Техногенные месторождения угольной промышленности

Угольная промышленность Казахстана является одной из наиболее крупных отраслей экономики страны. По подтвержденным запасам угля Казахстан занимает восьмое место в мире (4% от общемирового объема запасов), третье место среди стран СНГ и первое место — по добыче угля на душу населения. Наиболее ценные для промышленности энергетические и коксующиеся угли сосредоточены на 16 месторождениях. Запасы каменного угля оцениваются в размере 75 млрд. тонн.

На предприятиях угольной промышленности объем учтенных накопленных отвалов превышает млрд. м³, причем половина из них подвержена горению. К отходам угольной промышленности относятся отвальные вскрышные породы, образующиеся в процессе разработки месторождения, отходы углеобогащения и зола от сжигания энергетических углей. Определились два основных направления утилизации отходов: повторное обогащение отходов, использование их в других отраслях промышленности.

Отходы угледобычи подразделяются на твердые: минеральные и органоминеральные (углесодержащие с Сорг. более 4%), а также жидкие и газообразные. Твердые отходы часто содержат попутные полезные ископаемые, то есть минеральные комплексы в породах, вмещающих основное полезное ископаемое, образующие самостоятельные пласты, залежи или рудные тела, которые экономически целесообразно добывать для использования при разработке углей (горючих сланцев). К твердым отходам относятся: пески, песчано-гравийные смеси, глины, каменные строительные материалы, железные руды, фосфориты, бокситы, россыпные полезные ископаемые, кремнистые породы, гипс, ангидрит, самородная сера. Попутные полезные ископаемые обычно сосредотачиваются в минеральных отходах угледобычи (вскрышных или шахтных породах, Сорг. менее 4%).

Большинство тепловых электрических станций Казахстана используют в качестве твердого топлива низкосортные казахстанские угли, характеризующиеся достаточно высокой зольностью.

Зольность топлива определяется составом минеральных примесей. Наряду с простыми оксидами и солями, в состав минеральных примесей твердого топлива входят минералы — алюмосиликаты (в т.ч. каолинит Al2O3.2SiO2.2H2O), кремнезем, карбонаты и сульфаты Са2+, Mg2+, Fe2+, сульфиды FeS, CaS, оксиды железа, а также соли натрия и калия. При сгорании углей образуются продукты, важнейшими из которых являются оксиды SiO2, Al2O3, FeO, Fe2O3, CaO, MgO.

Состав золы экибастузского угля на 96−97% состоит из 2 соединенийкислотного оксида кремния и амфотерного оксида алюминия. Такое высокое содержание этих оксидов в золе обусловливает ее высокую тугоплавкость. По этой причине экибастузский уголь сжигают в камерных пылеугольных топках с твердым золоудалением. Физико-химические превращения минеральной части углей в этих топках приводят к тому, что зола в основном содержит муллит и кварц, поэтому она весьма абразивна и характеризуется высоким удельным электрическим сопротивлением.

Для очистки дымовых газов от твердых частиц и частиц недожога в практике ТЭС нашли широкое применение мокрые золоуловители с трубами-коагуляторами Вентури (ТКВ) в сочетании с каплеуловителями центробежного типа. В диффузоре трубы Вентури частицы золы и капельки воды, движущиеся с различными скоростями, соударяются — происходит коагуляция. Мелкие частицы золы поглощаются более крупными каплями воды, тем самым обеспечивается их лучшее улавливание в центробежном скруббере.

Протеканию процесса коагуляции способствует наличие в составе дымовых газов амфотерных оксидов алюминия и железа (III). Коагуляции в ТКВ предшествует процесс гидролиза указанных оксидов:

Al3+ + Н2О > (AlОН)2+ + Н+; Fe3+ + Н2О > (FeОН)2++ Н+;

• (AlОН)2+ + Н2О>(Al (ОН)2)+ + Н+; (FeОН)2++ Н2О > (Fe (ОН)2)+ + Н+;
• (Al (ОН)2)+ + Н2О>Al (ОН)3v + Н+; (Fe (ОН)2)+ + Н2О > Fe (ОН)3v+ Н+.

Процесс прямой коагуляции — укрупнения частиц между собой связан с природой взаимодействующих частиц, то есть наличием или отсутствием развитой удельной поверхности у реагирующих частиц. Из литературных источников известно, что оксид алюминия является отличным адсорбентом. В составе углей и соответственно в отходящих газах в нашем случае его значение достигает почти 26%.

В скруббер, стенки которого орошаются водой, тангенциально вводится поток дымового газа. Коагулированные водой частицы удаляются в золовой бункер. Далее золовая и шлаковая пульпа перекачиваются совместно или раздельно багерными насосами по пульпопроводу на золоотвал. При этом пульпа зачастую имеет кислый характер, являющийся причиной коррозии оборудования.

Для установления причин кислого характера пульпы, образующейся в системе оборотного гидрозолошлакоудаления ТЭС при использовании в качестве топлива углей месторождения Каражыра и Майкубе, нами было проведено сравнительное исследование процессов сжигания угля. В качестве объектов выбраны две действующие ТЭС РК с котельными установками БКЗ-75−39ФБ и БКЗ-160−100ФБ соответственно. В системе улавливания золы установлены мокрые золоуловители с предвключенными трубами-коагуляторами Вентури.

Нами были изучены физико-химические процессы, протекающие при сжигании угля, при орошении водой в трубе Вентури и при транспортировке пульпы на золоотвал. Проведен химический анализ пульпы золошлакового материала, полученного после сжигания угля Каражыра.

Разработку угольного месторождения «Каражыра» осуществляет ТОО «Каражыра ЛТД», в состав которого входят угольный разрез, станция угольная, погрузо-разгрузочный узел с сортировочной установкой, горный цех по добыче угля, вспомогательные цеха (цех буровзрывных работ, цех ремонта горного оборудования, автотранспортный цех, склад ГСМ с АЗС, электромеханический цех, ремонтно-механические мастерские, котельные, строительный участок), производственная лаборатория.

Условия труда характеризуются комплексом неблагоприятных факторов производственной среды, являющихся специфичными для угледобывающей промышленности.

Угольное месторождение «Каражыра» было открыто в 1967 году, в год 50-летия Октябрьской революции. И в честь этого знаменательного события месторождение было названо Юбилейным. Месторождение расположено в 135 км к юго-западу от города Семипалатинска в Жана-Семейском районе Восточно-Казахстанской области. В 1968;1969 годы месторождение было разведано геологами Семипалатинской экспедиции. Было установлено, что это богатое месторождение, которое можно отрабатывать дешевым открытым способом. Но дальнейшие разведочные работы были прекращены, так как месторождение находилось в закрытой зоне Семипалатинского ядерного полигона.

Опытно-промышленная разработка начата в 1995 года. В этот период проведена большая работа по комплексной геологической и гидро-геологической, радиационной и экологической оценке района залегания угленосной структуры. Ежегодно добывает более 6 млн. тонн каменного топлива. Всего же территория залегания угольных пластов в 25,7 квадратных километра таит в себе свыше миллиарда тонн углей.

Способ разработки — открытый, с частичным применением буровзрывных работ на рыхление. Особенностью разработки месторождения является его расположение на землях бывшего Семипалатинского ядерного полигона. При оценке комплексного влияния производственных условий не исключается влияние пылерадиационного фактора.

Радиационная обстановка в районе обусловлена тем, что на расстоянии от 1,5 до 8 км от контура горного отвала находятся скважины, в которых проводились опыты с подрывом ядерных устройств на глубине 300−600 м от поверхности земли бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона.

Одновременно с работами, носящими геологическую и горнодобывающую направленность предприятием совместно с санэпидслужбой г. Семей, были разработаны программы по обеспечению радиоэкологического мониторинга, улучшению производственной среды, соблюдению природоохранных мероприятий.

Правовой основой программ являются Закон РК «О радиационной безопасности населения», Закон РК «Об использовании атомной энергии», Экологический кодекс РК, Нормы радиационной безопасности (НРБ-202), Санитарные правила и нормы «Санитарно-гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности», «Санитарно-эпидемиологические требования для предприятий угольной промышленности» .

Золовая пульпа в скруббере после трубы Вентури имеет кислый характер (рН=4,49). На выходе из скруббера и в начале пульпопровода рН золовой пульпы незначительно повышается до значения 5,51. Это можно объяснить растворением в пульпе щелочных и нейтральных компонентов золы — оксидов кальция и щелочных металлов. Растворимость этих компонентов в скруббере составляет всего 2−4% в связи с ограничением времени контакта золовых частиц с водой (от 1 до 10 сек).

Далее золовая пульпа по пульпопроводу транспортируется на золоотвал, где происходит осветление золовой пульпы и увеличение рН до значения 7,87.

В таблице 1 приведен качественный и количественный состав золы указанных углей, установленный рентгеноспектральным анализом.

Таблица 1 — Результаты рентгеноспектрального анализа золы углей месторождения Каражыра и Майкубе.

Компоненты золы угля.	Na2O.	MgO.	Al2O3.	SiO2.	P2O5.	K2O.	CaO.	TiO2.	Mn.	Fe2O3.	ппп.
Каражыра, %.	1,15.	1,20.	23,52.	53,22.	0,36.	1,60.	3,36.	1,23.	0,08.	7,21.	7,05.	99,98.
Майкубенский, %.	1,62.	2,87.	19,04.	46,73.	0,72.	2,55.	7,21.	1,33.	0,11.	9,60.	8,19.	99,97.

Увеличение значения рН осветленной воды зависит от соотношения растворенных в воде щелочных компонентов золы (в основном СаО) и поглощенных ею оксидов серы из дымовых газов, то есть наряду с содержанием щелочных компонентов в золе, зольность и сернистость сжигаемого топлива играют немаловажную роль в указанном процессе. Чем выше зольность, тем больше содержание в золе амфотерных оксидов.

Как видно из результатов анализа, основными компонентами золы этих углей являются кислые и амфотерные оксиды кремния, алюминия и железа.

Обычно соотношение в золе оксидов различного типа выражают через его кислотность или основность. Кислотность (К) — это отношение суммы содержания кислых оксидов к сумме содержания основных и амфотерных оксидов (в %):

Кислотность золошлакового материала углей, равная 1,55 и 1,26 соответственно, подтверждает кислый характер этих углей.

Для изучения специфики взаимодействия золошлакового материала с водой нами изучен химико-минералогический и фазовый состав угля, золы и шлака с двух ТЭС методом рентгенофлуоресцентного спектрального анализа.

Результаты анализа, приведенные в таблице 2, практически подтверждают результаты рентгеноспектрального анализа и указывают на преобладание в составе золы кислотного оксида SiO2.

уголь месторождение утилизация радиационный Таблица 2 — Рентгенофлуоресцентный спектральный анализ образцов шлака и золы.

Для установления природы сочетания оксидов металлов в угле, шлаке и золе нами были проведено исследование образцов рентгенофазовым методом, задачей которого является идентификация кристаллических фаз, входящих в состав анализируемого материала. Для проведения анализа предварительно растертую до состояния порошка исследуемую пробу золы помещали в кювету и добавляли связующую жидкость. Максимальная крупность зерен золы составляла 0,1−0,25 мм. Рентгенограммы образцов снимались на дифрактометре D8ADVANCE (Bruker AXS) с использованием медного излучения с монохроматором на дифрагированном пучке. Режим съемки образца: напряжение на рентгеновской трубке 40 kV при токе 40 мА. Шаг сканирования 2? = 0.02o, время информации в точке при этом шаге — 1.0 сек. Во время съемки осуществлялось вращение образца в своей плоскости со скоростью 60 об/мин. Предварительная обработка рентгенограмм для определения углового положения и интенсивностей рефлексов проводилась программой Fpeak. При проведении фазового анализа использовалась программа PCPDFWIN с базой дифрактометрических данных PDF-2. Результаты рентгенофазового анализа приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 — Результаты рентгенофазового анализа минеральной части угля месторождения Каражыра.

Таблица 4 — Результаты рентгенофазового анализа минеральной части Майкубенского угля.

Как мы видим из таблиц, глинистые материалы указанных углей представлены, в основном, каолинитом и кварцем. В угле Каражыра в незначительных количествах присутствуют несколько минералов: гематит, мусковит, альбит, кальцит и акерманит. В майкубенском угле в незначительных количествах (2,8%) присутствует только гематит. В образцах прослеживаются две рентгеноаморфные фазы. Одна из них — гало с максимумом 24.52? — принадлежит кремнийсодержащей фазе. Гало другой рентгеноаморфной фазы находится в малоугловом диапазоне дифрактограммы и принадлежит углеродсодержащей фазе.

В образцах золы и шлака обоих углей также четко прослеживается наличие рентгеноаморфной фазы. В золе и шлаке угля Каражыра наблюдается увеличение содержания кварца, а также появляются значительные содержания новой фазы — муллита, представленного преимущественно амфотерным оксидом алюминия. В шлаке майкубенского угля присутствуют минералы микроклин (11,7%), каолинит (8,3%) и кальцит (1,7%).

В продуктах горения углей месторождения Каражыра и Майкубе наблюдается увеличение содержания гематита Fe2O3. Однако его содержание выше при сжигании угля месторождения Каражыра. Это свидетельствует о более интенсивном характере протекания коррозионных процессов в пульпропроводе в связи с увеличением кислотности пульпы, образующейся при сжигании Каражыринского угля.

• 1. http://metalmininginfo.kz// Автор — Николай Ванжа
• 2. http://www.geo.sfedu.ru/ Автор — Грановская Н. В., Наставкин А. В., Мещанинов Ф.В.
• 3. http://group-global.org/kk/node/21 060 автор — Е. П. Евлампиева, М.С. Панин