Material composition of coal mining waste from the Prokopyevskugol Processing Plant and the prospect of using the screw separation method for their enrichment

全文:

Введение

Для многих исследователей задача вовлечения в повторную переработку отходов угледобычи на сегодняшний день вызывает особый интерес, поскольку по своим качественным характеристикам отходы не уступают добываемому природному минеральному сырью (Чикишева и др., 2023). Также данный вопрос давно входит в экологическую повестку и не теряет своей актуальности (Behera, Sahu, 2023; Дамба, Станис 2015; Зиновьева и др., 2022; Качурин и др., 2015; Киреев, 2022). В связи с этим ученые пытаются разрабатывать и внедрять технологии, которые могли бы минимизировать экологическую нагрузку, при этом дополнительно извлекая сырьё, потенциально пригодное для ряда различных отраслей промышленности. Проведенные ранее исследования (Прокопьев, Алексеева, 2022; Соловеенко, Болотин, 2022; Турецкая, Чикишева, 2023) показали, что одним из экологически чистых методов обогащения является винтовая сепарация: в процессе своей работы она не требует применения каких-либо реагентов, но необходимо учитывать, что данный метод основывается на разделении минералов по плотности, форме, размерам зёрен и не всегда может быть применим, поэтому технология переработки в основном базируется на данных о вещественном составе.

Цель данной работы заключалась в изучении вещественного состава отходов угледобычи ОФ «Прокопьевскуголь», оценке перспективы применения метода винтовой сепарации на исследуемом сырье.

Материалы и методы

Объект исследований — угольные шламы ОФ «Прокопьевскуголь».

Определение химического состава исходной пробы выполнено c использованием метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Определение показателя зольности сухого топлива в исходной пробе и продуктах обогащения выполнено методом ускоренного озоления.

Минеральный состав пробы и оценка содержаний 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». Изучение микрокомпонентов угля в шлифах и аншлифах выполнялось по межгосударственным стандартам (ГОСТ: 9414.1-94, 9414.2-93, 9414.3-93).

Определение несгораемых фаз в углях проводилось с применением сканирующего электронного микроскопа MIRA3 LMH TESCAN в центре коллективного пользования «Изотопно-геохимические исследования» ИГХ СО РАН в режиме обратнорассеянных электронов (аналитик А. Г. Чуешова).

Результаты и обсуждение

В результате проведения химического анализа было установлено, что в составе угольных шламов присутствуют следующие токсичные элементы-примеси (Крылов, 2017): мышьяк (менее 0.0005 %), хром (0.0021 %), магний (0.193 %), ртуть (менее 0.0005 %), сера (0.231 %), селен (менее 0.0005 %), бериллий (менее 0.0002 %) и ванадий (0.0046 %). Содержания ценных элементов-примесей, таких как серебро, лантан, молибден, скандий, селен, свинец и иттрий, составляют тысячные доли процентов или вовсе находятся на пределе порога обнаружения измерительного прибора.

 

Рис. 1. Гранулометрический анализ исходного сырья с показателями зольности сухого топлива в классах крупности

Fig. 1. Granulometric analysis of the raw material with indicators of ash content by size classes

 

Выход тонкодисперсного материала крупностью менее 0.071 мм в исходной пробе составляет 42.64 % (рис. 1). Из них на материал менее 0.02 мм приходится 25.29 % с показателем зольности сухого (A^d) топлива, равного 55.6 %. Выход материала крупностью от 0.02 до 0.04 мм составляет 3.85 % с показателем A^d, равным 35 %. В диапазон крупности от 0.04 до 1 мм распределяется материал с показателем A^d, варьирующим от 17.6 до 25 %. Выход данного диапазона равен 66.82 %. В материале более 1 мм с выходом 4.05 % показатель A^d соответствует среднему значению — 54 %.

При проведении оптико-минералогического анализа было установлено, что основная масса пробы сложена на 75.54 % углём. Также в материале присутствует кварц (11.03 %), глинистые минералы (7.07 %), обломки пород (3.67 %) и полевые шпаты (2.41 %). В десятых и сотых долях процента присутствуют слюды, сульфиды, гидроксиды железа и карбонаты. Магнетит, апатит, рутил, барит и амфиболы наблюдаются в единичных зёрнах.

 

Рис. 2. Микрофотографии каустобиолитов, прозрачный шлиф, анализатор включен

Fig. 2. Micrographs of caustobioliths, thin section, polarization: XPL

 

Из анализа распределения угля следует, что значительная доля угля приходится на крупность от 0.25 до 0.5 мм (18.97 %). В материале пробы крупностью от 0.04 до 0.125 мм находится 43.92 % угля, а в материале менее 0.02 мм — 14.87 %.

В ходе проведения микроскопического исследования углей в проходящем свете было установлено, что породами, вмещающими уголь, являются алевролиты и аргиллиты. Обломочная часть алевролитов представлена в основном кварцем, редко полевыми шпатами. Структура алевритовая крупнозернистая, цемент закрытый поровый, слюдисто-глинистый. Аргиллит состоит преимущественно из каолинита и гидрослюд. Структура пелитовая.

Анализ углесодержащих обломков показал, что они представлены углистыми и углисто-глинистыми породами. По форме компонентов выделяются полосчатые (рис. 2, a, b, d), волокнообразные и линзовидные (рис. 2, c) разновидности (Столбова, 2013). Цвет мацералов в основном чёрный, реже коричневый и тёмно-коричневый, что свидетельствует о высокой степени фюзенизации.

 

Рис. 3. Фрагмент (микрофотография) аншлиф-брикета: Vt_t — телинит, Vt_k — коллинит, L_sp — споринит. Отраженный свет, анализатор выключен

Fig. 3. A polished (microphotographs) briquette fragment: Vt_t — tellinite, Vt_k — collinite, L_sp — sporinite. Reflected light, PPL

 

Микроскопическое исследование образцов углей в отраженном свете показало, что они представлены углистыми породами с различным соотношением микрокомпонентов. Микроскопически по визуально наблюдаемым 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. Бесструктурные мацералы образуют скопления и слагают полосы, структурные разновидности рассеяны в коллините (рис. 3). Минеральными составляющими выступают глинистые минералы, сульфиды железа, карбонаты, минералы кремнезема и прочие минеральные включения.

 

Рис. 4. Фрагменты аншлиф-брикета (микрофотографии): Kln — каолинит; Qz — кварц; уголь — чёрное

Fig. 4. Fragments of polished briquette (microphotographs): Kln — kaolinite; Qz — quartz; coal — black

 

При исследовании аншлифов с помощью сканирующего электронного микроскопа установлено, что в исследуемых образцах угля содержится значительное количество минеральных включений: кварца, каолинита, полевых шпатов, сидерита, апатита, пирита, халькопирита, барита, рутила и др.

Минеральная матрица представлена преимущественно каолинитом. Каолинит заполняет клеточные полости, встречается в виде линз, прослоек, тонкодисперсных частиц (рис. 4), а также выступает цементирующим веществом во вмещающей уголь породе. Зачастую наблюдаются микропереслаивания угля и минеральных агрегатов, содержащих каолинит и кварц.

Во вмещающих уголь породах наблюдаются обособления кварца, хлоритов и полевых шпатов, в редких случаях — амфиболов и турмалинов. В составе цементирующей массы отмечаются выделения мусковита.

 

Рис. 5. Фрагменты аншлиф-брикета (микрофотографии). Белое и светло-серое — минеральная матрица, чёрное — уголь. Изображение в обратнорассеянных электронах

Fig. 5. Fragments of polished briquette (micrographs). White and light gray — Mineral matrix, black — coal. Image in backscattered electrons

 

На изображениях общего вида образцов в обратнорассеянных электронах (рис. 5) чётко прослеживается переслаивание чистого или слабозагрязнённого угля (ñ < 1/5 г/см³ (Столбова, 2013) с полифазными агрегатами угля, глинистых минералов, кварца и карбонатов, количество минеральных примесей в таких агрегатах составляет 20—60 %, ñ = 1.5—2.0 г/см³ (Столбова, 2013).

Анализируя вышеизложенные данные, следует заключить, что исследуемый материал относится к техногенному сырью первой группы (Ожогина и др., 2018). Изучаемые отходы представляют промышленный интерес с точки зрения получения дополнительного топлива, поскольку на 75.54 % сложены углистыми и углисто-глинистыми породами. Ценные элементы-примеси, входящие в химический состав пробы, составляют тысячные доли процента или находятся на пределе порога обнаружения измерительного прибора, поэтому значимости для попутного извлечения они не имеют.

Материал крупностью более 1 мм содержит в себе несгораемые фазы, представленные неорганическим веществом, о чём свидетельствуют высокие показатели зольности, макро- и микроскопические исследования. Также в материале присутствует высокозольный, труднообогатимый для многих физических методов материал крупностью менее 0.04 мм. В диапазоне крупности от 0.04 до 1 мм показатель зольности сухого топлива составляет 22.29 %, в связи с чем его можно считать рабочим классом для процесса обогащения.

 

Рис. 6. Технологическая схема обогащения угольных шламов ОФ «Прокопьевскуголь»

Fig. 6. Technological scheme of coal sludge enrichment at the Prokopyevskugol coal processing plant

 

На основании полученных данных на исследуемом сырье были проведены технологические испытания. Предварительно из обогатительного процесса был выведен материал крупностью более 1 мм при помощи операции грохочения. Тонкодисперсный материал менее 0.04 мм из подрешётного продукта грохота был удалён гидроциклоном. Дальнейшее обогащение песков гидроциклона выполнено на винтовом сепараторе. Поскольку во время обогащения угля на винтовом аппарате происходит обратное обогащение, т. е. концентрация углистых и углисто-глинистых пород осуществляется в бортовой части рабочей поверхности жёлоба винтового аппарата, для получения наиболее чистого продукта были проведены две стадии винтовой сепарации: основная на песках гидроциклона и перечистная на угольном продукте основной винтовой сепарации. В результате по технологической схеме (рис. 6) удалось получить угольный концентрат с показателем зольности сухого топлива 10.95 %. Выход продукта составляет 41,15 %.

Заключение

Исследования угольных шламов ОФ «Прокопьевскуголь» показали, что промышленный интерес они имеют только с точки зрения получения дополнительного топлива, поскольку ценные элементы-примеси, входящие в химический состав, составляют тысячные доли процентов. Содержание угля составляет 75.54 %, большая часть которого распределяется в диапазон крупности от 0.04 до 1 мм, с показателем зольности сухого топлива в нём 22.29 %. Углесодержащие обломки представлены углистыми и углисто-глинистыми породами. Во вмещающих уголь породах наблюдаются обособления кварца, хлоритов и полевых шпатов. В составе цементирующей массы отмечаются выделения мусковита. Преимущественно минеральная матрица представлена каолинитом. Обогащение методом винтовой сепарации позволило получить угольный концентрат с выходом 41.15 % и показателем зольности 10.95 %.

Результаты исследований подтверждают перспективность применения метода винтовой сепарации в обогащении угольных шламов. Угольный продукт, который удалось получить из угольных шламов, может быть пригоден для использования в энергетической промышленности.

 

Работы выполнены в рамках комплексного научно-технического проекта при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-15-2022-1192 «Переработка хвостов угольных обогатительных фабрик с целью получения товарного угольного концентрата», при поддержке комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи твердых полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения», утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации № 1144-р от 11 мая 2022 г.

作者简介

N. Turetskaya

Institute of the Earth Crust SB RAS; Irkutsk State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: chikishevatatyana@mail.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk; Irkutsk

T. Chikisheva

Institute of the Earth Crust SB RAS; Research and production company «Spirit»; Irkutsk State University

Email: chikishevatatyana@mail.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk; Irkutsk; Irkutsk

A. Komarova

Research and production company «Spirit»; Irkutsk State University

Email: chikishevatatyana@mail.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk; Irkutsk

参考

补充文件