Обоснование методов повышения экологической безопасности технологии переработки буроугольного сырья

В качестве топлива большинство электростанций Дальневосточного региона используют уголь, его доля в топливном балансе теплоэлектростанций (ТЭС) составляет 72%. Основными компонентами горючих материалов являются углерод, водород и кислород, в меньших количествах содержатся сера и азот, присутствуют также следы металлов и их соединений (чаще всего оксиды и сульфиды). В состав отходящих дымовых газов входят диоксид углерода, диоксид и триоксид серы и ряд других компонентов, поступление которых в воздушную среду наносит большой ущерб всем основным компонентам биосферы. Таким образом, разработка экологически безопасных технологий в области углепереработки чрезвычайно актуальна.

Объект исследования – буроугольное сырье Ушумунского месторождения, предмет - экологически безопасные технологии по переработке буроугольного сырья. Цель, поставленная исследоватетелем – подтвердить экологическую безопасность инновационной технологии в области углепе-реработки. Задачи исследования: экспериментальное обоснование технологии обогащения и брикетирования буроугольного сырья, оценка экологической безопасности предложенной технологии.

Экологическая безопасность геотехнологий учитывает как устойчивость биосистем к действию техногенных факторов горного производства, так и возможности биологической релаксации в постэксплуатационный период. Инженерная защита окружающей среды развивается в двух направлениях: устранение причин техногенного изменения геологической среды, ликвидация последствий изменения литосферы. Учитывая особенности подземной разработки месторождений, можно представить три взаимно дополняющих друг друга пути создания экологически безопасных технологий: сокращение объёма отходов (избирательная выемка), создание технологий путем использования отходов в других отраслях хозяйства; возврат переработанного вещества литосферы в выработанное пространство [1]. Экспериментально реализовывалось включение битумных отходов

Хабаровского нефтеперерабатывающего завода в технологический цикл обогащения и брикетирования угля.

Экспериментально обосновывалось направление повышения качественных и энергетических показателей буроугольного сырья путем снижения зольности посредством флотационного обогащения бурых углей (объект – угли Ушумунского месторождения, отбор проб проведен в пределах действующего угольного разреза) в тяжелых средах. Новизна предлагаемого метода заключается в использовании нового флотационного реагента на основе битума в роли аполярного собирателя и применении битума в качестве связующего при брикетировании.

С целью оценки влияния угольного сырья на экологию ДВ региона проведены следующие исследования: расчет класса опасности веществ, используемых при обогащении и брикетировании углей; измерение радиоактивности буроугольного сырья Ушумунского месторождения дозиметром; оценка элементного состава образцов угля методом рентгенофлуоресцентного анализа, определение экологического влияния продуктов сжигания угольного сырья с применением коэффициента миграции элементов при температурном воздействии (k t^мигр ).

Была проведена экологическая оценка углей Ушумунского месторождения, золы, полученной при их сжигании. По итогам расчетов, проведенных с помощью программного обеспечения (ПО) «Dang_Waste» (авторское свидетельство № 2009612788).

Таблица 1

Класс опасности используемых веществ для окружающей природной среды

Вещество	Показатель степени опасности отхода, К отх	Класс опасности для окружающей природной среды	Интерпретация
Исходное буроугольное сырье	46,12	IV	малоопасный
Зола	40,09	IV	малоопасный

Как уголь, так и золы малоопасны для окружающей природной среды. В процессе эксплуатации ТЭЦ образуются твердые отходы (огарки, шлаки, золы), которые складируются на больших площадях, оказывая негативное влияние на атмосферу, поверхностные и поземные воды, почвенный покров (пыление, выделение газов) [4]. Норма образования отходов на 1 т угольного сырья Ушумунского угля рассчитана с применением ПО «Отходы котельных». При сжигании 1 т буроугольного сырья Ушумунско-го месторождения 0,251 т угольной золы, 0,039 т угольного шлака, 0,011 т шлама очистки котлов (мазутной золы). При снижении показателя зольности до 10% вследствие обогащения выход угольной золы составит 0,088 т, угольного шлака – 0,009 т.

Оценка радиактивности угля выявила, что мощность гамма – излучения составляет 0,0-0,01 микрорентген в час, что не превышает существующих нормативов (согласно основным санитарным правилам обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99)).

Анализ отобранных на Ушумунском месторождении проб проведен на ренгенофлуоресцентном анализаторе S4 PIONEER на предмет содержания редких и ценных компонентов, а также металлов благородной группы последовательно исследовалось исходное буроугольное сырье и зола, полученная при температурном воздействии на уголь.

Автором предложен и рассчитан коэффициент миграции элементов при температурном воздействии k t^мигр , вычисляемый по формуле (1):

k _t

мигр

со

з

Юу. ’

где ώз – содержание элемента в золе исследуемого угля, г/т, ώу - содержание элемента в исходном буроугольном сырье, г/т.

Коэффициент применим при прогнозировании состава вредных выбросов и накоплении токсичных отходов при традиционном энергетическом применении буроугольного сырья: если k_t ^мигр > 1, то при озолении угля происходит шлакование элемента, переход его в твердую фазу зольного остатка. При k t^мигр < 1 подвергаемые температурному воздействию элементы переходят в газовую фазу, образуя летучие соединения с кислородом.

Содержание в углях химических элементов различных классов токсичности по принятой эколого-геохимической классификации опасности, а также значения k t^мигр отражены в табл. 2 [2, 3].

Таблица 2

Среднее содержание и предел колебаний токсичных элементов в Ушумунских углях

Элемент	х , г/т	lim, г/т	ПДК (атмосф), среднесут. мг/м 3	ПДК (почв), мг/кг	мигр
As	117	40…155	0,003	2,0	0,39
Pb (кроме сульфида и тетраэтилсвинца)	39	36…41	0,0007	32,0	0,69
S	7000	4830…9440	(SO 2 ) 0,05	-	1,89
Mn	900	600…1000	-	1500	1,69

Продолжение таблицы 2

Элемент	х , г/т	lim, г/т	ПДК (атмосф), среднесут. мг/м 3	ПДК (почв), мг/кг	мигр
V	99,2	86…126	-	150	1,44
Cu	149,4	124…179	-	3,0	0,53
Ni	64,6	61…72	-	4,0	1,65
Co	60,671	50…76	-	5,0	0,71
Cr		65…79	-	6,0	1,46
П римечание: х - среднее содержание элемента в угольном сырье; lim – предел колебаний, г/т; k мигр - коэффициент миграции элемента.

При сравнении данных по содержанию токсичных элементов существенно меняется (lim), что свидетельствует об изменении в петрографическом составе, форме и характере распределения минеральных примесей углей по пластам Ушумунского месторождения.

Коэффициент миграции элементов при температурном воздействии выше единицы (k_t ^мигр >1) для некоторых элементов II группы (Ba, Mg, Ca), третьего (Al, Si, P, S) и четвертого (Ti, V Cr, Mn, Ni, Ge) периодов а также калия, железа и циркония. Коэффициент миграции элементов при температурном воздействии ниже единицы (k t^мигр < 1)для некоторых щелочных металлов (Na, Rb), элементов 4 периода I-IV групп (Cu, Zn, Ga, Ge, As), элементов 5 периода (Rb, Sr, Y, Nb, Mo) а также скандия, кобальта, цезия и свинца. Данные, свидетельствующие о повышении содержания серы в зольном остатке объясняются агломерацией пиритной серы. Эмиссия для таких элементов, как мышьяк (As), свинец (Pb), олово (Sn) и медь достигает значений, способных принести вред окружающей среде (табл. 3).

По данным проведенного исследования вследствие наличия таких элементов, как марганец, ванадий, никель и хром (k_t ^мигр > 1, установленный ПДК в почве) необходимо предусмотреть мероприятия по захоронению отходов обогащения и сжигания в бункерах. Так как выбросы по мышьяку и свинцу могут достигать значений, превышающих предельно допустимые, следует установить электрофильтры или скруберы для очистки выбросов котельных.

Таблица 3

Коэффициент миграции при температурном воздействии особо токсинных компонентов

Точка отбора	Элемент
	Pb			As
	ώу, г/т	ώ з , г/т	мигр	ώ у c , г/т	ώ з , г/т	мигр
1	38	29	0,763	109	26	0,239
2	41	29	0,707	155	53	0,342
3	36	20	0,556	40	40	1
4	40	30	0,75	145	26	0,179
5	40	27	0,675	136	29	0,213
Среднее	39	27	0,690	117	34,8	0,395

Отходы обогащения предлагается складировать в бункерах [5], предотвращая загрязнение почв и вод. Также снизится средняя техногенная нагрузка отдельных химических элементов (k t^мигр > 1) на окружающую среду вследствие меньшего содержания экологически опасных элементов в продуктах обогащения и более полного сгорания угольных брикетов. Реализация разработанных технологических решений позволит повысить экологическую безопасность природопользования в Дальневосточном регионе.