Утилизация отходов при добыче угля

 

Министерство образования  и науки Украины

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

 

 

 

 

 

Кафедра прикладной экологии и химии

 

 

Реферат

на тему: «Утилизация отходов при добыче угля»

 

 

 

Выполнила

ст. гр. ЗЭкол – 44                                                                            Назаренко Е. И. 

 

Проверил                                                                                          Кравец В.А.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Макеевка 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………3

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОТХОДОВ……..……………………….4
1. Отходы при добыче угля……………………………………….…..4
2. Шлаки……………………….………………………………………..6
2. УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ……….……………………………………..11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….13

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК………………………………………………………...14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Охрана природы – система  мер, направленных на поддержание рационального  взаимодействия между деятельностью  человека и окружающей природной  средой, обеспечивающих сохранение и  восстановление природных богатств, разумное использование природных  ресурсов, предупреждающих вредное  влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека. Все это делается в интересах  настоящего и будущего поколений  людей. Эти мероприятия должны научно обосновываться, и могут осуществляться на разных уровнях: международном, государственном, ведомственном, производственном, общественном, индивидуальном.

В настоящее время уничтожение  твердых, жидких и газообразных отходов  производства и быта становится таким  же сложным делом, как и развитие самого производства. Количество отходов  возрастает соответственно количеству использованных ресурсов, и те отходы, которые природа не может переработать, накапливаются и загрязняют окружающую среду. Все более важное место  в охране природы начинают занимать санитарно-гигиенические меры: борьба с загрязнением воды, атмосферного воздуха и т.д. Ученые начали работать над формированием среды обитания, то есть таким преобразованием биосферы, которое обеспечило бы наиболее благоприятные  условия жизни для организмов. 

Природные ресурсы – это  те средства существования человеческого  общества, которые имеются в природе  независимо от человека или воссозданы, преумножены природой при его  содействии, то есть это сырье для  промышленности, нефть, каменный уголь  для энергетики, а также посаженный лес и хлеб, выращенный человеком  в поле.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  ОТХОДОВ

 

 

 

 

К отходам топливно-энергетической промышленности относятся продукты, получаемые в виде отходов при  добыче, обогащении и сжигании твердого топлива. Эту группу отходов разделяют  по источнику образования, виду топлива, числу пластичности минеральной  части отходов, содержанию горючей  части, зерновому составу, химико-минералогическому  составу, степени плавкости, интервалу  размягчения, степени вспучиваемое.

 

 

1.1Отходы при добыче  угля

 

 

            Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли. При добыче и обогащении углей побочными продуктами служат шахтные и вскрышные породы, отходы углеобогащения.

Шахтные отвальные породы наиболее часто представлены аргиллитами, алевритами, песчаниками, известняками.

          Метаморфизированные аргиллиты, алевриты и песчаники обладают высокой плотностью и, как правило, трудно размокают в воде. Их можно отнести к малопластичному или непластичному глинистому сырью.

По сравнению с глинами  аргиллиты обладают более высокой  прочностью, которая составляет 2—4 МПа при естественном залегании. Алевриты по сравнению с аргиллитами  имеют более крупнозернистое  строение.

Для применения в производстве строительных материалов наибольший интерес  представляют отходы углеобогащения, характеризуемые наименьшими колебаниями  состава и свойств. Содержание угля, не выделенного в процессе обогащения, может достигать 20%. Отходы углеобогащения представлены обычно в виде кусков крупностью 8—80 мм.

В соответствии с типовыми схемами технологического процесса обогащения уголь из шахт после измельчения  подвергают гидравлической классификации  по крупности, затем обогащают методом  гравитации, выделяя концентрат, промышленный продукт и породу (отходы гравитационного  обогащения углей). При обезвоживании  концентрата выделяют шлам с размером зерен менее 1 мм, который направляют на флотацию. После флотационного  обогащения получают концентрат и отходы флотации (хвосты). 

 

 

 

           В зависимости от способа получения отходов и их класса по крупности содержание угля, а соответственно химический состав и число пластичности изменяются в широких пределах. Наибольшее количество угля (10—30%) находится в отходах флотации. В отходах гравитационного обогащения класса 1—13 мм количество угля может достигать 15%, а в отходах класса 13—150 мм — 4—7%. В отходах угледобычи содержание угля колеблется от 0 до 10%. Весьма важным ограничивающим фактором применения отходов обогащения углей является наличие в них серы. Содержание ее, например, в породах центрального Донбасса достигает 3—4%.

Влажность отходов зависит  от способа их получения. Естественная влажность аргиллитов 4—5%. Отходы флотации углей, добываемые из шламонакопителей, имеют влажность 25—30%.

           В отличие от отвальных пород угольных шахт отходы углеобогащения характеризуются более высоким содержанием угля, более стабильным вещественным составом, меньшим содержанием песчаников и большим содержанием аргиллитов, увеличением содержания серы и уменьшением механической прочности.

            Продуктами обжига пустых пород, сопутствующих месторождениям каменных углей, являются горелые породы. Их разновидностями являются глиежи — глинистые и глинисто-песчаные породы, обожженные в недрах земли при подземных пожарах в угольных пластах, и отвальные перегоревшие шахтные породы.

            Залежи природных горелых пород широко распространены в различных регионах. Истинная плотность их составляет 2,4—2,7 г/см3, средняя плотность — 1300—2500 кг/м3, прочность на сжатие — 20—60 МПа. По основным физическим и химическим свойствам они близки к глинам, обожженным при 800—1000 °С. Химико-минералогический состав горелых пород разнообразен, однако общим для них является наличие активного глинозема в виде радикалов дегидратированных глинистых минералов или в виде активных глинозема, кремнезема и железистых соединений. В отличие от зол и шлаков горелые породы почти не содержат стекловидных компонентов и характеризуются высокой сор-бционной способностью. Содержание несгоревшего топлива в глие-жах достигает 2—3%, в отвальных горелых породах оно может быть более значительным.

К горелым породам, наряду с природным сырьем, относятся  и перегоревшие пустые шахтные породы, содержащие минимальное (менее 5%) количество углистых примесей и минеральную  глинисто-песчаную часть, обожженную в  той или иной степени. Породы смешаны  с отходами угля, горючих сланцев, серой и др. Под действием кислорода  воздуха уголь и сера окисляются и самовозгораются, а под влиянием высоких температур (до 1000 °С) порода подвергается естественному обжигу. Органические примеси при этом частично выгорают. Наиболее интенсивно горят породы в терриконах шахт с коксующимися или антрацитовыми углями. Степень обжига горелых пород зависит от многих причин. Неравномерное поступление влаги в горячий слой породы, неравномерное количество воздуха, соприкасающегося с поверхностью породы в терриконе, а также большое количество мелких фракций, затрудняющих доступ кислорода к очагам горения, приводит к тому, что обжиг происходит крайне неравномерно, несмотря на высокую температуру в терриконе. В результате образуется материал различной степени обжига с неодинаковыми физико-механическими свойствами. Неоднородность материала в терриконе — один из его существенных недостатков. Размер частиц колеблется в пределах от 40 см до долей миллиметра. В терриконах встречаются плотные и пористые разновидности горелых пород.

 

 

 

1.2 Шлаки

 

           Угольный шлак не имеет определенной точки плавления.   Угольные шлаки отличаются от доменных своим составом. Угольный шлак является ценным строительным материалом. 

          Угольный шлак отличается от доменного, прежде всего, сравнительно малым содержанием окиси кальция и высоким содержанием окиси железа. Щелочность доменного шлака, выраженная отношением CaO / SiO2, оказывается значительно большей. 

          Угольный шлак из топки с жидким шлакоудалением представляет собой сравнительно чистое вещество. По своим физическим свойствам гранулированный шлак напоминает разбитое стекло. Он также тверд, и кусочки имеют остроконечную форму; его с трудом удается связать такими веществами, как зола, песок, глина, цемент и др. Некоторые шлаки по истечении определенного времени распадаются в результате внутреннего напряжения, превращаясь в пыль. 

          Гранулированный угольный шлак в большинстве случаев имеет черную окраску, образовавшуюся из-за содержания в шлаке двухвалентного железа. Существуют шлаки оливково-зеленого, коричневого и белого цветов. Окраска каждого обусловлена содержанием или отсутствием какого-либо окисла. Шлак, размельченный в порошок, имеет серую окраску, как цемент. 

           Большинство угольных шлаков являются Кислыми, характеризующимися большим содержанием окислов кремния. Испытания этих шлаков показали, что их вязкость является функцией отношения содержания окислов кремния к содержанию остальных составных частей шлака. 

          Шлаковый бетон, тощий бетон  из угольных шлаков и цемента, применяется только для заполнения волн у потолков из волнистого железа на высоту по крайней мере 5 см над высшей точкой волны, а также для забутовки бетонных сводов в углах выше уровня балок. 

            Если в тепловом балансе циклонной топки теплосодержание угольных шлаков составляет примерно 1 %, то в технологической плавильной камере теплосодержание расплавляемого материала становится одной из основных статей расхода и достигает 15 - 30 % от общего количества затраченного тепла. 

            Опыт работы доменных печей свидетельствует о том, что для восстановления железа в камере плавления топок с жидким шлакоудалением нет необходимых условий. Неблагоприятными являются как низкая щелочность большинства угольных шлаков, так и малое время нахождения шлака в камере топки. 

           Для современных топок с жидким шлакоудалением добавление флюса в большинстве случаев является излишним. Температура факела над шлаковой ванной свыше 1 700 С гарантирует хорошую текучесть почти всех угольных шлаков. Добавлять известняк в кислый шлак невыгодно также из-за распада силикатов железа по реакции ( 6), благодаря которой облегчается восстановление железа. Кроме того, в результате добавки флюсов увеличивается количество шлака, вытекающего из топки, а следовательно, растет потеря тепла с физическим теплом шлака. 

           Низкая щелочность шлака топок с жидким шлакоудалением вызвана большим содержанием окиси кремния, который, соединяясь с окислами железа, образует силикат железа. Если щелочность доменных шлаков, определяемая отношением CaO / SiO2, бывает больше единицы, то щелочность, большинства угольных шлаков значительно меньше единицы. Из кислых шлаков железо удается восстановить только посредством добавления извести, которая соединяется с окислом кремния. Если же окись кальция в шлаке содержится в небольшом количестве, то она может восстановить лишь малое количество железа; большая часть железа останется в шлаке в виде закиси железа, связанной с окисью кремния. 

            Место расположения заземлителей определяется проектом. Однако, если во время их монтажа обнаружится, что в этом месте на глубину более 3 м насыпан строительный сор, угольный шлак и другой плохо проводящий грунт, для забивки электродов выбирают другое место. Также переносят в другое место электроды, если грунт скальный или мерзлый. 

            Так как химический состав шлака зависит от химического состава сжигаемого угля, то его использование в хозяйстве затруднено. Малая пригодность шлака в качестве сырья для производства цемента объясняется главным образом его меняющимся химическим составом. Большое содержание окиси кальция, выгодное для производства цемента, имеет место в угольных шлаках очень редко. Большая твердость и плохая размолоспособность препятствуют использованию его для производства цемента. 

 

             Шлаки — основной вид отходов при кусковом сжигании топлива. При пылевидном сжигании шлаки составляют 10—25% от массы образуемой золы. Шлаки образуются в результате спекания отдельных частиц на колосниковой решетке при температуре свыше 1000 °С или при охлаждении расплавленной минеральной части топлива при температуре более 1300 °С.

           В связи с интенсификацией процессов сжигания твердого топлива и переходом к использованию в тепловой энергетике многозольных видов углей и сланцев перспективно применение топок с жидким шлакоудалением. Продуктами жидкого шлакоудаления из энергетических топок являются топливные гранулированные шлаки, образуемые в результате быстрого охлаждения водой минерального расплава. Жидкое шлакоудаление обеспечивается подогревом воздуха до температуры около 700 °С или снижением температуры плавления минеральной части топлива при добавке к ней флюса.

            В отличие от зол, шлаки, образуемые при более высоких температурах, практически не содержат несгоревшее топливо и характеризуются большей однородностью.

           Шлак удаляют гидравлическим или сухим способом. При гидравлическом способе, имеющем пока большее распространение, золы и шлаки смешиваются.

            Гранулированные шлаки представляют собой механическую смесь зерен размером 0,14—20 мм. Химический состав шлаков, как и зол, может изменяться в широком диапазоне — от сверхкислых (М0 < 0,1) до основных (М0> 1). Многие топливные шлаки характеризуются значительным количеством (20% и более) оксидов железа, содержащихся преимущественно в закисной форме. Содержание стекловидной фазы составляет 85—98%, у основных шлаков оно может быть значительно ниже. В кристаллической фазе возможно наличие муллита, геленита, псевдоволластонита, двухкалыдиевого силиката и других минералов.

           В зависимости от содержания несгоревших углеродистых частиц золы и шлаки ТЭС делят на 6 категорий (%): 1 — до 5%; 2 — 6—10; 3 - 11-15; 4 - 16-20; 5 - 21-25; 6 - более 25%.

 

1.3. Метан

 

         Метан угольных пластов содержится в угленосных отложениях. Метан угольных пластов формируется в результате биохимических и физических процессов в ходе преобразования растительного материала в уголь.

         Метан является основным компонентом природного газа и одним из основных газов, который при попадании в атмосферу способствует развитию парникового эффекта. Сокращение атмосферных выбросов метана способно привести к значительным положительным экономическим и экологическим результатам. Осуществление имеющихся рентабельных возможностей по сокращению атмосферных выбросов метана в горнодобывающей промышленности ведет к повышению безопасности горных выработок, росту производительности и увеличению доходности предприятий. Партнерство по продвижению метана на рынки создает международные союзы с целью содействия извлечению метана и использованию таких проектов в шахтах по всему миру. 

          Метан выделяется в процессе угледобычи в подземных угольных шахтах и открытых карьерах, а также в ходе деятельности, включающей переработку, хранение и транспортировку каменного угля. Во многих странах подземные шахты являются крупнейшим основным источником выбросов шахтного метана (СММ). В глобальном масштабе шахтный метан составляет 6 процентов от всех выбросов метана, происходящих в результате деятельности человека. Согласно подсчетам, в 2005 году выбросы шахтного метана по всему миру составили 400 миллионов метрических тонн в углеродном эквиваленте или около 30 миллиардов кубометров. Ожидается, что к 2020 году выбросы метана из мировых угольных шахт составят 450 миллионов метрических тонн в углеродном эквиваленте (или 40 миллиардов кубометров).

 В действующих подземных шахтах метан необходимо удалять из подземных горных выработок по соображениям безопасности. Это делается с помощью крупных вентиляционных систем, осуществляющих продувку огромных масс воздуха в шахтах. Эти вентиляционные системы обеспечивают безопасность шахт, однако, они выбрасывают в атмосферу большие объемы метана очень малой концентрации. В некоторых действующих и ликвидированных шахтах происходит выделение метана в результате работы систем дегазации (их часто называют газо-дренажными системами). В этих системах используются вертикальные и/или горизонтальные скважины для регенерации метана.  
 
           Существует целый ряд выгодных возможностей применения шахтного метана, его оптимальное применение в той или иной местности часто зависит от таких факторов, как качество метана, наличие конечных потребителей и экономика данного проекта. Проекты по шахтному метану могут предусматривать целый ряд способов его применения: подачу метана в газопроводы природного газа, его использование в процессе производства электроэнергии, добавление к другим видам топлива в бойлерных, обогрев районов, шахт, осушение угля, использование в качестве транспортного топлива, факельное сжигание, а также применение в производственных процессах, например, в качестве сырья в производстве углеродной сажи, метанола и простого диметилового эфира. При очень низкой концентрации метана в отработанном воздухе шахт современные технологии предлагают подвергать шахтный метан окислению и использовать выделяемую тепловую энергию для обогрева, производства электроэнергии и для охлаждения. 

 

         Метан является причиной взрывов в угольных шахтах. Метан угольных пластов — экологически более чистое, чем уголь, и эффективное топливо. Может добываться как самостоятельное ископаемое, и как попутный продукт, получаемый в процессе дегазации шахт перед добычей угля. В процессе дегазации шахты себестоимость добычи метана играет вторичную роль. Средствами дегазации, применяемыми на шахтах России, извлекается до 30 % общего объема выделяющегося метана.

          Для добычи метана угольных пластов бурят неглубокие скважины — около 100 метров. Для увеличения газоотдачи применяется технология гидроразрыва пласта.

            Промышленная добыча метана угольных пластов началась в США в начале 1980-х годов. В 2000 году в США было добыто 40 млрд м³ метана угольных пластов, что составляло 7 % суммарной добычи газа в стране.

В результате добычи угля в Китае выбросы метана в атмосферу составляют 6—19 млрд м³ в год. В 1996 году была учреждена Китайская Объединенная Корпорация по метану из угольных пластов (CUCBM). К 2009 году добыча газа выросла до 700 миллионов м³. В 2009 году началось строительство более 3600 буровых скважин для его добычи.

           В России принята программа «Метан Кузбасса». Кузбасс может производить около 20 млрд м³ метана ежегодно. Запасы метана в Кузбассе оцениваются в 13 трлн м³. Программа «Метан-Кузбасс» реализуется в три этапа: поисково-оценочные и геологоразведочные работы (2008—2009), опытно-промышленная эксплуатация и наращивание объемов добычи (с2010), выход на проектную промышленную добычу. В 2010 году на Талдинской площади пущен первый промысел по добыче газа метана из угольных пластов Кузнецкого бассейна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ

 

 

            

            Угольные шламы, являющиеся отходом производства угле-обогатительных фабрик, являются подходящим сырьём для ВУТ.

            Угольные шламы появляются как отходы углеобогатительных фабрик (ЦОФ), либо как недожжённые отходы от сжигания угля в слоевых топках. Как правило, угольные шламы состоят из очень мелкой (до 500мкм) фракции угля. Таким образом, приготовления ВУТ из угольного шлама позволяет снизить расходы на помол до приемлемой фракции.

             С другой стороны, в угольном шламе могут находиться дополнительные включения. Кроме того, угольные шламы, обладают высокой зольностью (до40..60%). В России имеется опыт приготовления и сжигания ВУТ, полученного из угольного шлама с зольностью до 50%. 

             Даже несмотря на дополнительные меры по золоудалению, ВУТ из угольных шламов (в том числе особо тонких), сжигание ВУТ наравне с экологической составляющей, позволяет получить, ощутимы экономический эффект.

         Проблемы утилизации отходов в угледобывающей промышленности стоят очень остро. По данным специалистов только в Кузнецком угольном бассейне скопилось до тридцати миллионов тонн угольной мелочи. Проблемы реализации угольной мелочи вызваны следующими причинами: ее теплотворная способность ниже, чем у высокосортного угля в два раза, очень большие потери при транспортировке и хранении, которые могут достигать более 15% . Изготовление угольных брикетов способно в корне изменить ситуацию.

          Угледобывающая промышленность надежно удерживает ведущую позицию на рынке энергоносителей. При повышенном спросе на высококачественный, коксующийся и высокореакционный уголь, дефицит в мировом масштабе привел к значительному повышению цен и превышению спроса над предложением. Изготовление угольных брикетов приведет к ликвидации дефицита и снижению себестоимости, в том числе и высококачественного угля.

          Технология брикетирования, позволяет использовать угольную мелочь как топливо сопоставимое по качеству с высокосортным углем, для применения в промышленности, для удовлетворения бытовых нужд в коммунальном хозяйстве и частном жилищном секторе.

            Передовые технологические решения и разработки для промышленных поточных линий по брикетированию угольной мелочи созданы на новосибирском научно – производственном предприятии «Крона – СМ» и применяются на крупнейших угольных месторождениях. Использование инновационных технологий способствует созданию вспомогательной отрасли угледобывающей промышленности, которая сможет уже сегодня претендовать на лидирующие позиции в производстве биотоплива.

              Изготовление угольных брикетов, как и их использование в качестве топлива, имеет ряд неоспоримых преимуществ. Сырьевая база для такого производства создавалась годами и обеспечена на несколько десятилетий уже сейчас. Использование отходов производства позволяет снизить себестоимость продукции при ее высоком качестве. Нет необходимости разрабатывать новые месторождения угля, наоборот, изготовление угольных брикетов способно улучшить экологическую ситуацию на предприятиях именно из-за возможности избавиться от промышленных отходов. Использование самых современных, композитных связующих материалов позволяет придать брикетированному углю повышенную механическую прочность, что снижает потери при перегрузке и транспортировке. Высокая теплотворная способность и реакционность брикетов снижает потребность в топливе до 12%, за счет устранения недогаров. Проблема выноса угольной мелочи и пыли дымовыми газами, как и возможность высыпания мелкой фракции угля через колосниковые решетки устранена, что дополнительно дает экономию до 13%.

         Все эти преимущества дают основание полагать, что изготовление угольных брикетов способно стать новой, высокотехнологической, экономически и экологически выгодной, эффективной отраслью топливной промышленности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

В настоящее время альтернативой  используемым во многих отраслях промышленности (металлургия, коксохимия, теплоэнергетика  и др.) нефти и газу является уголь, т. к. разведанные и подготовленные к освоению запасы в Украине в  несколько десятков, раз превышают запасы жидких и газообразных природных ископаемых. Вместе с тем, использование углей требует решения ряда экологических проблем, обусловленных наличием в регионе различных рудных месторождений, химическим составом углей, технологическими способами их добычи, обогащения и использования.

Из всего вышесказанного мы выяснили, что существует несколько  методов утилизации отходов добычи и обогащения угля. И к сожалению только несколько видов утилизации отходов позволяют нам избавляться от отходов без ущерба для природной окружающей среды.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

 

 

 

1. http://masters.donntu.edu.ua/2008/fema/kutsenko/library/stat3.htm
2. http://masters.donntu.edu.ua/2011/feht/sidorenko/library/article3/index.htm
3. http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-110-stroitelnye-materialy/12.htm
4. http://www.ngpedia.ru/id605548p1.html
5. http://www.lgh.com.ua/files/utilization.pdf