Эколого-технологические проблемы добычи, обогащения и использования угля
Автор: Б.С. Панов, Э.В. Янковская, Ю.Б. Панов, В.И. Федоров
Источник: Сборник докладов на ХXIІ Всеукраинскую научную конференцию аспирантов и студентов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» – Донецк, ДонНТУ – 2012, том 2, с. 114-115.
Аннотация: Рассмотрены геохимическая специализация отвальных пород и перспективы их использования в качестве алюминиевого сырья
Содержание работы:
В настоящее время альтернативой используемым во многих отраслях промышленности (металлургия, коксохимия, теплоэнергетика и др.) нефти и газу является уголь, т. к. разведанные и подготовленные к освоению запасы в Украине в несколько десятков раз превышают запасы жидких и газообразных природных ископаемых. Вместе с тем, использование углей требует решения ряда экологических проблем, обусловл енных наличием в регионе различных рудных месторождений, химическим составом углей, технологическими способами их добычи, обогащения и использования.
Основные экологически неблагоприятные факторы при утилизации углей следующие:
– выбросы газа метана, сопутствующего углям, при их добыче;
– образование в огромных количествах твердых отходов при добыче, обогащении и использовании углей;
– нарушение целостности земной поверхности и недр;
– сбросы высокоминерализованных шахтных сточных вод (95 % шахтных вод Донбасса являются солоноватыми или солеными с общей минерализацией от 1,5 до 30 г/дм3 и жесткостью более 14 мг – экв/дм3), приводящих к существенному экологическому ущербу связанному с деградацией качества воды естественных источников и засолением почв;
– отторжение земельных участков под хранение твердых отходов, образующихся при добыче, обогащении и использовании углей;
– неблагоприятное влияние на водную, воздушную среду и почвы токсичных веществ, выделяющихся в результате всевозможных физико-химических процессов, происходящих в отвалах;
– выбросы в атмосферу токсичных и парниковых газов NO2, SO2, CO2, образующихся в процессе добычи и сжигания угля;
– выбросы в атмосферу высокодисперсных зольных частиц, токсичных микроэлементов и их соединений, образующихся при термообработке углей.
В некоторых случаях реализация мероприятий по устранению неблагоприятных экологических последствий может сопровождаться повышением эффективности процессов добычи или переработки углей, например, в результате утилизации шахтного метана, шахтных вод или твердых отходов.
В настоящее время в Донбассе приступили к решению проблемы, связанной с обезвреживанием выбросов метана при добыче углей предварительной дегазацией шахтных стволов с последующим промышленным использованием газа. Такие работы ведутся, например, на шахте им.Засядько (г. Донецк).
Основными видами отходов на предприятиях угольной промышленности Донбасса являются: шахтная порода, извлекаемая при добыче угля подземным способом (0,25 т/т), порода, вскрыши, хвосты, образующиеся при обогащении углей (0,2 т/т). В Донецкой области образуется около 50 % всех отходов угледобычи и углеобогащения Украины, около 30 % золошлаковых отходов тепловых электростанций. Общий объем отходов, по данным 2001 г. составил 54 млн. т.
На целом ряде шахт и обогатительных фабрик породные отвалы исчерпали свои мощности некоторые из них вышли за черту отведенных земель и требуют отвода новых. На предприятиях угольной отрасли утилизируется только 3 % общего объема образующейся породы, используемой для строительства автомобильных дорог и около 8% флотохвостов потребляется кирпичными заводами. Удельный вес действующих очистных забоев с полной или частичной закладкой выработанных пластов ничтожен. В очень незначительных количествах используются отходы угледобычи, углеобогащения и сжигания углей в качестве вторичных минеральных ресурсов, что приводит к повышенному расходу невосполнимых природных ресурсов.
В углях Донбасса, породных отвалах, образующихся при их добыче и обогащении, а также в отходах после их использования, находятся практически все элементы периодической системы Д.И. Менделеева. Качественный и количественный их состав самый разнообразный. Элементы и их соединения, содержащиеся в углях, могут оказывать как позитивное, так и негативное воздействие на окружающую природную среду и человека. Например, из породных отвалов и золошлакоотходов возможно извлечение алюминия. Естественно, что отходы не такое хорошее сырье как бокситы. Но бокситы необходимо найти добыть, а отходы получаются бесплатно. Переработка отходов с целью получения ценного сырья уменьшит количество заскладированных отходов и позволит высвободить земельные площади для их дальнейшего использования. В углях Донбасса и продуктах его переработки содержится германий. Несмотря на его вытеснение из полупроводниковой техники кремнием, перспективы его использования для синтеза биологически активных германийсодержащих органических соединений расценивается очень оптимистично. По Оценкам Р. Уикса [1], извлекаемые запасы германия во всем мире составляют в свинцово-цинковых рудах – 1360 т, в разрабатываемых угольных месторождения 4500 т. В углях и отходах его переработки содержится много ценных микроэлементов, включая золото и серебро, количества которых превышают кларковые содержания.
Вследствие различных физико-химических свойств микроэлементов углей и отходов по-разному проявляется их влияние на технологические процессы, санитарно-гигиенические условия на предприятиях, окружающую среду.
При сжигании углей на ТЭС наблюдаются выбросы токсичных химических элементов и их соединений в атмосферу. В результате физико-химических процессов, происходящих в отходах добычи и переработки угля, происходит превращение и миграция токсичных элементов в почвы, подземные и грунтовые воды, а затем в растения и живые организмы.
Целевой рабочей группой по тяжелым металлам Европейской экономической комиссии (ЕЭК) ООН, программой Parcom fatmos и helcom к тяжелым металлам, соединения которых наиболее токсичны для окружающей среды, отнесены мышьяк, селен, цинк, ванадий, хром, медь, ртуть, никель, свинец, кадмий.
Для сравнения степени токсичности различных химических элементов используют ряды молярной токсичности [2], отражающие увеличение минимального молярного количества металла, необходимого для проявления токсического эффекта по отношению к металлу с наибольшей токсичностью (таб. 1)
Организмы
Ряды токсичности
Водоросли
Грибки
Цветущие растения
Кольчатые черви
Рыбы
Млекопитающие
Hg>Cu>Cd>Fe>Cr>Zn>Co>Mn
Ag>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Zn>Fe
Hg>Pb>Cu>Cd>Cr>Ni>Zn
Hg>Cu>Zn>Pb>Cd
Ag>Hg>Cu>Pb>Cd>Al>Zn>Ni>Cr>Co>Mn>Sr,Ag,Hg,Cd>Cu,Pb,Co Sn,Be>>Mn,Zn,Ni, Fe,Cr>>>>Sr>Cs,Li,Al
Данные таблицы показывают, что наиболее токсичным элементом является ртуть. Вместе с тем, угли отдельных регионов Донбасса аномально обогащены ртутью. Детальное исследование углей Донбасса позволило выявить следующие формы нахождения ртути: киноварь, металлическая ртуть, и ртуть в пирите, на долю последней приходится 73 - 91% валового содержания в угле [3]. Особая роль пирита как концентратора ртути подчеркнута в работе [4]. Сотрудниками кафедры ПИ и ЭГ ДНТУ совместно с геологической службой США были проведены исследования образцов углей ряда действующих шахт Донбасса (Донецко-Макеевский, Луганский районы, Никитовское рудное поле, Центрально-Западный, Красноармейский районы). Эти исследования подтвердили вывод о преимущественном нахождении ртути в пирите. Среднее содержание ртути в углях шахт восточной Украины составляет 0,42 г/т. [5], что превышает кларк ртути 0,20±0,04 г/т [1].
Использование обогащенного ртутью угля в коксохимии, металлургии, теплоэнергетике и в других отраслях промышленности, а также в бытовых целях приводит к загрязнению окружающей среды, помимо ртути сопутствующими токсичными элементами: мышьяком, свинцом, селеном и др. Среднее содержание ртути в воздухе Донецка превышает фоновый уровень в 15 – 20 раз. Среднее содержание ртути в почвах незагрязненных заповедных ландшафтов юго-востока Украины, приняты за эталон доантропогенных почв Донбасса, составляет 0,037 мг/кг. Среднее значение техногенного фона в почвах Донецко-Макеевского района – 0,165 мг/кг, в горящих отвалах – 1,85 мг/кг. В золе и шлаках тепловых электростанций, работающих на Донецких углях, содержание ртути от 0,17 до 1,55 мг/кг, в шлаках коксохимических заводов 1,12 – 1,18 мг/кг. Количество ртути в почвах г. Горловки в районе Никитовского ртутного комбината достигает 15 – 20 мг/кг, в г. Енакиево вблизи коксохимического и металлургического заводов доходит до 10 – 15 мг/кг [6].
Сжигание углей – один из важнейших антропогенных источников загрязнения биосферы ртутью. Ртуть полностью переходит в газообразное состояние в высокотемпературной зоне. Это подтверждают экспериментальные данные и термодинамический расчет, т.е. ртуть полностью переходит из сжигаемого угля в газы, выбрасываемые в атмосферу при температуре, превышающей 100о С. Общее количество ртути переходящей в газовую фазу, из 1 т угля (gi), связано с соотношением: gi=mv, где m – количество ртути, соответствующее равновесным условиям, которое может содержаться в 1 нм 3 газовой фазы, v-объем газообразных продуктов, образующихся при переработке 1 т угля. Количественная конденсация Hg0 из газообразных продуктов сжигания (v=7000 нм3) не достигается даже при охлаждении до 0о С. [7].
Если основными концентраторами и носителями ртути в углях является пирит (марказит), представленный высокодисперсными частицами размером менее 50-70 мкм, ассоциированными с органическим веществом, промышленное обогащение углей с использованием концентратов, включающих фракции с плотностью
Пары металлической ртути в атмосфере принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, влияющих на скорости ее осаждения. Так как газообразная ртуть удаляется из атмосферы довольно медленно (среднее время ее пребывания в тропосфере оценивается в 0,5-2 года), она может переноситься на большие расстояния. Соединения Нg2+ находятся в атмосфере всего лишь несколько суток, так как они легко растворимы и быстро вымываются осадками.
При сжигании угля на ТЭС в Украине очистка от SOx в промышленных условиях не производится. Оборудование для широко распространенного в мире мокрого известкового метода находится на стадии проектирования. Электронно-лучевой, аммиачный, сульфит - бисульфитный и др. способы сероочистки находятся на стадии экспериментальной проверки. Капитальные затраты на внедрение подобных установок довольно высоки и, как показывает мировая практика, составляют, в среднем 30-40 % стоимости энергоблока. Многочисленные исследования состава углей донецкого бассейна показывают, что основная масса серы представлена в виде мелких пиритных включений, полное раскрытие которых достигается при измельчении углей до крупности
В связи с вышеизложенным, возникает необходимость детального исследования углей на содержание токсичных и ценных элементов (или уточнение их концентраций современными методами) с целью создания электронного справочника угольных месторождений Донбасса, представляющего качественную и количественную характеристику угольных пластов, разработка которых может принести максимальную выгоду производителю.
Таким образом, в Донбассе при комплексном подходе к проблеме добычи, обогащения и использования углей возможно решение технологических и экологических вопросов региона.
Литература
1. Я.Э.Юдович, М.П.Кетрис, А.В.Мерц. Элементы- примеси в ископаемых углях. Л. «Наука»,1985, 239 с.
2. Т.А.Хоружая. Оценка экологической опасности. Обеспечение безопасности. Методы оценки рисков. Мониторинг. Москва, 2002, 203с.
3. А.Г.Дворников. Формы ртути в углях Донбасса. - Докл. АН СССР, 1962, т.144,№5, с.1174/1177.
4. Карасик М.А., Дворников А.Г. Ртутоносность углей Донецкого бассейна и продуктов их переработки. М., 1968, 48с.
5. Руководство по проведению инвентаризации выбросов тяжелых металлов.Донецк-2001г.
6. Б.С.Панов, О.А.Шевченко и др. К геологии Донбасса. Проблемы экологии,1993, №1, с.17-25 (Донецк, ДонГТУ).
7. М.Я. Шпирт. Превращение ртути и ее соединений при переработке углей. Химия твердого топлива, 2002, №5, с.73-86.
8. С.П.Высоцкий и др. Десульфурация и обогащение углей перед их сжиганием на ТЭС. Энергетика и электрификация. 1993, №3, с.53.