WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Л.Я.Кизильштейн МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ НА СТАДИИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ для лабораторных и самостоятельных занятий по дисциплинам «Геология горючих полезных ископаемых», «Металлогения органического вещества» Для студентов геологических специальностей геолого-географического факультета Ростов-на-Дону 2002 2 Печатается по решению кафедры Месторождений полезных ископаемых (протокол № 8 от 21.05.2002 г.). Одобрено УМК 24.05.2002 г.

3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………... 4 1. МЕТОДИКА ОПРОБОВАНИЯ, ОБРАБОТКИ ПРОБ, АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ……………………………………………………...... 8 2. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ ………….………………………………..…... 8 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ ПО ПЛОЩАДИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ………………………………………………………………. 9 4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ ……………………………………………… 10 5. РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ РАЙОНА УГОЛЬНОЙ ТЭС …..………………………………………… 13 6. ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ И САНИТАРНОГИГИЕНИЧЕСКИЕ НОРМАТИВЫ ……………………………………………………. 16 7. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ (НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА) ………….…. 18 8. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЕЙ НА ТЭС ………………………………………………..... 25 8.1. Регулирование качества топлива …………………………………….…... 25 8.2. Очистка дымовых газов ……………………………………………..……. 27 8.3. Новые "экологически чистые" технологии сжигания …………..……… 27 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………...………... 29 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………..…... 30.

4 ВВЕДЕНИЕ Возрастающее глобальное и региональное загрязнение атмосферы в значительной степени связано с развитием энергетики. На территориях, прилегающих к тепловым электростанциям, уровни концентрации оксидов серы, азота, твердых частиц и других вредных веществ в воздухе часто превышают предельно допустимые.

Из основных видов ископаемого органического топлива — нефть, газ, уголь, только последний обеспечен запасами, определяющими рост энергопотребления на дальнюю перспективу. По авторитетным оценкам, топливное направление использования углей поглощает не менее 75% всей массы их промышленной добычи. В настоящее время в мире 44% электроэнергии производится за счет сжигания угля, в том числе в США и Германии 56-58%, в России — 26%. Уголь по-прежнему остается доступным и экономичным сырьем, цены на которое более стабильны по сравнению с ценами на нефть, зависящими в большей степени от мировой политической ситуации.

Стоимость тепловых электростанций (ТЭС), работающих на угле, и в отдаленной перспективе будет значительно ниже, чем атомных электростанций (АЭС). Однако развитие теплоэнергетики на базе угля сопровождается ростом серьезных экологических проблем, связанных не только с увеличением массы сжигаемого топлива, но и общей тенденцией к ухудшению его качества: увеличением зольности и содержания серы. Из этого следует, что дальнейший рост потребления энергии за счет сжигания угля должен сопровождаться разработкой и внедрением новых технологий защиты окружающей среды.

Загрязняющими атмосферу называются такие вещества, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду непосредственно, либо после химических изменений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами.

Исследования угольных ТЭС как мощных антропогенных источников загрязнения природной среды в большинстве случаев ориентированы на наиболее массовые и очевидные загрязнители: SO2, NOx, CO, твердые частицы, полициклические ароматические углеводороды. Между тем, остается недостаточно ясной экологическая роль более чем 50 элементов-примесей, обнаруженных в составе углей.

Элементы-примеси (ЭП) – под этим названием чаще всего объединяются химические элементы, средние концентрации которых в углях не превышают нескольких процентов. Нижний предел концентраций ЭП определяется лишь чувствительностью аналитического метода.

Если исключить серу, ЭП не играют заметной роли в формировании свойств углей как горючего полезного ископаемого. Некоторые элементы-примеси (Ge, Ga, U) имеют промышленное значение и извлекаются из углей или продуктов их переработки. В то же время многие ЭП, как это следует из санитарно-гигиенических характеристик, могут оказывать отрицательное воздействие на природную среду и человека, будучи освобожденными из состава углей при переработке – более всего сжигании. В их числе: Be, F, Cl, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Se, Cd, Sb, Te, W, Hg, Pb, Th, U. Согласно принятому в США государственному «Акту о чистом воздухе» (United States Clean Air Act Amendments, 1990), к потенциально опасным воздушным поллютантам отнесены 12 элементов, определение которых считается обязательным: As, Be, Cd, Cr, Co, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, U.

При высоких температурах сжигания углей в котлоагрегатах современных ТЭС эти элементы в более или менее значительной части выбрасываются в атмосферу, существенно ухудшая экологическую обстановку на прилегающих к ТЭС и удаленных территориях.

Доля угольной энергетики в общем выбросе загрязняющих атмосферу ЭП составляет (%): для Се, Со, Mn, Мо, Sе, Тi, Fе, Cr, Рb, Аg - 10, Ni - 50, Cd, Hg, Sb, Zn - /1/. По другим оценкам: V - 85, Cr - 15, Co - 98, Ni - 77, Cu - 32, Zn - 10, As - 6, Se - 50, Cd - 9, Sb - 80, Hg - 20 /2, 3/. ЭП, содержащиеся в воздухе, способны вызвать многообразные патологические изменения в организме человека. Выведенные из воздуха дождевыми осадками они переходят в почву и включаются в трофическую цепь: почвы — растения — животные — человек.



В последнее время ЭП - естественные радионуклиды (ЕРН), содержащиеся в угле, становятся самостоятельным объектом повышенного интереса в качестве фактора радиационного загрязнения природной среды в районах массового сжигания топлива, поскольку установлено, что значительная их часть поступает в атмосферу в составе дымовых уносов. По некоторым оценкам, фигурирующим в отечественных и зарубежных источниках, радиационное влияние угольных ТЭС на природную среду превышает влияние АЭС равной мощности (естественно, при условии безаварийной эксплуатации последних).

Все сказанное делает достаточно очевидной постановку вопроса не только о геохимии ЭП в углях, как это делается традиционно /4, 5/, а о экологической геохимии (экогеохимии) ЭП.

Предлагаемое «Методическое пособие…» ограничивается сферой миграции ЭП при сжигании в атмосферный воздух и санитарно-гигиенической оценкой последствий, хотя понятно, что экогеохимия ЭП охватывает существенно более широкий круг проблем и природных сред.

Поскольку экологически опасные концентрации (ЭОК) зависят не только от их концентрации в углях, но и от распределения между носителями — органическими и минеральными компонентами, а также от технологий сжигания и метеоусловий, их величина для разных угольных бассейнов и месторождений различна.

На рис. 1 представлена схема природной и антропогенной миграции ЭП, приводящей, в конечном счете, к загрязнению главных сред биосферы с вытекающими отсюда отрицательными экологическими последствиями для природы и человека. Объектом методического пособия является последовательность Р4 - Р5 - Р6 - Р7 - Р9. Остальные компоненты схемы, представляющие весьма важные звенья миграционного потока, выходят за пределы учебных задач «Методического пособия…».

Материал, на котором основана предлагаемая учебная разработка, является результатом исследований углей Восточного Донбасса. Выбор объясняется тем, что этот бассейн давно признан полигоном отечественной угольной геологии вследствие благоприятного сочетания высокого уровня геологической изученности с развитыми горным и энергетическим комплексами. Наконец, Восточный Донбасс в составе Донецкого угольного бассейна представляет собой геосинклинальную угленосную формацию — один из важнейших геотектонических типов угленакопления в истории Земли.

Концептуальная основа «Методического пособия» состоит в том, что накопление ЭП происходило на торфяной стадии угленакопления; пространственное (площадное) распределение ЭП в угольных пластах определяется палеогеографической обстановкой формирования древних торфяников.

1. МЕТОДИКА ОПРОБОВАНИЯ, ОБРАБОТКИ ПРОБ, АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Особенности опробования и обработки проб при изучении ЭП, лабораторные и аналитические методы, перечень соответствующих государственных и отраслевых стандартов, подробно рассмотрены в /6, 7/. Кроме стандартных аналитических методов, применяются нейтронно-активационный, рентгеноспектральный флуоресцентный анализы и рентгеноспектральный микроанализы, а также качественный и количественный химические анализы /8/.

Аналитический материал, положенный в основу «Методического пособия…», получен, в основном, методом нейтронно-активационного анализа.

2. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ Связь ЭП с различными компонентами (мацералами) углей исследована достаточно полно /4, 9/.

Важная роль органического вещества (ОВ) в процессах концентрирования ЭП проявляется в прямом химическом взаимодействии ЭП — ОВ, поддержании сульфидообразования и связанного с этим накопления халько- и сидерофильных ЭП в сульфидах, формировании рН—Eh среды, изменяющих формы миграции поливалентных ЭП, а также состав и адсорбционные свойства по отношению к ЭП глинистых минералов.

Во всех перечисленных случаях эффективность ОВ как фактора концентрирования ЭП зависит от его начального биохимического состава, характера и результатов преобразования в син-, диа-, катагенезе, степени окисления.

Многочисленные наблюдения показывают, что в разных пластах, месторождениях и бассейнах ЭП могут концентрироваться как в органической, так и минеральной компонентах угольного вещества. В каждом конкретном случае распределение ЭП определяется различиями химических свойств органических и минеральных компонентов, формами миграции ЭП, физико-химическими условиями среды, составом пород области размыва. Приведены бесспорные доказательства того, что процессы концентрирования ЭП происходили в основном на торфяной стадии углеобразования.

Органические и минеральные компоненты, в свою очередь, представляют собой сложные системы, состоящие: первые — из гелифицированных, фюзенизированных и липоидных компонентов (мацералов); вторые — из минералов глин (гидрослюд, каолинита, монтмориллонита), сульфидов железа, карбонатов, кварца и т.д. В соответствии с различиями геохимических свойств перечисленных компонентов (носителей), концентрация ЭП в них (при прочих равных условиях) может быть различной.

Фракционированием углей по плотности и методами микроанализа установлено, что основная масса ЭП (исключение – Ge) находится в минеральных компонентах:

халько- и сидерофильных — в сульфидах; литофильных — в глинах. В практическом отношении это приводит к снижению содержаний ЭП в концентратах и промпродуктах обогащения и относительному увеличению содержаний в отходах («хвостах»).





Суммарная концентрация ЭП в угле определяется их концентрацией в компонентах и массовым соотношением между ними.

Исследование связей ЭП с составными частями угольного вещества (органическими и минеральными компонентами) дает основополагающую информацию для установления основных геохимических и палеогеографических закономерностей их концентрирования в угольных пластах.

3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ ПО ПЛОЩАДИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Варьирующие в широких пределах содержания ЭП на площади распространения угольных пластов хорошо известны из многолетней практики их изучения в разных угольных бассейнах и месторождениях. Эти вариации проявляются в пределах шахтных полей или разведочных участков, иногда на расстоянии нескольких метров между пунктами опробования в горных выработках. Они еще более заметны при региональных сопоставлениях в зависимости от положения областей минерального питания торфяников, речных систем или водных бассейнов, граничащих с областями торфонакопления.

Данные торфоведения показывают, что варьирование строения и состава торфяного пласта определяется, главным образом, геоморфологической структурой торфяного массива, по признакам которой выделяются верховые, низинные и переходные торфяники. Они отличаются составом растительных ассоциаций, водно-минеральным режимом, мощностью и морфологией торфяных пластов, петрографией, зольностью, содержанием серы, рН—Eh и многими другими показателями.

Не подлежит сомнению, что все свойства торфяного пласта, в том числе его мощность и характеристики качества, претерпевают в период углеобразования значительные изменения. Однако, вполне допустимо предположение, что все эти изменения при преобразовании торфяных пластов в угольные не изменяют принципиально относительных различий между геоморфологическими зонами древних торфяных массивов. Сохранившись в ископаемом состоянии, эти различия могут быть использованы как критерии палеогеографических реконструкций /10-17/.

Зависимость концентраций ЭП от геоморфологической структуры современных торфяников известна /18-22/. Из этого следует, что выявление закономерностей распределения ЭП в угольных пластах должно быть основано на реконструкции геоморфологической (в более широком плане — палеогеографической) структуры областей древнего торфонакопления.

Методы геоморфологических реконструкций и примеры установления на этой основе генетических закономерностей распределения ЭП иллюстрируются в /23-27/.

Графическое изображение распределения ЭП по площади угольных пластов представляет собой геохимическую карту (схему), являющуюся основой для прогнозирования изменений концентраций ЭП в процессе отработки угольных пластов и последующих экологических оценок и прогнозов.

4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ При построении геохимических карт (схем) распределения ЭП обычно возникают трудности в связи с тем, что по действующим инструктивным документам они (ЭП) определяются лишь в части пластопересечений (скважин), в связи с чем достоверность построений снижается. Добавим к этому, что прежде изучение ЭП в период разведки не считалось обязательным, а каменный материал по тем или иным причинам мог быть утрачен.

Опыт исследования ЭП в углях позволил автору прийти к выводу о возможности использования в подобных случаях для оценки содержаний ЭП корреляционных связей между величиной их концентрации и такими показателями качества углей, как зольность и содержание серы /28/. Указанные показатели обладают двумя важными достоинствами: во-первых, ЭП связаны с ними генетически (зольность приблизительно соответствует содержанию минеральных компонентов, сернистость почти всегда пропорциональна содержанию сульфидов железа); и, во-вторых, при геологоразведочных работах они определяются во всех пластопересечениях (зола) или в большей части (сера).

Математическая обработка аналитических данных с целью описания корреляционных зависимостей проводится в следующей последовательности:

- выбор формы уравнения регрессии;

- вычисление коэффициентов уравнения регрессии;

- оценка достоверности полученного уравнения.

При использовании компьютера выполнение всех операций по установлению и оценке корреляционных зависимостей может производиться с помощью статистических программ (например Microsoft Excel) или компьютерной системы ГЕОСКАН.

В табл. 1 в качестве примеров приведены регрессионные зависимости для некоторых ЭП в углях Восточного Донбасса. Они позволяют вычислять вероятные значения зависимой переменной (ЭП) по заданным значениям независимых переменных d (Аd, S ) в области: зольность — 5-50%, сернистость — 0,5-6,0%. Аналитический маt териал, использованный для вычисления уравнений регрессии, получен нейтронноактивационным методом анализа нескольких сотен угольных проб, отобранных в горных выработках действующих шахт Шахтинско-Несветаевского геологопромышленного района Восточного Донбасса.

Эффективность предлагаемого корреляционного метода оценки содержаний ЭП проверяется сравнением расчетных (по уравнениям регрессии) и экспериментальных значений /29/.

Рекомендуется следующая последовательность операций при построении геохимических карт.

1. Построение пластовых карт зольности и сернистости угольных пластов. Такие карты часто входят в материалы к подсчету запасов, и на них тем или иным способом, например, изолиниями, выделяются зоны различной зольности и сернистости. Построение пластовых карт производится с учетом геоморфологической структуры торфяного ландшафта. Примеры построения пластовых карт приведены в /15-17, 24/.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.