Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы по рациональному использованию ископаемых как сырья многоцелевого назначения
1.1 Роль и значение ископаемых углей как технологического сырья
1.2 Анализ состояния рационального и комплексного использования углей 13
1.3 Оценка показателей и критериев технологических и потребительских свойств углей 22
1.3.1 Технологические классификации углей и их роль в оценке потребительских свойств угольного сырья 22
1.3.2 Научно-методическая, нормативная и технологическая база рационального использования углей
1.3.3 Обогащение углей: цели и задачи М
1.4 Цели, задачи и методика исследования 35
2 Оценка изученности состава и свойств углей Восточного Забайкалья 37
2.1 Характеристика угленосности и качества углей региона 37
2.2 Изученность состава и свойств углей
2.3 Характеристика объектов исследования
2.4 Выводы
3 Методика исследования 58
3.1 Обоснование системного подхода К оценке потребительской ценности углей Восточного Забайкалья
3.2 Методика исследования 57
4 Исследование качества и технологических свойств углей Восточного Забайкалья 61
4.1 Состав и свойства углей
4.1.1 Вещественный состав
4.1.2- Химико-технологические показатели качества
42 Степень окисленности
4.2.1 . Обоснование и разработка методики исследования 72
4.2.2 Оценка влияния окисленности на качество углей 77
4.3 Изучение потребительских свойств углей 78
4.3.1 Исследование окисленных углей как сырья для производства гуминовых препаратов
4.3.2 Полукоксование
4.3.3 Реакционная способность углей и полукокса
4.3.4 Состав и свойства полукоксов
4.3.5 Обогатимость и гранулометрический состав 87
4.4 Восстановленность углей
4.4.1 Обоснование методики исследования 94
4.4.2 Степень восстановленности углей и ее влияние на их потребительские свойства 95
4.5 Исследование взаимосвязей углепетрографических и химико-технологических параметров углей математическими методами
4.6 Выводы
5 Технологическая оценка углей Восточного Забайкалья как комплексного нетрадиционного рудного сырья
5.1 Разработка и обоснование методики исследования
5.2 Оценка комплексной металлоносное углей
5.3 Выводы
6 Системная оценка потребительской ценности углей Восточного Забайкалья и направлений их многоцелевого нетопливного использования
7 Влияние особенностей углеобразования Восточного Забайкалья на качество углей ...
7.1 Современные представления о структуре углей НЦ Обоснование влияния структурно-тектонических особенностей месторождений на качество углей
7.3 Выводы 127
Заключение
Литература
Приложения
- Технологические классификации углей и их роль в оценке потребительских свойств угольного сырья
- Обоснование системного подхода К оценке потребительской ценности углей Восточного Забайкалья
- Исследование взаимосвязей углепетрографических и химико-технологических параметров углей математическими методами
- Современные представления о структуре углей НЦ Обоснование влияния структурно-тектонических особенностей месторождений на качество углей
Технологические классификации углей и их роль в оценке потребительских свойств угольного сырья
Проблема рационального использования минеральных ресурсов, стоящая в глобальном масштабе на повестке дня в силу их невозобновляемо-сти и приобретающая особое значение в связи с отработкой благоприятных по качеству и месторасположению месторождений [21], актуальна и для угольной сырьевой базы [9].
Решения, принимаемые для повышения эффективности использования углей в технологических целях, многообразны, основные из них: 1. Применение традиционных процессов глубокой переработки (коксование, полукоксование, газификация) на более современных аппаратах (3-4 поколение) и по модернизированным технологиям [41, 105]. 2. Создание новых технологий глубокой переработки углей для получения традиционных продуктов с целью замены дефицитных углей недефицитными, например, применение специальных процессов подготовки и коксования с заменой коксующихся углей газовыми [24]. 3. Разработка новых технологий глубокой переработки углей с получением нетрадиционной малообъемной дорогостоящей продукции, стоимость которой многократно превышает стоимость исходного сырья, например адсорбентов, технической сажи, гуминовых препаратов и др. [31, 82].
Ввиду гигантских масштабов углепотребления при добыче и переработке углей, а также при хранении отходов этих процессов (вскрышных пород, хвостов обогащения, зол, шлаков, пылеуносов) создается многообразная интенсивная негативная нагрузка на окружающую среду, нарушаются и изымаются значительные площади земли [124]. В связи с этим и прогнозируемым дальнейшим увеличением объемов углепользования [64] проблема комплексного использования запасов угольных месторождений приобретает особую актуальность [45, 64]. При этом по масштабам, строению, составу и хозяйственной ценности отвалы угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий в настоящее время предлагается рассматривать как комплексные техногенные месторождения нетрадиционного и относительно дешевого минерального сырья [45, 124]. Освоение их запасов - важная проблема, решение которой обеспечивает как экономический, так и экологический эффект. В промышленно развитых странах используют до 100 % образующихся золошлаковых отходов [76]. Широкое применение отходы добычи и переработки углей находят в стройиндустрии, для кондиционирования почв, в дорожном строительстве, при создании гидротехнических сооружений [124, 125].
Важное направление работ при обеспечении комплексного использования запасов угольных месторождений - утилизация из углей и углеотходов малых элементов, к которым обычно относят цветные, редкие и редкоземельные металлы с концентрациями 0,1 %. Это связано, с одной стороны, с колоссальными объемами углепотребления, с другой стороны, с отрицательным воздействием токсичных и потенциально-токсичных (Be, V, Со, Cd, Мп, As, Ni, Hg, Pb, Se, Sb, Та, Zn, F, Cr, CI) элементов на окружающую среду в процессах переработки углей и хранения углеотходов. Установлено, что в отвалах продуктов переработки углей создаются условия для перехода малых элементов из пассивного (связанного) состояния в активную «подвижную» форму, что ведет к загрязнению подземных вод. Имеются примеры положительных решений по извлечению из золошлаковых отходов микро- и макроэлементов, в т.ч. комплексно [6]. Разработаны и применяются в промышленных масштабах технологии извлечения из продуктов углепереработки Ge, Li, Ті, V,Sb,AunAg[117].
Исследования по изучению сопутствующих полезных ископаемых и ценных компонентов в углях отечественными учеными проводятся более 40 лет, однако всесторонний охват они приобрели в последнюю четверть XX века. В настоящее время комплексность изучения запасов угольных месторождений предусматривается специальными нормативно-техническими документами (НТД) на всех вновь разведуемых и на многих оцененных ранее и эксплуатируемых объектах. При этом сопутствующие углям полезные ископаемые и ценные компоненты в них могут быть подразделены на 3 группы:
Содержащиеся непосредственно в углях ценные компоненты, пригодные для извлечения при переработке угля. К ним относятся макро- и микроэлементы (малые элементы), а также органические компоненты углей - уг-лещелочные реагенты, горный воск. 2. Отходы добычи, обогащения и переработки углей. 3. Полезные ископаемые во вмещающих угли породах [44].
Многообразие состава и свойств углей создают большие сложности при решении комплексного использования запасов угольных месторождений: требуется выполнение большого объема специальных исследований по каждому конкретному месторождению и техногенному объекту угольного ряда [45, 125]. Это является одной из причин низкого уровня использования угле-отходов в России: утилизация зол и шлаков не превышает 10 % объема образующихся золошлаковых отвалов [76], объем промышленного применения техногенного сырья, заключенного в отвалах угольных шахт и разрезов-не более 20 % от оцененных ресурсов [45]. В целом уровень отечественных научных разработок в этой области следует оценивать достаточно высоким. В последние годы выявлены новые свойства углеотходов и сферы применения продукции из них (теплоизоляционные материалы, фильтраты, минеральные пигменты и др.) [45]; предложены технологии по извлечению из них золота [62], рудных минералов и получению концентратов рутила, ильменита, циркона, пирита и др. [45, 80]. Технико-экономическими расчетами [25] и экспериментами [7?] показана перспективность использования в качестве небокситового глиноземного сырья золы ТЭЦ с содержанием А1203 20 % с двойным эффектом: технико-экономическим и экологическим.
Обоснование системного подхода К оценке потребительской ценности углей Восточного Забайкалья
Ввиду этого для выбора рациональных направлений переработки углей, оптимизации сырьевых баз обогатительных фабрик, обеспечения взаимозаменяемости углей в различных технологических процессах и быстрого реагирования на запросы потребителей требуется существенное расширение круга определяемых в настоящее время показателей качества углей и создание надежного банка данных по качеству углей всех бассейнов [31].
Более глубокое изучение состава и свойств углей выявило новые области их использования и критерии для оценки пригодности угольного сырья в различных технологических процессах. Большое внимание при этом уделяется расширению сферы использования дешевых углей, в т.ч. для замены ими дефицитных. Например, витринитовые угли группы 1 Г с R , - 0,6-0,7 %, OK = 8-12 % и Vdal = 40-42 % способны заменить остродефицитные угли марки ОС, что значительно снижает стоимость кокса и облегчает его выгрузку [104].
Разработанные критерии грубой оценки пригодности углей для технологической переработки на базе комплекса параметров-критериев позволяют по марочной принадлежности и значениям этих параметров без постановки экспериментов дать прогноз их потребительской ценности уже в ходе ГРР [60, 104].
По мере прогресса в области технологий переработки минерального сырья критерии грубой оценки его потребительских качеств изменяются, что расширяет минерально-сырьевую базу за счет снижения ограничительных значений тех или иных параметров качества. Например, внесены коррективы в существующие требования [40] по минимальным содержаниям элементов, которые могут служить ориентиром в качестве оценочных кондиций промышленной значимости («порог ценности») углей и продуктов их обогащения (а также их золы) как нетрадиционных источников рудного сырья и в оценку «порога токсичности» малых элементов в углях и продуктах углеобогащения [117].
Количественное определение петрографических параметров ТГИ позволило использовать закономерные взаимосвязи углепетрографических и технологических параметров углей для прогноза их качества и продуктов переработки по результатам изучения вещественного состава [31, 126]. Методологический подход прогнозирования потребительской ценности угольных месторождений по корреляционным зависимостям углепетрографических и химико-технологических показателей углей на базе первых находит все большее признание. Особенно значима реализация этого подхода на ранних стадиях ГРР на ТГИ с целью комплексной оценки их ценности для нетрадиционного использования [13, 107, 116].
При значительных разведанных запасах (200 млрд.т [64]), угольная сырьевая база России далека от совершенства: около 30 % запасов разведаны 2-3 десятилетия назад без учета современных технологий и требований к охране окружающей среды; часть резервных участков отличаются сложными горногеологическими условиями и плохим качеством углей [38]. При наличии в России огромного ресурсного потенциала углей дальнейшее изучение его остается актуальным: значительная часть прогнозных ресурсов в освоенных угольных бассейнах находится на глубинах, исключающих возможность рентабельной угледобычи; имеющиеся разведанные запасы не всегда достаточны и пригодны для поддержания и развития угледобычи, в т.ч. и из-за низкого их качества. Реальные возможности увеличения сырьевой базы открытой угледобычи связаны, главным образом, с прогнозными ресурсами Сибири и Дальнего Востока, в т.ч. Забайкалья, перспективы воспроизводства сырьевой базы коксохимической промышленности - с Кузнецким, Печорским и Южно-Якутским бассейнами, при благоприятном изменении транспортной ситуации - Улугхемским бассейном и Апсатским месторождением Забайкалья [68].
Изменение экономической политики и становление рыночных отношений в производстве потребовали реализации новых подходов к стоимостной оценке месторождений, которая должна учитывать и требования сегодняшнего дня, и перспективы [65]. Научно-методической и технологической базой при этом должна стать система управления воспроизводства сырьевой базы. Важнейшая научная проблема, стоящая перед угольной отраслью при этом, - глубокая переработка углей с целью получения дефицитной нетопливной продукции: угли слабоизученных месторождений по своим потребительским свойствам могут обеспечить рентабельность угледобывающего предприятия и конкурентоспособность его продукции на рынках [65, 11]. В работе [12] выделено 4 группы оценок, связанных в единую систему: - геологические, в т.ч. качество и технологические свойства углей, изменчивость параметров качества; - технико-экономические, в т.ч. степень кондиционности пластов, размеры и локализация участков кондиционных запасов; - экологические, в т.ч. воздействия углеразведочного, угледобывающего и углеперерабатывающего комплексов на окружающую среду; - оценки экономической эффективности освоения запасов, в т.ч. себестоимости и цены реализации товарной продукции. В настоящее время в России особую актуальность приобретает проблема переоценки существующей и уже оцененной сырьевой базы полезных ископаемых, в т.ч. ТГИ. Цель переоценки - установление действительной ценности невозобновляемых минеральных ресурсов в реальных условиях рыночных отношений. Для достижения указанной цели необходимо решение целого комплекса задач, в т.ч. таких как: трансформация переоценки в территориально-производственную; использование социально-экономического фактора, предусматривающего учет социального и экологического аспектов при принятии решений; ориентация на интеграцию отечественного рыночного хозяйства в мировую рыночную систему (обращение к мировым ценам, изучение спроса и предложения на мировом и внутреннем сырьевых рынках); применение в процессе переоценки рыночных принципов оценки инвестиционных проектов [94]. Таким образом, во всех рассмотренных подходах к стоимостной оценке и оптимизации комплексного и рационального использования ресурсов угольных месторождений в условиях рыночного хозяйства [11, 12, 65, 68, 96.] проблема оценки потребительских свойств и реальной ценности углей, а также запасов угольных месторождений в целом на сырьевых рынках является их обязательной составной частью.
Исследование взаимосвязей углепетрографических и химико-технологических параметров углей математическими методами
Недоизученность минерального группового состава и степени метаморфизма (RQ) у углей Харанорского, Татауровского, Тарбагатайского и Нер-чуганского месторождений, на которых детальные ГРР проводились в 50-60 гг., а также на большей части площади Зашуланского месторождения, охваченной поисково-оценочными работами [92]. Более полно изучены эти параметры у углей Уртуйского месторождения [123],Ro - у Олонь-Шибирских углей (Михелис, 1959). Количественно охарактеризованы вещественный состав и степень метаморфизма апсатских углей на каждом участке с детальностью, соответствующей стадиям ГРР на них - от поисково-оценочных до детальной разведки. Восстановленность небольшим объемом исследований оценена у уртуйских углей (по цвету гелифицированной массы) как слабая [123]. На остальных месторождениях она не изучалась, но на Апсатском месторождении выявлены изометаморфные угли, при близком петрографическом составе обладавшие различным качеством, на основании чего сделан вывод о наличии на нем углей с разной степенью восстановленности [83].
По закономерным изменениям параметров качества углей отмечено проявление регионального метаморфизма на всех месторождениях, кроме Харанорского и Нерчуганского. На Уртуйском и Апсатском месторождениях установлено воздействие на угли процесса термального метаморфизма [83, 123]. На последнем, кроме того, выявлены незакономерные изменения степени метаморфизма и других параметров качества углей, которые невозможно объяснить проявлениями указанных типов метаморфизма: на значительной глубине среди хорошо спекающихся углей встречены прослои неспекающих-ся; на крутопадающем крыле на одном горизонте степень метаморфизма у углей крайних пластов (В) и В9) ниже, чем у углей пластов внутри группы -Вг - В8; угли, вскрытые штольней 6, имели пестрый марочный состав; встречены угли, качеству которых нет аналогов на других месторождениях (по действовавшему факультативно ГОСТу 25543-82) [27, 72, 83, 111].
Угли месторождений преимущественно витринитовые, кроме хара-норских и уртуйских. Минеральные примеси тонкодисперсные, часто заполняют клеточные пространства растительных остатков, трещинки кливажа.
Представлены они, главным образом, кварцем, полевыми шпатами, глинистыми минералами, реже карбонатами и сульфидами. На всех месторождениях отмечены зоны подвижек, в которых угли передроблены и перемяты, имеют зеркала скольжения и изменения направлений напластований. Для ап-сатских углей характерны в полосе выходов под наносы и в зонах дробления разности в виде дресвы призматической формы, для олонь-шибирских - саморазрушение на уплощенные кусочки размером около 20-40 мм через несколько часов после выемки из пласта (Приложение 1). У витринитов апсат-ских углей установлена неоднородность по степени метаморфизма (Ro), в т.ч. по слоям пластов в сравнении, к примеру, с южно-якутскими углями. На Тарбагатайском месторождении встречены сажистые угли на глубине 50-70 м, что невозможно объяснить процессами обычного выветривания (Внуков, 1964).
Угли всех месторождений охарактеризованы как энергетическое топливо. Кроме апсатских, они оценены лабораторным полукоксованием: тар-багатайские и зашуланские - на единичных пробах, остальные - на значительных выборках проб. Из углей Олонь-Шибирского, Тарбагатайского, За-шуланского, Нерчуганского и, в меньшей степени, Татауровского месторождений на их локальных участках выход смолы полукоксования повышенный (табл. 2.1, 2.2) - TSk а 10 %. Для смолы полукоксования из забайкальских углей (без конкретизации месторождений), по данным [22, 102], характерен низкий выход легких фракций. Состав и свойства полукоксов не изучались.
Угли Апсатского месторождения марок Ж - ОС испытаны на укрупненной установке слоевым коксованием. Установлены при этом их высокие потребительские свойства. В ряде случаев проявилась аномальность поведения апсатских углей в процессе коксования: угли одной марки и даже с одним кодом (по ГОСТ 25543-88) давали кокс разного качества [27, 72, 111]. Установлена возможность получения кокса их шихт, включающих, наряду с южно-якутскими хорошо коксующимися углями, харанорские (10-15 %), зашуланские (30 %), олонь-шибирские (30 %) [22, 102].
Брикетированием без связующих харанорских углей пласта I получены механически прочные, но невлагостойкие брикеты (Алферов, 1962), что по аналогии распространено и на другие бурые угли региона.
По ГОСТ 10100-84 обогатимость олонь-шибирских углей - от средней до очень трудной (Михелис, 1959). У апсатских при крупности 0-13 мм по этому ГОСТу она была очень трудной, при обогащении в тяжелых средах (сепаратор + гидроциклон) на укрупненной установке -удовлетворительная [27,111].
Оценивалась возможность использования харанорских углей в ,ряде технологических процессов. Проводилась газификация углей пластов IV и V. В опытах с углем пласта IV не достигнуто устойчивого процесса. С углем пласта V процесс шел устойчиво, получен газ с высокой калорийностью, отмечена перспективность его применения в производстве газа, направляемого на синтез (Алферов, 1962). На стендовой установке получены удовлетворительные результаты по гранулированию со связующими мелочи от добываемого угля [78]. Исследованы угли пласта Новый 1а с участков 1, 3, 6 и из зоны окисления в полосе выходов под наносы; Из всех неокисленных углей получены близкие выхода гуматов (-38 %), из окисленных - всего 32 % [59].
Процессы окисления углей, независимо от стадии метаморфизма, в естественных условиях приводят к изменениям, обычно закономерным, всех химических и технологических показателей, применяемых в настоящее время для характеристики их состава и свойств. Оценке качества углей в зоне окисления уделяется значительное внимание, т.к. окисленные угли способны потерять свои потребительские свойства [31]. На всех рассматриваемых месторождениях проводилось изучение изменения качества углей в зоне окисления, для оценки технически годных запасов. Методики работ при этом были различны в зависимости от периода работ, целевого назначения и марки углей. На всех месторождениях, кроме Апсатского, основными критериями оценки качества углей в зоне окисления были изменения значений таких параметров, как влага общая, теплота сгорания, выход гуминовых кислот у углей верхних горизонтов относительно их у углей неокисленных. Только на Олонь-Шибирском и Апсатском месторождениях был выполнен цикл специальных исследований для этой цели. На Зашуланском месторождении в 90-х годах, кроме указанных параметров, проводилось изучение степени окисления углей по ГОСТ 8930-94 петрографическим методом (показатель ОКп, %) [92].
Современные представления о структуре углей НЦ Обоснование влияния структурно-тектонических особенностей месторождений на качество углей
Необходимость системной оценки состава, свойств и потребительской ценности углей Восточного Забайкалья вызвана: 1. Возможностью многоцелевого использования углей любой стадии метаморфизма при различии требований к их качеству в конкретных процессах [31]. 2. Разнообразием состава и свойств углей из-за сложного взаимодействия факторов углеобразования, среди которых особое значение, наряду с исходным растительным материалом, обводненностью торфяников и химическим составом среды преобразования в них органического материала, имеет тектонический режим областей угленакопления [24, 31]. Дифференциация тектонических воздействий на угленосные площади Восточного Забайкалья создает предпосылки для специфических условий углеобразования на каждой из них [117, 118], несмотря на ряд сходных черт в их геологический истории [67]. 3. Необходимостью выявить возможные и рациональные направления использования углей различных месторождений с учетом конкурентоспособности их как между собой для каждого конкретного процесса, так и для углей одного месторождения в различных процессах, а также социальных и экономических особенностей региона и его отдельных районов в условиях рыночных отношений [12, 65]. 4. Особенностями состава и свойств углей из тектонически активных зон земной коры (Таймырский, Тунгусский бассейны), с одной стороны, не-доизученностью их у забайкальских углей, что создает перспективу выявления у них новых потребительских свойств ввиду уникальности тектонической составляющей в комплексе факторов углеобразования. Для решения задач с целью разработки научных основ рационального использования углей Восточного Забайкалья на основании анализа и синтеза литературных и справочных данных, современных научно-исследовательских разработок практики переработки углей принята методика исследования, включающая три этапа: 1. Изучение состава и свойств углей, а также продуктов их переработки углепетрографическим, химическим, спектральным, термическим, гранулометрическим, биологическим методами, фракционированием в тяжелых жидкостях. 3. Системная оценка потребительской ценности исследованных углей на основании комплексов углепетрографических и технологических параметров по ЕК-88 (ГОСТ 25543-88) для внутреннего ранка и по МК-88 (ГОСТ 30313) для внешнего рынка. 3. Изучение потребительских свойств углей, направлений их рационального использования и сравнительная оценка их пригодности как многоцелевого сырья на основе: - рекомендаций ЕК-88 (ГОСТ 25543-88), справочных и литературных данных; - требований к качеству угольного сырья в различных процессах его переработки, отраженных в ГОСТе 28663-90 и др., справочных и литературных источниках; - состава и свойств исследованных углей и продуктов переработки (рис. 3).
Анализ взаимосвязей углепетрографических и технологических параметров углей, и влияние на них факторов углеобразования выполнены на основе: Использование стандартизированной и унифицированной научно-технической документации для изучения состава и свойств, углей позволяет выполнить прогнозные системные и сравнительные оценки их пригодности как многоцелевого сырья с углями различных бассейнов и месторождений, в т.ч. зарубежных, и создать технологические основы прогнозного определения их конкурентоспособности на сырьевых рынках и для постановки экспериментов для более глубокого изучения потребительских свойств. Изучение состава и свойств произведено по стандартным методикам (табл. 3). Угле-петрографические, большая часть углехимических, химические (состав золы, содержания суммы редкоземельных элементов и германия), приближенно количественный спектральный (золы), фракционный и гранулометрический анализы выполнены в соответствующих подразделениях ЛИЦИМСа; выхода продуктов полукоксования, состав и свойства смолы и полукокса методами полукоксования и дериватографии определены в Институте нефти - и угле-химического синтеза Иркутского государственного университета; элементный (С, Н, N, О) и количественный спектральный (Pb, Zn, Си, Со, Ni, V, Сг, Be, Mn, Ва, Mo. Ga) анализы углей, оценка плавкости золы исследованы в Западно-Сибирском испытательном центре АООТ «Забсибгеология» (г. Новокузнецк); состав функциональных активных групп в гуминовых кислотах и биологическая активность гуматов установлены в ИГИ (г. Москва).
В ходе исследования использованы нестандартные методики, предложенные и обоснованные автором для оценки: - степени окисления углей петрографический метод по ГОСТ 8930-94, дополненный дифференциацией общего содержания окисленных зерен (Окп, %) по степени окисления; - степени восстановленности углей на базе методологического подхода, примененного для обобщения данных о восстановленности углей СССР и их классификации по этому свойству в ИГИ, основанного на дифференцировании классификационных технологических параметров (Vdat или Tskdaf, у или IS, AR) В зависимости от значений показателя отражения витривита (R0) и петрографического состава [31]; - металлоносности углей на основании отношения содержаний малых элементов к их минимальным промышленно значимым концентрациям («порогам» ценности [117]).
