Иркутский государственный университет
ООО НПК «Спирит»
Россия
ООО НПК «Спирит»
Россия
В статье представлены результаты изучения вещественного состава отходов углеобогатительной фабрики «Кузбасская». Установлено, что в состав исходного сырья входят такие токсичные элементы, как мышьяк, хром, ртуть, селен, бериллий и ванадий. Из ценных элементов-примесей в пробе отмечены серебро, лантан, молибден, скандий, селен, свинец и иттрий. Показатель зольности исходного топлива составил 22.4 %, что свидетельствует о присутствии несгораемых фаз, представленных неорганическим веществом. Оптико-минералогическим анализом установлено, что основная масса пробы сложена углём (82.51 %), кроме того, содержатся карбонаты, полевые шпаты, кварц, глинистые минералы, а также магнетит и гидроксиды железа. В единичных зёрнах визуализируются сульфиды, монацит, рутил, циркон и слюды.
отходы угледобычи, угольные шламы, комплексная переработка минерального сырья, минералого-технологическая оценка сырья, Кузнецкий угольный бассейн
Введение
Проблема комплексной и безотходной переработки отходов угледобычи на сегодняшний день является актуальной задачей, требующей незамедлительного решения. Для этого требуется внедрение новых технологических решений с получением ряда продуктов, пригодных для различных отраслей промышленности (Чикишева и др., 2023). По сути, можно говорить о создании новой отрасли для вовлечения во вторичный передел накопленных за многие годы техногенных отвалов, что соотносится с целями, принципами и приоритетами «Стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года»[1].
Помимо решения остростоящего вопроса снижения негативного воздействия накопленных отходов на окружающую среду, внедрение соответствующих технологий должно повысить конкурентоспособность угольной промышленности и способствовать развитию регионов угледобычи (ГОСТ 9414.3-93; Ожогина и др., 2018; Сосновский, Сачков, 2021; Турецкая, Чикишева, 2023; Ali Ucar et al., 2023; Debjani et al., 2022; Jay et al., 2021; Menshikova at al., 2022; Nguen Cong Thang, Nguen Van Tuan, 2021; Yoginder, Paul, 2014).
Одним из главных угледобывающих субъектов РФ является Кузбасс, где высокие темпы переработки неизбежно влекут за собой формирование огромных масс горнопромышленных отходов (О состоянии…, 2021). Для вовлечения в переработку отходов угледобывающих предприятий распоряжением Правительства РФ утверждена комплексная научно-техническая программа полного инновационного цикла «Чистый уголь — Зеленый Кузбасс»[2], участником которой стал Институт земной коры СО РАН. С момента старта программы и по настоящее время в институте ведется научно-исследовательская работа по теме «Переработка хвостов угольных обогатительных фабрик с целью получения товарного угольного концентрата». Эту задачу невозможно решить без детального изучения вещественного состава отходов угдедобычи с применением современных методов минералогического анализа.
Материалы и методы
Определение зольности топлива выполнено методом ускоренного озоления; определение химического состава исходной пробы — методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.
Минеральный состав пробы и содержание каждого минерала в пробе были определены с помощью методов оптико-минералогического анализа по методическим рекомендациям НСОММИ (Оптико-минералогический…, 2012) с применением бинокулярного стереомикроскопа «Микромед MC-2-ZOOM 2CR». Рентгенографический анализ выполнялся на дифрактометре ДРОН-3.0 в ЦКП «Геодинамика и геохронология» ИЗК СО РАН (аналитик М. Н. Рубцова).
Изучение микрокомпонентов угля в шлифах и аншлифах выполнялось по межгосударственным стандартам (ГОСТ 9414.2-93, ГОСТ 9414.3-93, ГОСТ 9414.1-94).
Определение несгораемых фаз в углях проводилось с применением сканирующего электронного микроскопа MIRA3 LMH TESCAN в «Центре коллективного пользования изотопно-геохимических исследований» ИГХ СО РАН в режиме обратнорассеянных электронов (аналитик А. Г. Чуешова).
Результаты и обсуждение
В результате определения химического состава проб установлено, что в исходном сырье содержатся следующие элементы-примеси: мышьяк (менее 0.0005 %), хром (0.0010 %), магний (0.145 %), ртуть (менее 0.0005 %), сера (0.202 %), селен (менее 0.0005 %), бериллий (менее 0.0002 %) и ванадий (0.0024 %), относящиеся к токсичным компонентам (Крылов, 2017). Из ценных элементов-примесей в пробе отмечены серебро, лантан, молибден, скандий, селен, свинец и иттрий. Массовые доли перечисленных компонентов составляют тысячные доли процентов или находятся на пределе чувствительности.
Гранулометрическим анализом установлено, что 51.96 % от исходного сырья имеет крупность менее 20 мкм с показателем зольности сухого топлива (Ad) 25.4 % (рис. 1). Выход материала более 2 мм составляет 10.01 % с показателем Ad 35 %. Показатель Ad в классе крупности от 0.02 до 0.04 мм составляет 20.5 % с выходом 9.13 %. В классе крупности от 1 до 2 мм показатель Ad равен 22.3 %. Показатель Ad в материале от 0.071 до 1 мм варьирует от 18.8 до 8 %.
Анализ полученных данных показал, что присутствие такого большого количества тонкодисперсного шлама повлияет на вязкость пульпы и сегрегационные способности более крупных зерен. Повышенный показатель зольности в материале более 2 мм свидетельствует о том, что в данном сырье присутствует несгораемая фаза, представленная неорганическим веществом. Практический интерес по всем своим показателям представляет материал, находящийся в диапазоне крупности от 2 до 0.02 мм, показатель Ad в данном диапазоне составляет 15.07 %.
Оптико-минералогический анализ показал, что основная масса пробы сложена углём — 82.51 %. В меньшем количестве в материале пробы присутствуют карбонаты, полевые шпаты, кварц и глинистые минералы. В десятых долях процента отмечены гидроксиды железа, а в сотых долях — магнетит. В единичных зёрнах визуализируются сульфиды, монацит, рутил, циркон и слюды.
Анализ распределения угля по классам крупности показал, что в материал крупностью менее 0.020 мм распределяется 46.92 % угля (рис.2), в материал крупностью от 0.5 до 0.020 мм — 35.52 %, крупностью более 0.5 мм — 17.56 % угля.
Микроскопическое исследование углей в проходящем свете
В ходе изучения шлифов, изготовленных из образцов пород, вмещающих уголь, было установлено, что они представлены среднезернистыми граувакковыми песчаниками и аргиллитами.
Обломочная часть песчаников в основном сложена обломками осадочных пород, в меньшем количестве — мономинеральными зёрнами кварца и полевых шпатов. Структура псаммитовая среднезернистая, цемент контурный, глинисто-серицитовый. Аргиллиты состоят преимущественно из каолинита и гидрослюд. Структура пелитовая, текстура сланцеватая, слабо выраженная в субпараллельной ориентировке единичных зёрен слюды.
Изучаемые породы и их обломки обогащены органическим веществом и могут быть отнесены к каустобиолитам гумусового типа. При их изучении в проходящем свете наблюдаются разные соотношения угольных и минеральных компонентов. Угольные компоненты имеют полосчатые (рис. 3), штриховатые и линзовидно-штриховатые формы (Столбова, 2013). Цвет мацералов угля в основном чёрный, реже коричневый и тёмно-коричневый, что свидетельствует о высокой степени фюзенизации.
Микроскопическое исследование углей в отраженном свете
Микроскопически по визуальным признакам было выделено три группы мацералов — витринит (телинит, коллинит), липтинит (спорнит), инертинит (фюзенит и склеротинит), а также минеральные составляющие. Мацералы имеют разную степень сохранности клеточной структуры (рис. 4). Бесструктурные мацералы образуют скопления и слагают полосы, структурные разности рассеяны в коллините.
Минеральными составляющими минеритов выступают глинистые минералы, сульфиды железа, карбонаты, оксиды кремния и прочие минеральные включения. Сульфиды железа проявлены в виде выделений неправильной формы, фрамбоидов и прожилков.
Изучение методом сканирующей электронной микроскопии
При исследовании аншлифов с помощью сканирующего электронного микроскопа установлено, что изучаемые образцы представляют собой полифазные агрегаты, состоящие из минералов и угля. Среди минеральных составляющих в таких агрегатах отмечаются кварц, каолинит, сидерит, апатит, пирит и рутил. На изображениях общего вида образцов в обратнорассеянных электронах (рис. 5) чётко прослеживается переслаивание чистого или слабозагрязнённого угля с его полифазными агрегатами.
Каолинит заполняет клеточные полости, встречается в виде линз, прослоек, тонкодисперсных частиц (рис. 6, a), а также выступает цементирующим веществом во вмещающей уголь породе. Кроме того, в пробе отмечаются микропереслаивания угля и минеральных агрегатов, содержащих каолинит и апатит (рис. 6, b—d).
Апатит часто ассоциирует с каолинитом (см. рис. 6) и представлен выделениями неправильной формы. Рутил и сидерит визуализируются в виде редких включений неправильной формы.
Заключение
Материал пробы отходов ЦОФ «Кузбасская» по своему составу относится к техногенному минеральному сырью первой группы, то есть сходному по составу и свойствам с природным (Ожогина, Котова, Якушина). Основная масса пробы сложена углём (82.51 %), большая часть которого распределяется в крупность менее 20 мкм (46.92 %). Изучаемые породы и их обломки обогащены органическим веществом и могут быть отнесены к каустобиолитам гумусового типа. Микроскопически они представляют собой полифазные агрегаты с разными количественными соотношениями мацералов угля и минеральных компонентов. Угольные компоненты имеют полосчатые, штриховатые и линзовидно-штриховатые формы. Минеральные составляющие агрегатов представлены каолинитом, глинистыми минералами, сульфидами железа, карбонатами, силикатами, минералами кремнезема и другими неорганическими соединениями, которые повышают зольность энергетического сырья. Изучаемые отходы также могут представлять интерес как источник редких и редкоземельных элементов.
Таким образом, можно сделать вывод, что на данном этапе отходы ЦОФ «Кузбасская» могут быть вовлечены в повторную переработку как энергетическое сырьё для получения угольного концентрата. Оставшийся после извлечения угля материал рекомендуется рассмотреть в качестве сырья для строительных отраслей промышленности и как источник редких и редкоземельных элементов после дополнительного изучения и при условии экономической целесообразности.
[1]* Стратегия развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года: Распоряжение Правительства РФ № 84-р от 25.11.2018. URL: government.ru
[2]** Комплексная научно-техническая программа: Распоряжение Правительства РФ № 1144-р от 11.05.2022. URL: pravo.gov.ru
1. ГОСТ 9414.2-93 (ИСО 7404-2-85). Уголь каменный и антрацит. Методы петрографического анализа: Межгосударственный стандарт. Часть 2. Метод подготовки образцов угля. М.: Изд-во стандартов, 1995. 18 с.
2. ГОСТ 9414.3-93 (ИСО 7404-3-84). Уголь каменный и антрацит. Методы петрографического анализа: Межгосударственный стандарт. Часть 3. Методы определения групп мацералов. М.: Изд-во стандартов, 1995. 12 с.
3. ГОСТ 9414.1-94 (ИСО 7404-1-84). Уголь каменный и антрацит. Методы петрографического анализа: Межгосударственный стандарт. Часть 1. Словарь терминов. М.: Изд-во стандартов, 1995. 23 с.
4. Крылов Д. А. Негативное влияние элементов-примесей от угольных ТЭС на окружающую среду и здоровье людей // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 12. С.77—87. DOI:https://doi.org/10.25018/0236-1493-2017-12-0-77-87
5. Ожогина Е. Г., Шадрунова И. В., Чекушина Т. В. Роль минералогических исследований в решении экологических проблем горнопромышленных районов // Горный журнал. 2017. № 11. С. 105—110. DOI:https://doi.org/10.17580/gzh. 2017.11.20
6. Ожогина Е. Г., Котова О. Б., Якушина О. А. Горнопромышленные отходы: минералогические особенности // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2018. № 6. С. 43—49. DOI: 10.19110/ 2221-1381-2018-6-43-49
7. Оптико-минералогический анализ шлиховых и дробленых проб: Методические рекомендации № 162 / Научный совет по методам минералогических исследований (НСОММИ). М.: ВИМС, 2012. 23с.
8. О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2021 году: Гос. доклад / Гл. ред. Д. Д. Тетенькин, Е. И. Петров. URL: Уголь (data-geo.ru) (дата обращения: 4.03.2024).
9. Столбова Н.Ф., Исаева Е. Р. Петрология углей: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. 77 с.
10. Сосновский С. А., Сачков В. И. Комплексная переработка техногенного углесодержащего сырья // Проблемы комплексной и экологически безопасной переработки природного и техногенного минерального сырья (Плаксинские чтения — 2021) СГКГМИ (ГТУ). Владикавказ, 2021. С. 498—501.
11. Турецкая Н. Ю., Чикишева Т. А. Перспективы получения товарного продукта из отходов флотации угольных фабрик // Уголь. 2023. №. 9. С. 95—99. DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2023-9-95-99
12. Чикишева Т. А., Комарова А. Г., Прокопьев С. А., Прокопьев Е. С., Алексеева О. Л. Минералого-технологическая оценка отходов углеобогатительной фабрики «Краснобродская-Коксовая» // Технологическая минералогия в оценке качества минерального сырья природного и техногенного происхождения: Сб. ст. по материалам докл. XV Росс. семинара по технолог. минералогии / Под ред. В. В. Щипцова, Е. Н. Световой; Институт геологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2023. С. 43—46. DOI:https://doi.org/10.17076/TM15_57
13. Ali Ucar, Oktay Sahbaz, Nezahat Ediz, Ismail Goktay Ediz An investigation into the enrichment of coal wastes of Western Lignite Company (WLC) by physical and physico-chemical methods // Madencilik — Mining, 2023, V. 62 (1), pp. 7—15. https://doi.org/10.30797/madencilik.1111260
14. Debjani N., Bidyut D., Rashmi S., Santosh S., Ajinkya M., Pratik Swarup D. Effect of grinding behavior on liberation of coal macerals // ISIJ International, 2022, V. 62, No. 1, pp. 99—103, https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-209
15. Jay N. Meegoda, Li-ming HU, Nabil M. A. AL-Joulani Solid waste and ecological issues of coal to energy // Journal of Hazardous, Toxic and Radioactive Waste, April 2021, pp.99—107. DOI:https://doi.org/10.1061/(ASCE)HZ.1944-8376.0000071
16. Menshikova E., Blinov S., Belkin P., Ilaltdinov I., Volkova M. Dumps of the Kizel coal basin as a potential source of rare and rare-earth elements // Science and Global Challenges of the 21st Century, 2022, LNNS 342, pp. 352—361, https://www.researchgate.net/deref/https %3A %2F %2Fdoi.org %2F10.1007 %2F978-3-030-89477-1_35
17. Nguyen Cong Thang, Nguyen Van Tuan The potential use of waste rock from coal mining for the application as recycled aggregate in concrete // Proceedings of the International Conference on Innovations for Sustainable and Responsible Mining, 2021, V. 1, pp. 550—561. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-030-60839-2_29
18. Yoginder P. Chugh, Paul T. Behum Coal waste management practices in the USA: an overview // International Journal of Coal science and technology, 2014, 1 (2), pp. 163—176. DOIhttps://doi.org/10.1007/s40789-014-0023-4
