Примеси: ценные и опасные

Уголь это не только углерод. В его состав входит еще несколько десятков химических веществ. В том числе более 50 элементов-примесей. От того, каких и сколько именно, зависит экономическая эффективность его использования. А также потенциальный вред, который его сжигание может нанести природе и здоровью человека.

Автор: Наталья Дёмшина

Уголь главным образом состоит из органической части - углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), азота (N) и серы (S). И минеральной части в виде оксидов кремния, алюминия,  железа, кальция, магния, титана, серы, марганца. 
Кроме того, присутствуют микроэлементы (малые элементы), доля каждого из которых - не более 1% от общей массы сухого угля. Однако столь низкое содержание отнюдь не умаляет их значения.

История вопроса
Откуда взялись в угле эти самые микроэлементы? Часть перешла «по наследству» от растений, которые когда-то стали основой для формирования торфяных болот - природных «фабрик» по производству угля. 
Железо, марганец, кобальт, медь, никель и цинк, молибден, бор, сера и ряд других химических элементов играли важную роль в жизнедеятельности зеленых «прародителей» угля. Чем больше того или иного вещества содержалось в почвах, тем больше «впитывали» растения. 
Однако, как выяснили ученые, главным источником примесей становятся не торфообразующие растения, а породы, окружающие места скопления торфа. Оттуда химические элементы с грунтовыми и глубинными водами мигрируют в торфяники. Здесь под воздействием основных ингредиентов торфа и бурого угля, гуминовых кислот эти вещества концентрируются и модифицируются в комплексные соединения.
В процессе дальнейшего преобразования бурого угля в каменные угли и антрациты гуминовая кислота постепенно переходит в «спящее» состояние. И накопление микроэлементов замедляется и прекращается. Отсюда - разное содержание микроэлементов в углях различных марок.

Элементы будущего 
В многоликой компании угольных примесей собственная «иерархия». Элементы, которые могут использоваться в промышленности, — самые ценные: германий, уран и галлий, попутно могут извлекаться молибден, селен и свинец. 
Германий используется при изготовлении приборов ночного видения и оптико-волоконных линий связи. В перспективе он может стать одним из основных «ингредиентов» солнечной энергетики: КПД панелей на базе германия очень высок около - 37%. 
Галлий применяется в детекторах нейтронов, его соединения «работают» в тонкой электронике, лазерах и световодах. Селен необходим в приборостроении: термоэлектрике и фотоэлектрике. Он также входит в состав некоторых медицинских препаратов. 
Потенциально ценными (при соответствующем содержании) угольными примесями считаются золото, серебро, платиноиды, ванадий, хром, никель, вольфрам, ртуть и бор. 
Технологически полезные элементы в углях - молибден, никель, кобальт, олово, цинк - выступают в роли катализаторов при использовании углей для производства жидкого топлива.
Технологически вредные - сера, фосфор (в углях, которые применяются для доменного и литейного кокса), мышьяк и фтор - в энергетических углях. К токсичным угольным примесям относятся сера, ртуть, мышьяк, бериллий, фтор, свинец, ванадий, никель, хром, марганец. Эти элементы могут быть потенциально опасными при определенных концентрациях в сухом угле.

Практический интерес
Однако «доставать» все это богатство из угля, вернее, угольной золы имеет смысл, только если содержание полезного компонента достаточно высоко. И при условии наличия эффективной, экономически оправданной технологии его извлечения. 
Сегодня с этой точки зрения практический интерес представляет, пожалуй, только германий, и только в отдельных случаях. Например, в России германием богаты залежи Павловского месторождения, расположенного в Приморском крае, Новиковского — на острове Сахалин и Тарбагатайского — в Бурятии. 
Именно здесь добывается основная часть отечественного германия. В углях этих месторождений в среднем содержится около двухсот граммов германия на тонну, кое-где — значительно больше. Извлекают ценный германий из летучих зол, улавливаемых электрофильтрами или рукавными фильтрами, обогащенных германием по сравнению с золой исходного угля в 50 раз больше. 
Его концентрация в зольном остатке может исчисляться несколькими десятками килограммов на тонну. 
«Такие показатели ? скорее исключение, чем правило, - говорит доцент кафедры геологии месторождений и методики разведки Института горного дела, геологии и геотехнологий СФУ (Красноярск) Игорь Юрьевич Яковлев. ? Угли Красноярского края, где сосредоточено около половины прогнозных ресурсов угля России, в плане наличия ценных примесей, а именно германия, можно считать практически стерильными. Содержание того же германия в них в большинстве случаев не превышает 0,5 грамма на тонну угля. Рассматривать же возможность его извлечения целесообразно при цифрах выше трех граммов на тонну сухого угля в углях для коксования, и более 10-15 граммов на тонну сухого угля при энергетическом использовании».

Теоретически возможно
Добывать из угля золото, серебро, свинец, цинк и другие ингредиенты можно, но лишь при условии, что это будет экономически оправдано. Уран, ванадий, хром, никель, вольфрам, бор и ртуть тоже можно извлекать при соответствующих экономических показателях. Теоретически, в будущем угольная зола может превратиться в руду, которая станет источником ценных элементов. 
Пока, по мнению специалистов, говорить об этом рано. Хотя определенная работа ведется. Угольная зола в последнее время все чаще привлекает внимание в качестве возможного нетрадиционного источника редкоземельных металлов (terrae rarae - TR). Исследования ученых Сибирского федерального университета (Красноярск) показали эффективность сорбционного способа извлечения скандия из золы углей Бородинского угольного разреза с помощью катионита. Этот металл применяется в космической технике и энергосберегающих осветительных приборах.

Чистая экономика
Технологически вредные угольные примеси, несмотря на сравнительно небольшие концентрации, способны весьма существенно влиять на экономику угольной промышленности и энергетики. Например, содержание серы в угле (сернистость) выше 4% автоматически снижает эффективность работы доменной печи. Прирост сернистости всего на одну десятую процента уменьшает производительность печи на 1,8%. Каждый дополнительный процент серы «снимает» с оптовой цены антрацита пять процентов. И наоборот: чем ниже сернистость, тем дороже уголь.
Удельный вес золы, получаемой при сжигании угля (зольность), напрямую зависит от содержания в руде тех или иных минералов. А зольность, в свою очередь, является одним из решающих моментов, когда речь идет о подборе технологии сжигания угля. Так, теплостанции Красноярска «настроены» на использование углей Бородинского разреза. И когда в начале 2000-х годов горняки в Бородино забастовали, попытки использовать уголь Березовского разреза (с более низкой зольностью и более высокой теплоемкостью) привели к выходу котлов из строя.  Казалось бы, уголь добывается в пределах одного угольного бассейна, и марка одна и та же, а качество золы — разное. И это очень важно.

Возмутители спокойствия
Токсичные микроэлементы в списке угольных примесей: сера, фосфор, бериллий, радиоактивные торий и уран, и другие — при сжигании угля могут переходить в газообразное состояние и поступать в атмосферу вместе с дымом. Оттуда с осадками они возвращаются в почву. 
В районе угольных теплоэлектростанций степень радиоактивного загрязнения почв, по оценкам специалистов, превышает уровень присутствия подобных элементов возле атомных электростанций. Рядом с крупными ТЭС воздух загрязнен оксидами серы SO2 и SO3: если вдыхать их долгое время, начинают страдать легкие, желудок, кишечник и сердце.

Превышение ПДК
Токсичный бериллий — сильный аллерген и канцероген. В статье Леонида Кизильштейна (ЮФУ) приводятся данные: при сжигании тонны угля из Донецкого бассейна, например, в атмосферу выбрасывается около двух граммов этого вещества. На площади около 150 километров вокруг одной из ТЭС в Донецкой области, фиксируется превышение ПДК в два-три раза.  
Другой «компаньон» угля — ванадий — негативно влияет на работу дыхательной и нервной систем, а также обмен веществ. При сгорании угля «освобождается» и попадает в атмосферный воздух мышьяк (As). В дозах выше допустимых он способен нарушать работу печени, вызвать дерматозы, поражать органы дыхания и другие системы человеческого организма. В городах, где сжигается уголь, концентрация мышьяка в воздухе колеблется от одного до двадцати нанограмм на метр кубический. Возле котельных и ТЭЦ — 70-500 нг/м². В экологически чистых районах эта цифра не превышает 1 нг/м².

Разница в процентах
Ртуть, которая тоже входит в число угольных примесей, в избыточных количествах провоцирует развитие патологий сердечно-сосудистой системы. Отсюда — высокий уровень инфарктов и инсультов у населения соседних с теплоэлектростанциями городов и поселков. Например, у жителей Донецка, где для выработки электроэнергии в основном используется каменный уголь, смертность от этих болезней в 15-20 раз выше, чем в Западной Европе. Потенциально опасным считается содержание ртути в тонне угля более одного грамма. 
Интересно, что один и тот же микроэлемент в зависимости от уровня его концентрации в угле и метода способа использования этого угля может либо играть роль потенциально опасного, либо быть ценным.

Защитная реакция
Частично нейтрализовать вредное влияние токсичных примесей удается с помощью систем очистки выбросов, получающихся при сжигании угля. Главная цель при создании такого оборудования — максимально удалить из дыма частички золы, на которых вредные элементы «путешествуют» в атмосферу. 
Другой вариант — выбирать для разработки месторождения угля с более низким содержанием опасных для человека веществ. 
«В Подмосковном угольном бассейне содержание серы в углях доходит до 10-15%. Если использовать их для ТЭЦ и ГРЭС, вокруг просто начнут идти кислотные дожди, — объясняет Игорь Яковлев. — Поэтому, несмотря на дефицит электроэнергии в этом районе, подмосковный уголь массово не сжигается». 

Спецвыпуск журнала «Промышленные страницы Сибири» «Добывающая промышленность»

Информация взята с сайта: http://www.epps.ru/journal