Экологические аспекты брикетирования углей

В этом способе учета пластических деформаций сложность решения задачи заключается в правильном определении компоненты 1/<х>(Р) условия совместности деформаций (1). Те приемы, что известны в геомеханике, будут неприемлемы в рассматриваемом варианте, так как при каждом этапе расчета возможно различное толкование компоненты и<х>(Р) и способа ее определения.

Таким образом, предлагаются разные методы

расчета параметров взаимодействия при совместном деформировании многолетнемерзлого породного массива и крепи выработки, учитывающие, что породный массив на протяжении длительного периода эксплуатации выработки, в зависимости от сезонных изменений теплового режима выработки, имеет тенденцию постепенно накапливать пластические деформации в приконтурной области породного обнажения.

_♦*♦ _

УДК 662.74:628.56

Экологические аспекты брикетирования углей

Г.И. Петрова, В.А. Михеев, Л.Е. Моисеев

Статья посвящена экологическим аспектам брикетирования углей. Исследовалась механическая прочность брикетов, полученных из бурых углей Ленского бассейна с добавлением гуминовых веществ и экологически чистых отходов деревообрабатывающей промышленности (древесных опилок). Показана возможность производства экологически чистых топливных брикетов из бурых углей Ленского бассейна.

Article dedicated of the ecological aspects ofcoal briquetting. Breaking strength of briquettes derived from brown coals oj Lensk basin with addition of humus substances and ecological clean withdrawals of wood treatment industry (sawdust) is investigated. The possibility ofproduction of ecological clean fuel briquettes from brown coals of Lensk basin is shown.

Основные экологические аспекты окусковыва-ния (облагораживания) ушей следует рассматривать со следующих точек зрения:

а) экологическая оценка добычи угля;

б) экологическая оценка сырья и его влияние на выбросы вредных веществ при сжигании;

в) оценка экологичности, в частности, степени канцерогенное™ связующих материалов и влияния состава угольных брикетов на выбросы вредных веществ при сжигании;

г) экологическая оценка технологии производства окускованного топлива.

Особо следует отметить получение брикетов из твердых отходов добычи и обогащения угля как меру защиты природной среды (утилизация), т.е. технологии и производства, связанные с утилизацией отходов.

Перспективность сырья для производства полноценного бытового топлива методом брикетирования оценивается, прежде всего, по показателям

ПЕТРОВА Галина Ильинична, в.н.с. ИГДС СО РАН, д.т.н.; МИХЕЕВ Валерий Александрович, с.н.с. ИГДС СО РАН, к.т.н.; МОИСЕЕВ Лаврентий Борисович, м.н.с. ИГДС СО РАН

качества (теплота сгорания, зольность, гранулометрический состав и др.) и минеральному составу. Не менее важной является экологическая оценка качества сырья и продуктов его сжигания. Поэтому в Институте угля и углехимии СО РАН (ИУУ СО РАН) в настоящее время активно ведутся работы по созданию геоинформационных систем (ТИС) и ГИС-проекта геолого-промышленной карты Кузбасса [1], которая содержит информацию по геохимии угленосных объектов Кузнецкого бассейна [2-4], в том числе - по примесям в углях как ценных, так и экологически опасных химических элементов. Трудно переоценить значимость таких проектов для производственно-экономического развития любого региона.

Интересной представляется экологическая оценка техногенного сырья и многоцелевой подход при утилизации отходов углеобогащения, предложенный Санкт-Петербургским государственным горным институтом - СПГТИ (ТУ) и ОАО «Вор-кутауголь». Ухудшение качества добываемого угля (повышение зольности, засорение вмещающими породами) обуславливает устойчивую тенденцию к увеличению объемов твердых отходов при обо-

гащении углей. Ежегодный их прирост на угледобывающих предприятиях Печорского бассейна достигает 300 и более тысяч тонн [5].

Существующие хранилища отходов углеобогащения оказывают негативное влияние на окружающую природную среду, так как отходы характеризуются повышенным содержанием некоторых вредных и опасных элементов (№, V, Мп, Б, Си и др.), которые увеличивают общее техногенное геохимическое загрязнение среды. Каменноугольные шламы (твердые отходы обогащения углей) при экзогенных процессах (выветривании, дефляции) попадают в окружающую среду: в бассейны близлежащих рек, атмосферу и почву, что увеличивает экологическую напряженность в северном регионе.

СГПТИ (ТУ) и ОАО «Воркутауголь» считают целесообразным изучение вопроса брикетирования шламов сочетать с вопросом попутного извлечения не одного, а целого комплекса редких металлов. Эффективная утилизация отходов добычи и обогащения угля, как считают авторы [5], может быть достигнута только при многоцелевом использовании их в качестве сырья для различных отраслей народного хозяйства в рамках существующего территориально-промышленного комплекса.

Кафедрой генетики КемГУ проведен анализ суммарной мутагенной активности угольной пыли [6]. Институтом органической химии АН Киргизской ССР исследована токсичность поликарбоно-вых кислот, получаемых при лабораторном окислении каменных углей. Подтверждена гипотеза, что большая токсичность высокометаморфизован-ных углей при антракозе определяется большим содержанием ароматических кислот и большей их основностью [7].

Таким образом, только всестороннее качественное изучение сырья (угля, углеродсодержащих отходов, техногенного сырья) позволит выявить, во-первых, эффективность его переработки в том или ином направлении; во-вторых, возможность использования не только в виде окускованного топлива (брикетов, гранул и др.), но и, например, в виде ценных металлов и компонентов А1, Бе и др.; в-третьих, в продуктах сжигания, золошлаках, потенциально опасные токсиканты, например, хром и марганец, а также другие экологические ограничения.

Программа «Чистый уголь», проведенная в рамках российско-американского проекта по природоохранной политике и технологии в г. Новокузнецке, показала не только эффективность использования сортированных и обогащенных углей в совокупности с наладкой теплового режима для каж-

дого вида топлива, но также и перспективу применения малодымного и бездымного топлива [8, 9]. В СПТТИ (ТУ) проводилось моделирование сценариев воздействия объектов топливно-энергетического комплекса на воздушный бассейн мегаполиса с учетом работы котельной на двух видах топлива (уголь и мазут). В качестве основных токсичных компонентов рассматривались диоксид азота, сернистый ангидрид и бенз(а)пирен. Моделирование рассеивания вредных веществ в атмосфере проводилось с помощью пакета программ серии «Эколог» [10]. Отмечено, что при использовании в качестве топлива угля концентрация бенз(а)пи-рена возрастала с увеличением мощности.

Рассмотрим такой экологический аспект, как оценка технологических свойств и канцероген-ность связующих материалов, используемых для брикетирования. В этом плане примечательным является факт закрытия Донецкой брикетной фабрики, введенной в эксплуатацию в 1956 г. и имевшей производительность 500 тыс. т в год бытовых брикетов со связующим на основе нефтебитумов. Закрытие фабрики явилось следствием различных причин, в том числе высокой стоимости нефтебитумов и их абсолютной экологической неприемлемости [11].

В лаборатории новой техники коксования ВУХИН выработан определенный подход при выборе связующих веществ для брикетирования. Выбор вида связующего для брикетирования определяется, прежде всего, его доступностью, экономической целесообразностью, отсутствием возможного отрицательного влияния на технологический процесс и наличием вредных примесей, способных ухудшить качество конечного продукта. Установлено, что не все виды рекомендуемых связующих пригодны для этого [12].

Медицинским научным центром и ВУХИН (г. Екатеринбург) изучены технологические свойства и канцерогенность связующих материалов угольного и нефтяного происхождения: пеков марок «Б», «В», «Г» (ГОСТ 10200-83, 1038-72), каменноугольной смолы, нефтяного пиролизного пека Новоуфимского нефтеперерабатывающего завода, смолопека и др. Показано, что в производствах пекового кокса, электродных изделий, анодных масс и других воздух рабочей зоны всех технологических «переделов» загрязняется веществами, содержащими в своем сЬставе канцерогенные и токсичные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) [13]. Так, «ПАУ-профиль» [14, 15] включает порядка 16 ароматических углево-

дородов, обладающих токсичностью или канцерогенной активностью.

Для первичной комплексной оценки опасных с точки зрения канцерогенности сырья и технологических выбросов разработан и применен интегральный индекс канцерогенности (ИКИ) [13], для чего применяют условные экспертные показатели, основанные на экспериментальных данных [16, 17]. Из 42 ПАУ лишь в отношении 12 был сделан вывод о доказательной их канцерогенности для животных и требовании таких же профилактических мероприятий, как и для агентов, канцероген-ность которых доказана и для людей. К ним относятся следующие ПАУ, обладающие [17]:

очень сильным канцерогенным действием -дибенз(а,Опирен;

сильным канцерогенным действием -бенз(а)пирен, дибенз(а,1})антрацен;

средней силы канцерогенным действием - кар-базол;

слабым канцерогенным действием - хризен, бенз(а)антрацен, бенз(к)флуорантен.

Расчет интегрального индекса канцерогенности производился по семи с достаточной достоверностью канцерогенным ПАУ из группы приоритетных соединений с учетом их долевого вклада (%-го содержания в смолистых возгонах) и условных индексов силы канцерогенного действия [17].

Были выполнены сравнительные сжигания различных видов топлива на установках по определению степени дымности в институте (СЯЕ) в Великобритании и на установке ИГИ-ЭНИН [18].

Очень важным экологическим аспектом при брикетировании углей является определение влияния состава угольных брикетов на выбросы вредных веществ при сжигании. В работе [9] приведены результаты исследований выбросов широкого спектра загрязняющих веществ (пыль, оксиды серы, азота и углерода, 3-4-бенз[а]пирен, аммиак, цианистый водород, фенол, сероводород) при сжигании в слоевой топке стендовой котельной установки угольных брикетов различного состава. Работа выполнена ОАО «ЗСМК», Кузнецким филиалом ВУХИН совместно с кафедрой теплотехники печей и газоочистки СибГИУ. Сжигание топлив проводилось в топочной камере объемом 0,16 м3. Определение концентраций загрязняющих веществ в дымовых газах выполнялось в соответствии с методиками [19].

Представлены характеристики исследованных топлив: брикетов, изготовленных на основе углей разных марок с использованием различных связую-

щих веществ и каталитических добавок, и рядового угля марки Г, принятого в качестве базы сравнения. Приведены значения удельных выбросов вредных веществ при сжигании исследуемых топлив в слоевой топке стендовой котельной установки [9].

Полученные данные позволяют сделать вывод, что применение брикетов далеко не всегда позволяло улучшить экологию процесса сжигания, которая в значительной мере зависит от типа связующего материала. Так, при сжигании брикетов, содержащих нефтяное связующее «Брикетин», выбросы пыли и продуктов неполного сгорания снижались незначительно (вероятно, вследствие интенсивного сажеобразования при термическом разложении нефтепродуктов); мало изменялась величина выбросов продуктов неполного сгорания и оксида серы, а выбросы бенз(а)пирена даже возрастали.

Однако результаты этих исследований показали, что использование брикетированного топлива открывает возможности целенаправленного регулирования образования экологически опасных соединений непосредственно в процессе сжигания путем ввода в состав брикетов различных добавок. Использование комбинированного связующего на основе каменноугольной смолы, гуматосодержаще-го материала и каталитических добавок позволило получить брикеты с отличными экологическими свойствами, обеспечивающими значительное снижение выбросов относительно базового топлива при отсутствии продуктов неполного сгорания [9].

Министерство промышленности РС(Я) рассматривает возможность создания брикетного производства на ряде угледобывающих предприятий Якутии с относительно небольшой мощностью (разрез Кемпендяйский, разрез Кировский, разрез Кангаласский), а также на существующих и проектируемых обогатительных установках угледобывающих предприятий Южной Якутии [20].

В этом плане уместно представить следующие варианты:

- для брикетирования шламов: создание брикетных цехов, мини-фабрик, брикетных производств модульного типа при действующих обогатительных фабриках и установках с максимальным использованием существующих инженерных сооружений и коммуникаций;

- для брикетирования бурых углей: создание брикетных производств модульного типа при действующих небольших угольных разрезах.

Более приемлемым для ритмичной работы фабрики в условиях Крайнего Севера представляется

не транспортировка различных нефтебитумных связующих, а поиск и применение местных экологически чистых и дешевых связующих. С этой целью в ИГДС СО РАН разработаны новые способы брикетирования углей без привозного связующего, в частности, способы изготовления топливных брикетов на основе местных экологически чистых связующих: торф и древесные опилки. Предложена упрощенная технологическая схема брикетного производства для Кировского разреза [21-24].

Проведены также исследования по брикетированию кангаласских бурых углей (КанБУ) с гума-тами калия (ГК) в виде связующего при температуре нагрева 90°С. Полученные данные приведены в таблицах 1,2.

Таблица 1

Механическая прочность на сжатие Стсж брикетов, полученных из углей крупностью - 6 мм при давлении брикетирования 78,1 МПа (диаметр брикета 40 мм) с гуматом калия в виде связующего

Состав брикета,% мае. на сухое состояние Си,, МПа

КанБУ99 + ГК1 2,5

КанБУ 90 + ГК10 2,8

КанБУ80 + ГК20 5,6

Таблица 2

Механическая прочность на сжатие асж брикетов, полученных из углей крупностью - 5 мм при давлении брикетирования 102,0 МПа (диаметр брикета 35 мм) с гуматом калия и опилками в качестве связующего

Состав брикета,% мае. на сухое состояние Ос«, МПа

КанБУ90 + 7,5 опилки + 2,5 ГК 6,94

КанБУ90 + 5,0 опилки + 5,0 ГК 6,13

КанБУ80 + 10,0 опилки + 10,0 ГК 11,7

Из данных, приведенных в табл. 1, 2, видно, во-первых, что механическая прочность брикетов зависит от давления брикетирования, состава бри-Кета, во-вторых, при давлении брикетирования 78,1 МПа, крупности - 6 мм и содержании ГК 1% в составе брикета получена прочность 2,5 МПа (табл. 1), а при содержании 20% ГК - 5,6 МПа (табл. 1), в-третьих, при брикетировании смеси угля, ГК и опилок (табл. 2) прочность брикетов на сжатие увеличилась до 11,7 МПа.

В настоящее время патентуется способ получения брикетов, в котором в качестве связующего используются бытовые отходы.

Таким образом, существует реальная возможность получения не только механически прочных, но и экологически чистых топливных брикетов из бурого угля Кангаласского месторождения Ленского угольного бассейна.

Литература

1. Нифантов Б.Ф., Кирильцева H.A., Kapmauio-ва О.Н. и др. Использование ГИС-технологий для со-

ТЧХГ* ------- ----— ...............---/%,_

Villi 1ИЛ Í ZAWlipWWIVlCl 1 WVJJ1VJ1 и~11ри»Ю1ШЛЪППиЛ IVapiDl Ií~

басса // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды Междунар. науч.-практич. конф. Кемерово: ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2004. С. 16-17.

2. Нифантов Б.Ф., Потапов В.П., Митина Н. В. Геохимия и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов в кузнецких углях. Перспективы переработки. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003. 108 с.

3. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горлов-ский, Западно-Сибирский бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай). М.: ООО «Геоинформцентр», 2003. 604 с.

4. Назаров И.В. Использование информационных технологий для повышения эффективности недроис-пользования // Информационные недра Кузбасса: Труды III региональной научн.-практич. конф. Кемерово: ИНТ, 2004. 281 с.

5. ШуваловЮ.В., Нифонтова Т.И., Экгарт В.И. Переработка твердых отходов добычи и обогащения угля Печерского бассейна как мера защиты природной среды // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. №7. С. 95-98.

6. Толочко Т.А., Валов Т.В., Шин М.А. Анализ суммарной мутагенной активности угольной пыли (на примере Новокемеровской ТЭЦ) // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс-2004: Материалы X Международной научно-практической конф. (Кемерово, 23-24 ноября 2004 г.) / Редкол.: Ю.А. Антонов и др.Кемерово: ГУ КузГТУ, 2004. С. 223-225.

7. СарымсаковШ.С., КоролеваР.П., Литвиненко Т.А., Кухаренко Т.А. Токсичность поликарбоновых кислот, получаемых окислением углей // Химия твердого топлива. 1989. №6. С. 109-110.

8. Волынкина Е.Л., Купчик М.Б., Keypm М.М., Пряничников Е.В., Ерошенко В.Ф. Программа «Чистый уголь» проекта по природоохранной политике и технологии // Уголь. 1997. № 4. С. 65-67.

9. Волынкина Е.П., Кудашкина С.А., Страхов В.М. Влияние состава угольных брикетов на выбросы вредных веществ при сжигании // Кокс и химия. 1998. № 9. С. 42-44.

10.Домпальм Е.И., Гендлер С.Г., Кузнецов B.C. и др. Оценка влияния загрязнений атмосферы предприятия-

ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ КРИОЛИТОЗОНЫ

ми топливно-энергетического и автотранспортного комплексов в районах плотной городской застройки // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 4. С. 205-208.

11. Герасимчук Д., Анищенко В., Скрабов В., Касьянов Ю. Перспективные направления развития угольной промышленности Украины // Бизнес-информ. 1999. 14 июля.

12. Рывкин И.Ю., Еремин А.Я., Литвин Е.М., Бабанин В. И. Брикетирование мелкозернистых и тонкодисперсных материалов со связующим // Кокс и химия. 2000. № 10. С. 36-43.

13. Слышкина Т.В., Кузьминых А.И., Сухорукое В.И. Технологические свойства и канцерогенность связующих материалов угольного и нефтяного происхождения //Кокс и химия. 1998. №3. С. 26-31.

14. Алексеева Т.А., Теплщкая Т.А. Спектрофлуори-метрические методы анализа ароматических углеводородов в природных и техногенных средах. JI.: Гидроме-теоиздат, 1981. 215 с.

15. Косой Г.Х. К изучению канцерогенной опасности каменноугольной смолы // Гигиена и санитария. 1986. № 3. С. 77-78.

16. Канцерогенные вещества // Материалы Международного агентства по изучению рака: Справочник / Под ред. B.C. Турусова (Пер. с англ.). М.: Медицина, 1987.315 с.

17. US Dep. of Labor-Orrup. Sofety and Health Administration. Code of Federal Regulations. Title 29, Porn 1990, Federal Register. 1980. V. 45 (book2). P. 5002-5296.

18. Головин Г.С., Рубан В.А., Фомин А.П., Потапенко О.Г. Современные направления получения окуско-

ванного бездымного топлива для малых энергетических установок и бытовых печей // Уголь. 1996. № 2. С. 38-42.

19. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Метеоиздат, 1987.

20. Новиков М.В. Вопросы организации и перспективы развития углебрикетного производства в Республике Саха (Якутия) // Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых Южной Якутии: Сб. материалов II респ. научно-прак-тич. конф. (Нерюнгри, 19-21 октября 2004 г). Якутск: Изд-во Якутского госуниверситета, 2005. С. 310-316.

21. Патент 1804093 РФ, МКИ С 10 L 5/04. Способ обработки бурого угля / Г.И. Петрова, М.И. Бычев, С. П. Кулагин, Е.Ю. Кулагина / Институт горного дела Севера СО РАН; Заявл. 11.12.1990; Опубл. 20.04. 1996. Изобретения. 1996. № 11. С. 272.

22. Патент 2173697 РФ, МКИ С 10 L 5/04. Способ получения брикетов из бурых углей / Г.И. Петрова, И.Г. Худякова / Институт горного дела Севера СО РАН; Заявл. 22.10.1999; Опубл. 20.09.2001. Изобретения. Полезные модели. 2001. № 26. С. 280.

23. Бычев М.И., Кононов В.Н., Петрова Г.И., Быкова Т.И., Худякова И.Г., Васильева H.A., Михеев В. А. Перспективы создания брикетных производств в Республике Саха (Якутия) // Наука и образование. 1997. № 4(8). С. 74-76.

24. Петрова Г.И., Григорьев С.Н., Бычев М.И. и др. Перспективы развития Кангаласского угольного района за счет создания углеперерабатывающих предприятий // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 11. С. 302-304.

УДК 54:551.34

Газовые гидраты криолитозоны

С.М. Федосеев

Приведены краткие сведения о встречающихся в толщах многолетнемерзлых пород газовых гидратах. Обоснована необходимость проведения исследований физико-механических свойств горных пород криолитозоны, где вероятны реликтовые газовые гидраты. Приведены результаты исследований физико-механических свойств гидратосодержащих горных пород, проведенным ИГДС имени Н.В. Черского СО РАН

The paper gives a brief description of gas hydrates occurring within perennially frozen rocks. Shown is a necessity of investigation of physical-mechanical properties of rocks in the cryolitic zone where relic gas hydrates are likely to occur. Given also some results ofstudies of physical-mechanical properties of hydrate-saturated rocks performed in Chersky Institute of Northern Mining (Siberian Branch of Russian Academy of Sciences).

Газовые гидраты относятся к обширному классу молекулярных соединений - нестехиометричес-ким соединениям включения, или, как их иначе

ФЕДОСЕЕВ Семен Михайлович, н.с. ИГДС СО РАН 22 _

называют, клатратам. По общепринятым современным представлениям [1,2], у газовых гидратов (водных клатратов) ажурная кристаллическая решетка хозяина построена из молекул воды, соединенных друг с другом водородными связями. Молеку-