные учреждения, животный и растительный мир. Повышенное пылесодержание в воздухе над ЦОФ и выбросы оксидов углерода и азота, сернистого ангидрида оказывают негативного влияния на здоровье человека, а в частности на дыхательную и иммунную систему. Отходы углеобогащения отрицательно влияют на результаты хозяйственной деятельности предприятий, поскольку требуют затрат на их сбор, транспортирование, хранение, а также осложняют экологическую обстановку в районах размещения шахт, разрезов и обогатительных фабрик. Необходимо подчеркнуть, что вещественный состав образующихся на предприятиях отрасли отходов в большинстве случаев позволяет рассматривать их как энергетическое топливо и технологическое сырье для выработки продукции, пользующейся спросом в различных отраслях промышленности. На основе утилизации отходов представляется возможным создание дополнительных производств по отношению к основному профилю специализации. Это наряду с выработкой продукции уменьшит, а в некоторых случаях и полностью исключит, негативное воздействие отходов и вредных выбросов на окружающую среду.

Предметом исследований выступает угольный шлам как источник добычи полезных элементов, загрязнитель окружающей среды и объект для утилизации.

Для оценки загрязняющего воздействия ЦОФ на окружающую природную среду будут использованы следующие методы статистико-математической обработки:

- метод описательной статистики для расчета значений показателей окружающей среды;

- методы классификации для оценки степени пригодности для промышленного использования;

- методы пространственного анализа для выделения наиболее опасных зон загрязнения;

- метод регрессионного анализа для прогноза закономерностей распределения вещества на прилегающих территориях.

Известно, что многие химические элементы имеют свойства накапливаться в углистом веществе [2]. В результате обогащения угля в шламохранилищах обогатительных фабрик накапливаются ценные компоненты в таких концентрациях, что возможно их дальнейшее промышленное использование. С целью оценки содержаний рудных элементов в шламах, установления закономерностей их геохимического распределения в шламонакопителе, возможности попутного извлечения ценных компонентов и утилизации шламов были отобраны пробы угольного шлама ЦОФ «Чумаковская». Фабрика обогащает коксующиеся угли шахты «Красноармейская Западная». Зольность входного сырья в среднем составляет 39%, а на выходе обогащенный концентрат имеет зольность 8,5-9,5%. Габаритные размеры отстойника 110х27х3,3м. В него по железобетонному желобу поступают шламы, включающие различные промежуточные и конечные продукты обогащения. Зольность шламов 70-78%. В начале работы была составлена масштабная карта-схема отбора проб. Пробы расположены по профилям на расстоянии 10 м, расстояние между профилями – 5 м. Каждая проба, отбирающаяся с площадки 5Х5м методом "конверта", составлялась из пяти частных проб. В качестве основного метода анализа использовался полуколичественный спектральный анализ с попеременной просыпкой и фотографированием спектров исследуемой пробы и эталона сравнения. Этот метод широко применяется в аналитической практике по определению элементного состава минерального сырья различных природных и производственных материалов. Всего исследовано 60 проб по шламонакопителю.

Дальнейшая оценка возможности промышленного использования шламов ЦОФ «Чумаковская» проводилась согласно нормативам 1996 г. Нормативы представляют собой “минимальное содержание элемента, определяющее возможную промышленную значимость товарных энергетических углей” [6, с. 14] (далее минимальное промышленное содержание).

Полученные данные говорят о том, что угольные шламы ЦОФ «Чумаковская» содержат практически все рудные химические элементы. Из них можно выделить:

- ценные и потенциально ценные (свинец, цинк, молибден, ванадий, германий, галлий, хром, никель),

- токсичные и потенциально токсичные (мышьяк, свинец, бериллий, ванадий, хром, никель, марганец),

- технологически вредные (мышьяк),

- технологически полезные (молибден, никель, кобальт, цинк), в основном при конверсии шламов в жидкое топливо.

Табл. 1. Среднее содержание микроэлементов, г/т.

Наглядно видно, что содержание элементов-примесей в шламах ЦОФ «Чумаковская» на много выше содержания этих элементов в углях [2] (Sb – в 30 раз, Pb - 10 в раз, Cd – в 40 раз, V - в 10 раз, Zn - в 3 раза, Mо - в 1,5 раза, Li - в 7 раз) и в осадочных породах [1] (Sb – в 20 раз, Pb - 5 в раз, Cd – в 40 раз, V - в 3 раза, Zn - в 1,25 раза, Mо – в 1,5 раза, Li - в 2 раза). Это объясняется тем, что угольное органическое вещество осуществляет барьерную функцию, захватывая элементы-примеси. Они также могут концентрироваться в аутигенных минералах угля: сульфидах, карбонатах, силикатах, фосфатах [2]. В итоге любая добавка аутигенных генетических фракций элементов-примесей к кластогенному неорганическому веществу угля обогащает его золу по сравнению с вмещающими породами. Те элементы, которые показывают такое обогащение, именуют углефильными. Характеристика углефильных элементов:

1) чем выше углефильность данного элемента, тем сильнее он концентрируется в золе углей;

2) углефильные элементы обогащают золы менее зольных углей и их малозольных фракций.

Имеющиеся в повышенном содержании в шламах ЦОФ «Чумаковская» элементы можно выстроить в следующий ряд по углефильности: молибден (коэффициент углефильности - 7), сурьма и кадмий (5), свинец (2,7), цинк (1,8), ванадий (1,4) и литий (1,3). Вопрос связи содержания элементов-примесей с зольностью углей всегда был в центре внимания. Т.к. зольность – важнейшая характеристика качества угля. Такая связь имеет свои закономерности, хотя они и сложные: содержание примесей с ростом зольности растет в угле, но четко убывает в золе угля.

Связь содержание элементов-примесей с петрографическим составом углей:

1) большинство углефильных элементов приурочено к группе витринита;

2) фюзен обычно имеет самые убогие содержания элементов-примесей;

3) липоидные битуминозные компоненты угля, как правило очень бедны элементами-примесями, но иногда могут содержать Li и V;

4) большинство элементов-сульфофилов (Zn, Cd, Pb, Sb) часто присутствуют в составе аутигенных сульфидных минералов и микроэлементов;

5) другие элементы-примеси в углях в основном входят в состав терригенных минеральных примесей, чаще всего глинистых минералов [2].

Угольные пласты имеют зоны обогащения редкими элементами вблизи почвы, кровли и внутрипластовых породных прослоев. В этих зонах содержание элементов могут на 1-2 порядка превышать те, что наблюдаются в центральных пачках пласта. Маломощные пласты всегда богаче, чем мощные.

Сравнительную оценку шламов ЦОФ «Чумаковская» и их типичность для донецкого региона проводили с помощью сравнения значений содержания элементов в шламонакопителе со средними показателями по области[3] (табл. 2).

Табл. 2. Типичность шламов ЦОФ «Чумаковская» для донецких углей.

Примечание: «-» - данные отсутствуют.

Анализируя данную таблицу, можно сказать, что хотя угли ПО «Красноармейск уголь» являются типичными для донецких углей (отклонение средних значений содержания элементов не велико, кроме Zn), количественный состав шламов ЦОФ «Чумаковская» резко отличается от шламов других донецких обогатительных фабрик. И если на ЦОФ «Чумаковская» только Cd (в 10 раз), V (в 3 раза), Li (до 3 раз, в отдельных пробах) и Sb (1,3 раза, в отдельных пробах) превышают минимальное промышленное содержание, то не исключено, что на других ОФ промышленно важными могут оказаться и другие элементы-примеси. Такие элементы могут рассматриваться как ценные и извлекаться попутно с углями. Т.к. содержания кадмия, ванадия, лития и сурьмы достигают промышленных концентраций, необходимо более детально изучать распределения этих элементов в углях. Угольный кларк лития составляет 14±1 г/т, а согласно нормативам, содержания Li всего втрое выше кларковых уже могут представлять промышленный интерес. В нашем случае достигается 8-кратное превышение. Литий – умеренно углефильный элемент, связанный в основном с кластогенной золой, что и обуславливает часто наблюдаемую тесную позитивную корреляцию его с величиной зольности углей. Кадмий является геохимическим аналогом цинка, однако, он более углефилен. Формы нахождения кадмия изучены слабо, но можно думать, что доминирует сульфидная форма. Ванадий в углях тяготеет к витренам и вообще к гелефицированным компонентам, а в колонке пласта отчетливо обогащает контактные зоны. С этим же связано и обогащение им маломощных пластов по сравнению с мощными. Все более высокие содержания относятся только к угольным включениям, а не к угольным пластам. Вместе с тем по отдельным месторождениям и угольным бассейнам обнаруживается сильная дисперсия содержания V, что связано с неравномерным распределением петрофонда – пород основного состава.

Важнейшей экологической задачей для Донецкой области является уменьшение количества накопленных отходов, что возможно за счет сокращения их образования и увеличения степени использования. Уровень использования отходов углеобогащения крайне низок (например, подсыпка дамб шламонакопителей). В последние годы заметный подъем утилизации шламов связан с оживлением строительного и дорожно-строительного производства. Сложившаяся ситуация в сфере обращения с отходами в Донецкой области, в настоящее время неблагоприятна в экологическом плане. Таким образом, основной задачей в этой сфере является создание необходимых мощностей по утилизации и обезвреживанию опасных отходов, а также систем экологически безопасного их удаления. Создание технологий попутного извлечения из углей ценных компонентов и повышение эффективности использования твердых отходов добычи и переработки угля, возможно, решит проблему отходов угольной промышленности и углеобогащения в частности.

Большая часть проектов по возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии в Украине, к сожалению, рассчитана на далекую перспективу. В практическом же плане, если ориентироваться на ближайшее будущее, нужно определить роль и место угольного топлива. Для Украины это может быть колоссальным дополнительным энергоресурсом. Однако экологические ограничения (особенно после ратификации Киотского протокола) требуют разработки и внедрения новых экологически чистых угольных технологий, обеспечивающих полноту использования топлива при максимально низкой вредной нагрузке на окружающую среду. Для угольной энергетики принципиально важен переход от прямого сжигания угля в топочных устройствах к приготовлению из углей различных качеств, в том числе и из отходов углеобогащения, водоугольного топлива. Перспективным направлением является использование в качестве удобрений отходов обогащения, окисленных углей, а также некондиционной мелочи энергетических углей, активизированных микроорганизмами. Экономический эффект от применения удобрений такого типа достаточно велик. Использование углеотходов в строительстве земляного полотна автомобильных дорог, дамб, шламонакопителей также является весьма эффективным, поскольку не требуется предварительной подготовки отходов, а объемы укладываемого материала значительны. Другое направление применения промотходов - производство стройматериалов (кирпича, шлакоблока и др.).

На примере «ЧерМК» ОАО «Северсталь» можно возвращать в производство низкозольные угольные шламы не только текущего выхода, но и складирующиеся в шламонакопителях. Технология утилизации отходов предполагает их обогащение до параметров энергетических товарных углей, приобретаемых металлургическим комбинатом для выработки собственной электроэнергии. Себестоимость получаемого таким образом топлива, выход которого составит более 50%, в 2,5 раза ниже затрат на приобретение товарного угля с учетом его транспортировки. При отработке некоторых участков шламонакопителей возможно получение концентратов для коксования. Оставшаяся после переработки зольная часть отходов может быть использована в производстве керамического кирпича. Помимо этого, использование собственных извлеченных угольных концентратов в качестве топлива для ТЭЦ позволяет на 10–15% уменьшить выброс в атмосферу оксидов азота (1100 т в год). Технология по переработке угольных шламов даст возможность перерабатывать до 0,6 млн т ранее уложенных шламов ежегодно, позволит уменьшить прирост складирования отходов на 8 тыс. т в год, в результате чего будет снижена нагрузка на окружающую среду.

1 Состояние вопроса

1.1 Понятие о шламе, его свойствах и правилах обогащения

1.2 Технологии извлечения из шламов полезных компонентов

1.3 Утилизация шламов и экологические мероприятия

Выводы: постановка задачи о:

а) решении вопроса о возможности извлечения из шламов полезных компонентов

б) детальное исследование свойств шламов

2 Исследование шламов на содержание полезных и токсичных элементов

2.1 Статистическое описание данных

2.2 Сравнение показателей содержания элементов в шламе с минимальным промышленным содержанием и ПДК (для токсичных)

3 Факторы, определяющие накопление элементов в различных угольных бассейнах

3.2 Факторы накопления элементов по Донецкому бассейну (распределение углей по маркам в Донбассе)

3.3 Зависимость содержания элементов в отходах обогащения ЦОФ в зависимости от обогащаемого угля

4 Исследование закономерностей распределения полезных компонентов в шламах и возможность их использования

5 Мероприятия по улучшению использования (рациональные пути) угольных шламов

1. А.Ф. Горовой, Н.А. Горовая Геохимия твердых промышленных отходов предприятий Донбасса// минералогический журнал. - 2001. - №4. - С. 136-142.

2. Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры// Геохимия. - 1962. - № 7. - С. 555-571.

3. Юдович Я.З., Кетрис М.П. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях. Екатеринбург: IpOPAH, 2005, ISB №5 - 7691,655 с.

4. Reynolds F.M. Note of occurrence of barium in coal. - J. Soc. Chem. Ind., 1939, vol. 58, N 2, p. 64-66.

5. Mechacek E. Die Geochemie des B, Ba und Sr in Kohlenflozen aus tertiaren Kohlenbecken der Westkarpaten. - Geol. zb., 1975, vol. 26, N 2, S. 295-308.

6. Ткачев Ю.А., Скиба Н.С., Бондаренко Г.Ф. Некоторые особенности распределения стронция и бария в углях Киргизии.- В кн.: Литология, геохимия и полезные ископаемые осадочных образований Тянь-Шаня. Фрунзе, 1965, с. 24-37.

7. Власов П.А. Геохимические особенности распределения редких элементов в отходах углеобогащения ОФ «Трудовская»// Hayкоi праці Донецького національного технічного університету. Серія «гірничо-геологічна». Випуск № 6(125). / Донецьк, ДВНЗ «ДонНТУ», 2007, с. 152-157.

8. Оценка токсичности продуктов добычи и отходов переработки антрацитов Донбасса / Горовой А.Ф., Горовая Н.А. // Уголь Украины. - 1997. - № 12.- с. 38-40.

10. Богданов В.В. Характер распространения редких элементов в породах угленосной толщи. - В кн.: Методическое руководство по изучению и оценке месторождений угля на германий и другие редкие элементы. М., 1967, с. 20-26.

11. Юдович Я.Э., Кетрис М.П., Мерц А.В. Элементы- примеси в ископаемых углях.- Л.: Наука, 1985.- 239 с.