«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Деревянный минерал

Несколько сот миллионов лет назад зона тропического климата на Земле доходила до широт Шпицбергена и выше. Тепло и высокая влажность способствовали буйному росту растений, в том числе громадных деревьев. В связи с отсутствием в этот период (названный впоследствии геологами карбоновым, или каменноугольным) лесной и целлюлозно-бумажной промышленности деревья умирали, падали и на их остовах вырастали новые деревья. Так было много раз, пока геологические сдвиги и осадочные породы не погребали многометровые толщи остатков растений под слоем горных пород. Так под действием высокой температуры и огромного давления, без доступа кислорода происходила углефикация растительного материала, его обескислороживание и обеднение водородом. По мере протекания этого процесса исчезали узнаваемые детали строения исходных растений, заметные еще в торфе, буром угле и немного в каменном, и образовывался сплошной антрацит, а затем и кристаллический графит; последний на 100 % состоит из углерода (см. таблицу). Угли (каустобиолиты), как и другие породы органического происхождения— янтарь, жемчуг, ракушечник, перламутр, не строго попадают под определение «минерал», находясь где-то вблизи условной границы, разделяющей органический и неорганический миры. Условность этой границы подтверждается тем, что графит может быть и органического, и неорганического происхождения.

В начале палеозойской эры (древней жизни), когда растительный мир был значительно беднее, из органических останков образовывались горючие сланцы, например эстонское месторождение Кохтла-Ярве. В палеозойскую эру, включающую каменноугольный период, образовалось 40 % месторождений угля. В следующую, более сухую мезозойскую эру — всего 5 %. 55 % углей образовалось в первые периоды нашей кайнозойской эры. Последний, четвертичный период кайнозойской эры, соответствующий возрасту человечества — 2 млн лет, оставил нам только торфы и частично бурые угли.

Геологи и палеонтологи изучают каменноугольные пласты и по отпечаткам древних растений и животных раскрывают генезис (происхождение) тех или иных Пластов, а также историю развития жизни на Земле.

Начало использования угля относится только к XII в. нашей эры (Китай). В Европе уголь также упоминается в документах XII в. Но, поскольку при сжигании угля образуется сернистый газ, запах которого ассоциировался с адским пламенем, сжигание угля в средние века было запрещено. Только в конце XVIII в. уголь стал применяться в промышленности.

На-гора

С развитием производства в XIX в. уголь стал основным источником энергии в промышленности и на транспорте, а кокс использовался как восстановитель железа при доменной плавке.

Огромные запасы угля — сотни миллиардов тонн — позволяют до настоящего времени наращивать его добычу. Сейчас она составляет только в нашей стране около 800 млн т в год. Несмотря на все возрастающую роль нефти, газа, атомной и гидроэнергетики, уголь еще долгое время останется одним из важнейших видов минерального сырья. Его добыча в нашей стране с 1940 г. возросла в 5 раз.

Как правило, угольные пласты залегают неглубоко от поверхности. Поэтому уголь добывается преимущественно открытым способом. С поверхности угольного пласта снимается порода, и уголь черпается из карьера в вагоны прямо ковшом экскаватора. Это самый дешевый и производительный способ добычи угля. В нашей стране таким образом разрабатываются угли в Экибастузе, на Канско-Ачинском топливно-энергетическом комплексе (КАТЭК), частично в Кузбассе и на других месторождениях.

На десятки километров раскинулось крупнейшее месторождение угля — Экибастузское — в Казахстане. На его базе создается энергетический комплекс, в который войдут пять ГРЭС суммарной мощностью 20 млн кВт электроэнергии. Уже шагнули в степь опоры самой большой линии электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ. Протяженность сверхдальней ЛЭП будет 2415 километров. Электромост перешагнул на своем пути сотни рек, горы Урала; мачты-гиганты высотой 42 м понесли ток Экибастуза в центральную часть России. Экибастузские ГРЭС уже дают промышленный ток.

Угольщики Экибастуза питают топливом 20 электростанций Казахстана, Урала и. Сибири. Ежегодно они отгружают более 70 млн т дешевого угля. Строительство разреза «Богатырь» было начато в 1975 г. А сейчас там каждую минуту добывают более 100 т угля, 54 млн т в год поднимают на-гора. В разрезе «Богатырь» работает современная техника: роторные экскаваторы производительностью от 2 тыс. до 5 тыс. т угля в час. Близок день, когда угольщики Экибастуза добудут миллиардную тонну со дня разработки месторождения.

Горняки Экибастуза были первыми, кому пришлось осваивать эту мощную технику.

Сейчас набирает силу КАТЭК — здесь добывается 50 млн т угля в год. Мощность угольного разреза такова, что в перспективе возможно добывать до 1 млрд т/год самого доступного, дешевого и малосернистого угля. Правда, он обладает высокой зольностью и перевозки его нецелесообразны: он должен перерабатываться на месте.

В Донецком, Воркутинском бассейнах и некоторых других уголь добывается подземным способом. Шахты уходят в глубь Земли на километр и более. Здесь применяются автоматизированные проходческие комплексы, включающие угольные комбайны, которые врубаются в угольный пласт, собирают и грузят уголь в вагонетки. Несмотря на это, производительность труда на шахтах втрое меньше, чем на карьерах. Поэтому сейчас все шире внедряется метод гидродобычи, при котором уголь размывается гидромониторами и в виде суспензии по трубам подается на поверхность. Здесь происходит обогащение и переработка угля.

Урожай гравитационного поля

Пласты угля в Земле в значительной степени перемешаны со сланцевыми, глинистыми и другими породами. Кроме того, в процессе добычи в уголь попадает порода из оконтуривающих угольный пласт слоев — лежачего и висячего боков. Эти бесполезные примеси целесообразно удалить до попадания угля в топку, да и перевозить их нет смысла. Эта так называемая внешняя зольность может быть отделена методами обогащения полезных ископаемых в отличие от внутренней зольности, связанной с самим угольным веществом аналогично золе, остающейся после сгорания древесины.

Плотность угля составляет 1,2–1,35 г/см³, а вмещающих горных пород — 1,8–2. На этом различии основано их разделение в гравитационном поле. Разница в плотности здесь значительно меньше, чем у золота и вмещающих пород, поэтому и гравитационные аппараты для обогащения углей более сложны. Существует множество механических способов разделения минералов по плотности, объединяемых названием «гравитационное обогащение полезных ископаемых». В качестве среды гравитационного поля используются вода, воздух, тяжелые жидкости, суспензии, жидкий электролит, помещенный в скрещенные электрическое и магнитное поля. Среды характеризуются реологическими параметрами: плотностью, вязкостью, предельным сопротивлением сдвигу, устойчивостью и др. Свойства среды оказывают влияние на скорость перемещения разделяемых частиц и эффективность разделения.

Условно минералы делят на три группы: легкие (до 3 г/см³), куда входит и уголь, средние (3–4 г/см³) и тяжелые (более 4 г/см³). Плотность минералов зависит от химического состава и типа кристаллической структуры. В последнюю группу входят, как правило, минералы, содержащие тяжелые металлы. Наибольшая плотность у самородных элементов — золота, серебра и минералов группы платины.

По закону Архимеда на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости. Но минералов легче воды не существует. Известны некоторые растворы и жидкости с высокой плотностью, например хлорэтан (1,58), бромоформ (2,9), тетрабромэтан (3), ртуть (13,6). Но применение этих жидкостей в больших масштабах обходится дорого. Есть другой способ создания тяжелой среды для разделения минералов — получение суспензий.

Тонкоизмельченный порошок какого-либо тяжелого вещества, например ферросилиция, минералов галенита, магнетита, пирита или барита, размешивают в воде. При достаточной степени измельчения порошок оседает не сразу, а долгое время находится во взвешенном состоянии. Взвесь тем устойчивее, чем больше тонких частиц находится в ней.

Если вынуть из воды твердое тело, оно будет мокрым, т. е. на его поверхности остается тонкая пленка воды, потому что между молекулами воды и поверхностью твердого тела существует взаимодействие, сцепление более прочное, чем между молекулами воды. Благодаря этому взаимодействию вода образует как бы оболочку вокруг каждой твердой частицы, попавшей в нее. Эта оболочка, более плотная, чем остальной объем воды, обладает повышенной вязкостью, так как сцепление молекул воды в пей увеличивается под влиянием твердого тела, вернее его энергетического поля. Когда твердых частичек в воде много и толщина водных пленок на них близка к расстоянию между частичками, вся вода связана в эти плотные поверхностные пленки. Вязкость воды сильно возрастает, она препятствует быстрому оседанию тонких частиц суспензии. Суспензия становится устойчивой. В ней тонут только очень крупные и тяжелые по сравнению с суспензированным порошком частицы.

Плотность такой суспензии — величина промежуточная между плотностями воды и порошка. Можно приготовить достаточно устойчивую суспензию с плотностью 3 г/см³ и выше, что вполне достаточно для разделения многих минералов. Частицы разделяемых минералов должны быть крупнее, чем частицы, из которых приготовлена суспензия.

Сепаратор для разделения в суспензии представляет собой конусообразный сосуд с мешалкой, в который непрерывно поступают суспензия и руда. С поверхности суспензии сгребаются всплывшие, а со дна конуса удаляются потонувшие куски. Теперь остается только отмыть куски руды от налипших частиц суспензии. Это легко сделать, так как они имеют различные размеры и могут быть разделены на грохотах. Магнетит и ферросилиций можно отделить электромагнитом. Из отмытых частиц снова приготовляется суспензия, так что она почти не расходуется в процессе обогащения.

Схема обогащения с тяжелых суспензиях

Обогащение в тяжелых суспензиях широко применяется при переработке дешевых полезных ископаемых (угля, стройматериалов, фосфоритов и руд черных металлов) или бедного сырья (руд цветных и редких металлов). Основные преимущества метода заключаются в способности эффективно перерабатывать исходное сырье крупностью от 2–5 до 300 мм, а иногда даже до 1200 мм при высокой производительности (до 600—1000 т/ч) с получением отвального продукта, содержащего незначительное количество ценных компонентов, а также в возможности разделения сырья на продукты при незначительной разности в плотности (±0,003 г/см³). Кроме того, этот метод обогащения дешев, требует незначительных расходов электроэнергии, воды, утяжелителя и небольшой численности обслуживающего персонала; процесс легко поддается автоматизации. Основным недостатком этого метода является необходимость отмывки исходного материала от глинистых частиц.

В качестве утяжелителя обычно используется гранулированный ферросилиций, магнетит или его смесь с ферросилицием, реже барит, пирит, песок, а также другие компоненты. Плотность суспензий регулируется автоматически.

В тяжелой суспензии обогащается прежде всего уголь, имеющий меньшую плотность (1,4) по сравнению с сопровождающим его сланцем (2,0) и пиритом (5,0).

Свинцовые руды, содержащие крупные вкрапления тяжелого свинцового блеска (галенита), могут обогащаться в тяжелой суспензии, приготовленной из того же тонкоизмельченного галенита. В тяжелых суспензиях могут обогащаться и многие другие руды, например вольфрамовые, оловянные, железные, марганцевые, свинцово-цинковые, медные, флюоритовые.

Применение суспензий позволяет выделить сразу, на первой стадии обогащения, большую часть пустой породы, что важно при высокопроизводительной, валовой добыче полезных ископаемых. Процесс обогащения в тяжелых суспензиях получает все большее распространение. Появились усовершенствованные аппараты, сочетающие процесс разделения в суспензии с разделением под действием центробежных сил в гидроциклоне. При этом увеличивают различие в массе частиц разделяемых минералов и разделение проходит более эффективно.

На основе современной физико-химической механики разработана теория нового метода повышения эффективности разделения в дисперсных системах с помощью низкочастотной вибрации. На углеобогатительных фабриках это позволило повысить производительность тяжелосредных сепараторов и снизить содержание золы в концентратах.

Существуют и другие, более универсальные способы разделения минералов по плотности. Наиболее распространен процесс, называемый отсадкой, в котором попеременно используются подвижность легких частиц и большая скорость падения в водной среде тяжелых минералов.

Отсадочная машина

В отсадочной машине у поверхности воды имеется подстилка — лежащий на решете слой крупных частиц магнетита или другого минерала с промежуточной для разделяемых минералов плотностью. Эта подстилка называется «постелью». Бывают также отсадочные машины о решетом без постели.

В первой стадии цикла отсадки восходящая струя воды успевает только взрыхлить слой постели и чуть приподнять легкие минералы. Затем восходящая струя сменяется нисходящей. В этот момент вниз через постель и решетку устремляются тяжелые минералы. При этом нижние частицы успевают проскочить под решетку. Их место занимают частицы, лежавшие повыше. За ними следуют легкие минералы, но они не успевают проникнуть глубоко в постель: новый восходящий поток воды снова подбрасывает их над постелью и они смываются боковой струей воды, вместе с которой поступает на отсадку свежая руда. Слив отсадочной машины — легкий продукт, т. е. обогащенный уголь. В случае обогащения руд, наоборот, тяжелый концентрат собирается на дне отсадочного конуса. Он накапливается при каждом импульсе. Постель служит своеобразным клапаном, пропускающим тяжелые и задерживающим легкие минералы.

Быстро и тяжело «дышит» отсадочная машина. Частички руды, подпрыгивая в постели, постепенно перемещаются к разгрузочному концу. Секрет пульсаций несложен. В боковой стенке камеры машины имеется диафрагма или поршни, попеременно сжимающие воду в камере и втягивающие ее обратно. Чем чаще пульсации, тем более тонкие частицы минералов можно подвергать отсадке. Для разделения частиц крупностью меньше 1 мм число импульсов должно достигать 3000 в минуту.

В некоторых отсадочных машинах под слоем воды качается само решето: поднимаясь, оно создает нисходящий, а опускаясь — восходящий поток воды. На этом принципе основана и самая примитивная отсадка — промывка на решете: его, наполнив измельченной рудой, встряхивали в бочке с водой.

Отсадка — самый распространенный и эффективный метод гравитационного обогащения. Одна из последних моделей отсадочной машины ОМ-24 имеет площадь постели 24 м² и может перерабатывать 400–650 т угля в час.

Частицы размером менее 1 мм уже не могут обогащаться гравитационными методами. Земное притяжение для таких частиц слишком незначительно, и они очень медленно опускаются в водной среде. Здесь вступают в действие другие силы — поверхностные, власть которых увеличивается с уменьшением размеров частиц и, следовательно, с увеличением их удельной поверхности (приходящейся на единицу массы).

Обогащение в струе воды по плотности было известно давно. Промывка в желобах, на шлюзах из бараньих шкур, отсадка на решете — все эти способы мало изменялись на протяжении более чем тысячелетнего существования, вплоть до XIX в.

Когда проблема обогащения руд стала весьма актуальной, начали искать научное объяснение и пути совершенствования этих процессов. Француз Пернолэ в 1851 г. открыл законы падения рудных частиц в воде. Затем Борн описал их движения в восходящей струе воды. Узатис, Иордан, Спара, Риттингер, Ричардс, а за ними советские ученые Г. О. Чечотт и П. В. Лященко создали научные основы гравитационного обогащения полезных ископаемых.

В 50—60-х годах были проведены фундаментальные работы, основанные на принципах классической механики, по изучению процессов отсадки и других гравитационных методов обогащения (И. М. Верховский, В. И. Классен, Н. Н. Виноградов, Э. Э. Рафалес-Ламарка, Б. В. Кизевальтер, В. Н. Шохин, Г. Д. Краснов и др.). Зарождение процесса обогащения в тяжелых средах связано с именем Е. А. Слепцова, предложившего его в 1926 г. применительно к углю.

В последние годы заметно расширилась область применения гравитационных методов обогащения и увеличилась номенклатура используемого оборудования. Гравитационный процесс — основной для обогащения угля. Многие руды редких и драгоценных металлов успешно обогащаются гравитационными методами. Эти методы, как более дешевые, применяют для предварительной концентрации полезного ископаемого в цветной металлургии и при обогащении горно-химического сырья.

Судьба золушки

При всей необходимости, полезности и эффективности угля необходимо отметить один существенный его недостаток: это одно из самых «грязных» в экологическом смысле полезных ископаемых. Угольные карьеры, романтически названные в одной популярной брошюре как «недра, открытые солнцу», представляют собой многокилометровые язвы на теле Земли, как и отвалы вскрышных пород, образующие пресловутые терриконы. Но это еще полбеды.

Отходы обогащения (хвостохранилища) и сжигания угля (золоотвалы) представляют собой пылящие, смердящие и самовозгорающиеся участки, на которых ничто не растет и никто не живет. Кроме того, при сгорании угля в атмосферу выбрасывается значительное количество окислов углерода, серы, азота, всего 0,5 т пылегазовых выбросов с каждой тонны угля. А добыча всего 1 т угля дает свыше 3 т отходов.

В последние годы перед угольной и топливно-энергетической отраслями промышленности остро встали вопросы создания безотходных технологий: рекультивации отвалов, утилизации хвостов обогащения и золы, пылеулавливания, переработки газов ТЭЦ, переработки угля на жидкое топливо.

Выяснилось, что практически все вредные компоненты, образующиеся при добыче, переработке и сжигании угля, могут быть использованы. Особенно цепными являются компоненты внешней и внутренней золы.

Золы различных углей отличаются по своему составу. Некоторые из них содержат значительные промышленные количества рассеянных элементов. Например, это один из основных источников германия. В других золах имеются галлий, молибден, бериллий. Почти все золы содержат значительное количество алюминия. Правда, так называемый кремниевый модуль (отношение Al₂O₃/SiO₂) низок, но для получения кремнеалюминиевых сплавов они вполне пригодны. Такая установка сооружается в Экибастузе.

Отходы углеобогащения и зола после сжигания еще содержат 8—10 % углерода. Поэтому производство стройматериалов, требующих обжига, возможно из этих отходов без затрат дополнительного топлива. Уже работают заводы по производству кирпича и аглопорита.

В углях содержится сера двух видов: в органической части горючей массы и в виде сульфида железа — пирита. Пирит может извлекаться из угля методами обогащения — в этом случае пирит может быть использован для производства серной кислоты, а железистый пиритный огарок применяется как добавка в цемент. Чтобы не допустить сгорания серы с углем, отчего образуется сернистый газ низкой концентрации и поэтому сложно утилизируемый, большую часть серы можно извлекать из угля с помощью специальных бактерий. Этот процесс еще не вышел из стадии опытно-промышленных исследований, но весьма перспективен.

Резко уменьшается количество вредных отходов сжигания при переработке угля в жидкое топливо. Технология этого процесса известна давно, и даже существуют природные аналоги. Вот что опубликовала газета «Социалистическая индустрия» 16 августа 1986 г.

В верховьях р. Чыбыда, к западу от Якутска, местные жители обнаружили месторождение… керосина. Таков удивительный сюрприз дикой северной природы. В недрах вечной мерзлоты ею создан уникальный завод по сухой перегонке каменного угля. Обширный пласт бурого угля на большой глубине самовозгорелся — это случается нередко. Тление продолжается уже длительное время. Под воздействием высокой температуры и колоссального давления начала выделяться темная маслянистая жидкость. По вертикальным микроскопическим разломам опа вытесняется наверх и на отдельных участках выплескивается на поверхность, источая характерный запах керосина. Если поднести к ней горящую спичку, вспыхивает коптящее пламя.

Подобная промышленная установка, в которой процесс гидрогенизации угля ускоряется действием катализаторов, строится на КАТЭКе. Энергия будет поступать отсюда в другие районы страны в виде не только электричества, по и жидкого топлива.

Научно-исследовательские работы показали высокую эффективность использования газификации угля не автономно, а в комбинированных энерготехнологических установках. Использование низкокалорийного газа в комбинированном цикле увеличивает КПД топлива до 50 % (вместо 38 % в традиционной энергетике) и обеспечивает глубокую переработку попутных продуктов. Технология безотходна и безвредна для окружающей среды. Выброс пыли на такой установке в 75 раз меньше, чем на обычной, окислов серы — в 10 раз, окислов азота — в 3 раза. Короче говоря, парогенераторная установка на угле чище теплофикационного блока, сжигающего газ. Таковы перспективные направления использования угля.

Еще Д. И. Менделеев в 1888 г. высказал идею подземной газификации угля. Позднее, в 1912 г., то же предложил английский химик У. Рамзай. В угольный пласт через специально пробуренные скважины вдувается воздух, и пласт поджигается. С другого конца отводится образующийся газ, содержащий главным образом окись углерода. Этот газ пригоден как энергетическое топливо, а также для синтеза углеводородов или аммиака.

В 1933 г. группа советских инженеров — И. С. Коробчанский, В. А. Матвеев, В. П. Скафа и Д. И. Филиппов — разработали проект подземной газификации угля бесшахтным способом. Газогенератор представляет собой горизонтальный канал в угольном пласте; воздушное и кислородно-воздушное дутье подается через наклонные и вертикальные скважины. По мере сгорания угля реакционные зоны перемещаются, и под действием горного давления выгоревшие участки заполняются породой. Хотя часть теплотворной способности угля расходуется в пласте, стоимость извлечения минимальна: исключаются строительство шахты, добыча и транспортировка угля, вся зола остается под землей. Это был первый процесс, совместивший добычу и переработку полезного ископаемого, получивший название «геотехнология». Но процесс подземной газификации угля пока считается неэкономичным. Причина в том, что получаемый таким способом газ хуже и дороже природного. Однако во многих случаях подземную газификацию можно сочетать с обычной добычей, извлекая этим способом уголь из менее доступных и бедных участков месторождения. Метод перспективен и для горючих сланцев.

При подземной газификации возможно получение и некоторых химических веществ — фенолов, бензолов, пиридина и т. д. Это уже целый химико-энергетический комбинат. Но пока это задача будущего.