МИНЕРАЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АНГРЕН И НОВЫЙ АНГРЕН

Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 8 МИНЕРАЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АНГРЕН И НОВЫЙ АНГРЕН Эргашов Нурбек Туракулович Магистр, Белорусским национальным техническим университетом, [email protected]) Казакханова Латофатхон Шухратхановна Магистр, Белорусским национальным техническим университетом, [email protected]) Аннотация В статье рассматриваются генетические классы угольных месторождений в Узбекистане и странах мира, а также состав минеральных веществ, связанных с этими генетическими классами. Приводятся данные о количестве золошлаковых отходов, образующихся на Ангренской и НовоАнгренской тепловых электростанциях, работающих на угле, а также их минералогическом и химическом составе. Представлены возможности извлечения различных металлов и других полезных компонентов путем переработки золы из угольных месторождений и золошлаковых отходов тепловых электростанций. Ключевые слова: Техноген, зола, шлак, утилизация, минерализация, генетический, биогенный, сорбционный, конкреционный, терригенный, органический, кокс, металлургия, концентрат, фракция, MINERALOGICAL-GEOCHEMICAL AND TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF ASH AND SLAG WASTE FROM ANGREN AND NEW ANGREN THERMAL POWER PLANTS Annotation Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 9 The article examines the genetic classes of coal deposits in Uzbekistan and other countries worldwide, as well as the composition of mineral substances associated with these genetic classes. It presents data on the quantity of ash and slag waste generated at the Angren and Novo-Angren coal-fired thermal power plants, along with their mineralogical and chemical composition. The article also discusses the potential for extracting various metals and other valuable components through the processing of ash from coal deposits and ash-slag waste from thermal power plants. Keywords: Technogenic, ash, slag, utilization, mineralization, genetic, biogenic, sorption, concretionary, terrigenous, organic, coke, metallurgy, concentrate, fraction ANGREN NA YANGI ANGREN ISSIQLIK ELEKTR STANSIYALARINING KUL-SHLAK CHIQINDILARINING MINERALOGIK-GEOKIMYOVIY VA TEXNOLOGIK TAVSIFI Аннотация Мақолада Ўзбекистондаги ва дунё мамлакатларидаги кўмир конларининг генетик синфлари ва ушбу генетик сифлар билан боғлиқ минерал моддалар таркиби бўйича фикр юритилган. Кўмир асосида ишлайдиган Ангрен ва Янги Ангрен иссиқлик электростанцияларидан чиқаётган кул-шлак миқдори ҳамда уларнинг минералогик ва кимёвий таркиби бўйича маълумотлар келтирилган. Кўмир конларидаги кул ва Иссиқлик электростансияридан чиқаётган кул-шлак чиқиндиларни қайта ишлаш орқали турли хилдаги металлар ҳамда бошқа турдаги фойдали компонентларни ажратиб олиш имкониятлари келтирилган. Калит сўзлар: Техноген, кул, шлак, утилизация, минераллашув, генетик, биоген, сорбсион, конкретсион, терриген, органик, кокс, металлургия, консетрат, фракция. Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 10 Добыча и потребление угля в Узбекистане с каждым годом возрастают. В связи с этим ежегодный объем добычи на Ангренском угольном месторождении также увеличивается. Ангренская и Ново-Ангренская ТЭС в ближайшем будущем будут полностью переведены на сжигание угля. С ростом потребления угля увеличивается и объем отходов, что усиливает риск загрязнения окружающей среды. В районе Ангренской горнодобывающей промышленности накоплен огромный запас отходов энергетической отрасли. В процессе работы угольных тепловых электростанций образуется большое количество золошлаковых отходов (ЗШО). В Узбекистане 10 тепловых электростанций (ТЭС) используют природный газ в качестве основного топлива. На двух ТЭС - Ангренской и Ново-Ангренской - электроэнергия вырабатывается путем сжигания угля. Ангренский уголь отличается низким качеством и высокой зольностью. Зола и шлаки хранятся в четырех отвалах общим объемом 15 млн. тонн. Ежегодный объем образования золы и шлака составляет 600-700 тысяч тонн [1]. Необходимость утилизации и переработки этих техногенных отходов актуальна не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения экономической выгоды, так как отходы являются дешевым сырьём. Золошлаковые отходы (ЗШО) теплоэлектростанций – можно отнести к техногенному минеральному сырью, которое, в отличие от природного со временем накапливается, а не истощается. Извлечение полезных компонентов и полная утилизация техногенных отходов позволит высвободить занимаемые ими площади, понизить негативное воздействие на окружающую среду. Состав золы и шлаков определяется минеральным составом углей, который зависит от месторождения, глубины залегания пластов, методов добычи и обогащения, причем зольность угля постоянно повышается. Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 11 Минеральными компонентами углей являются неорганические вещества в виде силикатов, сульфидов, сульфатов, карбонатов, оксидов железа, кремния, алюминия, магния. При термической обработке углей (сжигание, газификация, химическая переработка на жидкие продукты) образуются твердые (золы, шлаки) и газообразные выбросы. Эти выбросы – коллекторы химических элементовмногофазны, полиминеральны и представляют собой в определенном смысле техногенный концентрат, в частности концентрат редких металлов. Ежегодно в мире образуется около 700 млн. т золошлаковых отходов. В составе зол условно можно выделить три группы веществ – стекловидные, кристаллические и органические. Стекловидная группа по химическому составу сложна и весьма многообразна. Золы каменных и бурых углей, содержащие до 20 % СаО, включают преимущественно ферроалюмо-силикатное стекло, в котором основные стеклообразующие компоненты Fe2О3, Al2O3 и SiO2 составляют 80 - 90 %. Кристаллическая часть зол представлена как первичными минералами, присутствующими в углях, так и новообразованными в топочном процессе. Наиболее широко представлены магнетит, гематит, муллит, кварц; менее – геленит, фаялит. Из минералов, являющихся новообразованиями, следует отметить силикаты, алюминаты и ферриты кальция различной основности. Эти минералы известны как цементные (клинкерные) материалы. Наряду с минеральной частью в золошлаковых отходах обычно содержатся несгоревшие органические включения. Органическая часть углей (недожог) имеется во всех золах. Обычно содержание органической части в золе составляет менее 5 %. Оно представлено полукоксами, коксом с низким выходом летучих компонентов. Недожог присутствует в золе либо в виде самостоятельных органических частиц, либо в виде включений в агрегаты, образованных разными фазами. Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 12 Следует отметить, что характер минерализации углей определяет их обогатимость, а степень минерализации – зольность. Зола углей – это сложное разнородное вещество, состоящее из нескольких генетических классов минеральных примесей. Можно выделить, например, следующие классы: • Первый класс – биогенный. Здесь минеральные вещества привнесены в уголь самими растениями-углеобразователями. Действительно, хорошо известно, что в золе любых растений содержатся элементы, входящие в состав ферментов: марганец, кобальт, молибден и др. • Второй класс – сорбционный. Это минеральные вещества, которые сформированы были главным образом на торфяной (буроугольной) стадии углеообразования. Самый характерный золообразующий элемент этого класса – кальций, отчасти к этому классу можно отнести алюминий, магний, железо. Наиболее велика доля этого класса минеральных компонентов в золе бурых углей (до 50 %). • Третий класс– конкреционный. В отличие от сорбционного, где компоненты связаны с органическим веществом углей (типа гуматов, хелатов), конкреционный класс представлен минеральными формами – карбонатами кальция, магния, железа (кальцит СаСО3 , доломит CaMg(CО3), сидерит FеСО3 и др.), пиритом FeS2, каолинитом Al2(OH)4[SiO5], вивианитом Fe3(H2O)8[PО4]2 и др. Доля конкреционного класса – величина, достаточно изменчивая для углей различных месторождений. • Четвертый класс – терригенный. Это есть то, что чаще всего и определяется термином «зола». Терригенный класс представлен в углях минеральными частицами, которыми сложены также и вмещающие уголь породы, т. е. кварц, полевые шпаты, слюды, глины, апатит, циркон и др. Терригенные компоненты содержат все элементыпримеси, присутствующие в углях. Но так как минералогический состав их компонентов близок к составу нормальных осадочных пород, то содержания редких металлов в терригенном Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 13 классе очень близки к соответствующим кларкам для осадочных пород. Например, зола, представленная терригенным классом, обычно содержит около 1 - 3 г/т германия и 10 - 20 г/т галлия. • Пятый класс – инфильтрационный. В отличие от ранее приведенных четырех классов, формировавшихся вместе с углем, компоненты этого класса появились в углях на последующих стадиях. Это минералы, отложившиеся в трещинах и порах угольных пластов из подземных вод. Если в углях присутствует этот класс, то в составе золы мы обнаружим сульфиды металлов, например сфалерит ZnS, пирит FeS2 [2, 3, 4]. В зольных отходах сконцентрировано большое количество соединений железа, алюминия, хрома, никеля, марганца, редких и рассеянных элементов - ванадия, германия, галлия. По литературным данным, при сжигании каменного угля на электростанциях вместе с золой выбрасывается больше металлов, чем их добывается в природе. В зольных отходах присутствуют также ферромагнитные компоненты, которые можно отделить от немагнитных методом магнитной сепарации. Химический анализ зольных отходов показывает, что большая часть состоит из оксидов кремния, алюминия и железы (табл. 1). Наличие оксидов железа и соединений микроэлементов делает золу ценным химическим сырьем для черной и цветной металлургии, сельского хозяйства в качестве минерального удобрения [5]. Из данных табл. 2. видно, что концентрация некоторых редких элементов в золах достигает 2 – 10 - кратного превышения по отношению к осадочным породам, а содержание их в золах выше, чем в рудах цветных металлов. Обогащение углей германием, скандием, иттрием и другими элементами – явление глобальное. Оно отмечено в угольных бассейнах как России, так и Англии, Германии, Канады, Японии, Польши, Чили и других стран. Но наблюдается и Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 14 аномальное содержание редких металлов в некоторых угольных пластах. Так, например, в Польше (Верхняя Силезия) содержание германия достигает 22 г/т, гораздо выше в Венгрии (месторождение Боршод) – 65 г/т. В отдельных пластах Канско-Ачинского угольного бассейна (Красноярский край) содержание скандия достигает 15 г/т, иттрия – 20 г/т, иттербия – 2 г/т [2, 3, 4]. Таблица 2 Кларки осадочных пород, углей, зол и коэффициент концентрирования (КК) некоторых редких металлов Элемен т Кларки, г/т Зольны й КК* осадочны е породы Угли Золы буры е каменны е буры х углей каменны х углей всех угле й Li 55 20 ± 7 25 ± 8 80 ± 15 150 ± 90 115 2 Sc 11 2,0 ± 0,4 3 ± 0,2 15 ± 2 20 ± 2 17 1,5 Y 28 7,0 ± 1 6 ± 1 37 ± 6 47 ± 10 42 1,5 Yb 2,7 0,9 ± 0,2 0,8 ± 0,2 5 ± 3 7 ± 1 6 2,2 Ga 17 7 ± 1 7 ± 1 36 ± 4 51 ± 5 43 2,5 Ge 1,4 1,5 ± 0,3 2,9 ± 0,3 9 ± 3,7 20 ± 4 14 10 КК = кларк зол всех углей / кларк осадочных пород Т аблица 1 Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 15 Результаты химического анализа золошлаковых отходов Ангрена ( в% ) . Si O 2 T i O 2 A l 2 O 3 Fe 2 O 3 + Fe O в т о м чи сл е M g O M n O C a O N a 2 O K 2 O P 2 O 5 S O 3 П п п H 2 O 6 0 ° C O 2 Fe 2 O 3 Fe O м а гн и тн а я ф р акц и я 1 3 . 9 0 . 2 5 . 0 7 6 . 0 7 6 1 . 6 1 3 . 5 3 . 53 0 . 05 1 . 4 0 . 49 0 . 21 0 . 03 2 0 . 35 0 . 29 0 . 1 0 . 2 м а гн и тн а я ф р акц и я 8 . 17 0 . 12 2 . 39 8 7 . 1 2 6 2 . 5 2 3 . 9 0 . 6 0 . 08 1 . 0 0 . 25 0 . 18 0 . 03 9 . 30 1 . 36 1 . 18 0 . 2 н е м агн и тн а я ф р акц и я 6 5 , 9 0 , 60 1 5 , 5 6 4 , 93 3 , 42 1 , 36 1 , 41 0 , 09 2 , 4 0 , 42 0 , 93 0 , 30 1 , 89 5 , 94 1 , 26 0 , 83 н е м агн и тн а я ф р акц и я 6 2 , 8 0 , 51 1 3 , 7 3 6 , 44 5 , 15 1 , 16 1 , 61 0 , 08 2 , 4 0 , 52 0 , 97 0 , 20 4 , 67 9 , 35 0 , 10 1 , 02 З о ло шл аки 5 7 . 4 0 . 53 1 5 . 6 1 3 . 2 7 9 . 2 3 . 66 1 . 71 0 . 01 3 . 2 0 . 57 1 . 06 0 . 08 3 0 . 33 6 . 4 0 . 73 0 . 2 з оло шл аки 6 1 . 3 0 . 55 1 6 . 3 1 0 . 5 5 9 . 7 8 . 63 1 . 21 0 . 02 3 . 2 0 . 52 1 . 28 0 . 07 8 0 . 18 5 . 55 0 . 73 2 . 01 При термической обработке углей (сжигание, газификация, химическая переработка на жидкие продукты) образуются твердые (золы, шлаки) и газообразные выбросы (рис. 1). Эти продукты – коллекторы химических элементов многофазны, полиминеральны и представляют собой в определенном смысле техногенный концентрат, в частности концентрат редких металлов. Ежегодно в мире образуется около 700 млн. т золошлаковых Z AMONAVIY TA'LIMDA FAN VA INNOVATSION TADQIQOTLAR http://zamtadqiqot.uz/index.php/ZTFITJ/index 3-son 16–to’plam 2025 y. 16 отходов. Выход и утилизация золошлаковых отходов составляют (первое число выход, тыс. т/ год, второе – утилизация, %): Швеция 50 и 70; Польша 15 000 и 40; США 67 000 и 25; Россия 60 000 и 5. Основные области использования отходов – при получении строительных материалов и сооружении дорог. В составе зол условно можно выделить три группы веществ: стекловидные, кристаллические и органические. Рис. 1. Сферические магнитные частицы ЗШО (под бинокуляром и микрозондом Jeol Superprobe). Стекловидная группа по химическому составу сложна и многообразна. Золы каменных и бурых углей, содержащие до 20 % СаО, включают преимущественно ферроалюмосиликатное стекло, в котором основные стеклообразующие компоненты Fe2O3, Al2O3 и SiO2 составляют 80 – 90 % (рис. 2). Кристаллическая часть зол состоит как из первичных минералов,