научная статья по теме ОЦЕНКА РАДИОАКТИВНОСТИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА РАДИОАКТИВНОСТИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 1, с. 3-11

УДК 622.33

ОЦЕНКА РАДИОАКТИВНОСТИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

© 2014 г. М. Я. Шпирт*, С. А. Пунанова**

* Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Москва E-mail: shpirt@yandex.ru ** Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем нефти и газа РАН, Москва E-mail: punanova@mail.ru Поступила в редакцию 04.06.2013 г.

Суммированием наиболее надежных литературных данных представлены средние содержания основных естественных радионуклидов (ЕРН), т.е. тория, радия, урана и изотопа 40К, в месторождениях углей и горючих сланцев земного шара, а также России. В среднем твердые горючие ископаемые (ТГИ), используемые как энергохимическое сырье, незначительно влияют на общий фон природной радиоактивности, но ТГИ отдельных месторождений, а также продукты их переработки, особенно золошлаковые, отличаются повышенной радиоактивностью. Обобщены экспериментальные данные по формам соединений тория и урана в бурых и каменных углях, а также по их распределению между твердыми продуктами обогащения и сжигания углей. Показано, что в некоторых работах по экспериментальным оценкам радиоактивности золошлаковых отходов допущены серьезные неточности. Предложены соотношения, позволяющие количественно рассчитать радиоактивность шлаков и золы-уноса, исходя из радиоактивности сжигаемых углей и их зольности. Приведены нормативные соотношения для расчета возможности утилизации отходов добычи, обогащения и сжигания ТГИ с известной величиной радиоактивности в производстве строительных материалов. Показаны неблагоприятное воздействие на человека и окружающую среду, которое может иметь место при добыче и переработке ТГИ с различной радиоактивностью, и основные мероприятия для его снижения до допустимых уровней.

Б01: 10.7868/80023117714010101

Естественная радиоактивность твердых горючих ископаемых (ТГИ), т.е. углей, горючих сланцев, торфов, обусловлена содержанием в них так называемых естественных радионуклидов (ЕРН): урана, тория, изотопа 40К и продуктов радиоактивного распада ТЬ, и, в первую очередь радия и газообразного радона.

Согласно нормативным документам, принятым в России и, вероятно, существующим в зарубежных странах, на первой стадии разведки любого месторождения углей и горючих сланцев определяется величина радиоактивности [1, 2]. В зависимости от полученных показателей месторождения разделяют на три группы:

— технологическая группа, твердые горючие ископаемые рассматриваются в качестве сырья на уран и другие радиоактивные элементы;

— промежуточная, обычно не рекомендуемая для разработки до завершения полной радиационной разведки;

— энергетические горючие ископаемые, которые можно добывать и использовать в качестве обычных полезных ископаемых.

Впервые повышенное содержание урана обнаружено в углях еще в 1875 г. (штат Колорадо, США) [1]. В дальнейшем во многих странах мира были найдены месторождения горючих сланцев и углей, обогащенные ураном. Например, в США к 1958 г. на территории 18 штатов были выявлены 100 месторождений урана в углях и, по-видимому, начато промышленное освоение углей и лигнитов как ураноносного сырья. В пластах углей Южной Дакоты найден урановый минерал карнотит, содержание которого составляет более 0.1%. Судя по опубликованным данным [3—5], максимальное содержание и в золах углей находится в пределах 6—7%, что примерно в 30000 раз превышает кларк.

Подробно содержания урана в каустобиолитах рассмотрены в специальной литературе, и в настоящей работе приведена только краткая информация по этому вопросу. Оценки средних содержаний урана и тория в углях, полученные различными авторами, не одинаковы. По данным [6, 7], среднее содержание тория в бурых и каменных углях изменяется, соответственно, от 3.2 до 3.0 и 3.5—3.1 г/т, а урана — от 2.7 до 2.9 и 1.9 г/т. Вероят-

Таблица 1. Содержание радиоактивных элементов в углях месторождений различных стран, г/т

Страна, бассейн 238U 232Th

Северная и Южная Дакота, Монтана**, Греция** Северная Азия (Сибирь, Дальний Восток, Казахстан, Монголия) Угли Сибирского региона Зап. часть Канско-Ачинского бассейна Кемеровская область Канско-Ачинский бассейн, разрез "Итатский" 1600-3200 (800)* 18-4460 0.6-32.8 Средневзвешенное содержание 1.5 4.9 6-139 (56.9) 0.8-32 2.4 0.2-9.9 (2.4)

* В скобках указано среднее содержание. ** По-видимому, с учетом углей 1-й группы.

Таблица 2. Среднее содержание (г/т) радиоактивных элементов в золе энергетических углей Кузбасса

Марка угля по ГОСТ 25543-88

Д ДГ Г ТС СС Т А

Th 25.5 26.6 35.1 18.3 34.6 31.1 29.8

U 69.4 18.7 35.4 - 33.2 30.1 17.9

но, различия могут объясняться тем, что авторы не указывают, какие группы месторождений, перечисленные выше, учитывались в этих оценках. Наиболее надежные величины содержаний тория и урана в углях различных месторождений суммированы в табл. 1. Следует отметить весьма неравномерное распространение ЕРН в ТГИ. Так, например, в пределах одного месторождения и иногда даже одного пласта величины максимальных и минимальных содержаний урана или тория могут различаться более чем на два порядка.

Среднегеометрические концентрации тория и урана в углях США оцениваются величинами 3.2 и 2.1 г/т. Содержание и и ТЬ в бурых углях Адун-Чулунского месторождения [8], расположенного на востоке Монголии, составляет 32.8 и 1.0 г/т. Отмечено, что содержание урана существенно различается в окисленных (393.9 г/т) и неокис -ленных углях (9.5 г/т).

В углях Кузнецкого бассейна, поступающих на энергетику, содержания урана и тория изменяются в пределах 18—69 и 18—35 г/т, а в углях, используемых для коксования, концентрации урана и тория составляют величины от 8 до 40 г/т и 23 до

50 г/т. Наиболее полная информация по содержанию ЕРН в углях Кузнецкого бассейна получена в результате работ Б.Ф. Нифонтова на основе исследования более 2000 проб, отобранных по 104 пластам и участкам [9]. Анализ проводился методом нейтронно-активационного анализа, некоторое количество проб анализировали приближенно количественными методами спектральным (на La и Yb) и 9 проб в связанной плазме (ICP MS). Содержание U было определено в 330 пробах, а Th — в 390. Средние содержания U и Th в золе энергетических и коксующихся углей различных марок приведены в табл. 2 и 3.

Выявлено обогащение углей Кузбасса радиоактивными элементами по сравнению со средними значениями содержаний элементов в углях (табл. 4). Следует отметить существенное различие в содержаниях микроэлементов в различных пластах и участках. Так, например, для U величина степени неравномерности, т.е. отношение максимальной концентрации к минимальной, составляет 164. Средние содержания Th и U в расчете на уголь и их золу в товарных и пластовых пробах углей Кузбасса различаются. Это, вероятно, объясняется тем, что зольность первых выше и выборка по пластовым пробам более представительна, чем по товарным, количество которых для U составило 13. Встречаемость микроэлементов в проанализированных пробах была весьма высокой. Выявлены значимые корреляционные зависимости между содержаниями в углях Кузбасса Th и Се (r = 0.69); Th и Sm (r = 0.63); Th и Eu (r = = 0.64) при количестве проанализированных проб соответственно 391; 390 и 285. Статистиче-

Таблица 3. Среднее содержание (г/т) радиоактивных элементов в золе коксующихся углей Кузбасса

Марка угля по ГОСТ 25543-88

ГЖО ГЖ Ж КЖ К КО КСН КС ОС

Th 50 26 29 25 42 42 56 24 23

U 16 26 21 8.2 27 29 40 30 14

Таблица 4. Содержания ТЬ и и в углях Кузнецкого бассейна [9]

Содержание, г/т Коэффициент Зольность проб, %

Элемент пластовых проб товарных проб

среднее на уголь пределы изменений на уголь среднее на золу на уголь на золу концентрирования* пластовых товарных

ТЬ 4.2 0.62 31.3 5.4 26.3 1.2 13.4 20.4

И 4.1 0.1-16.4 29.6 3.3 11.8 1.4 13.9 28.2

* Коэффициент концентрирования рассчитан как соотношение содержаний урана и тория в угле пластовых проб по отношению к их кларкам в угле.

Таблица5. Радиоактивность (Вя/кг) естественных радионуклидов в углях месторождений различных стран [10, 11]

Бассейн 40К 238И 22^а 210РЬ 232ТЬ

По всем бассейнам мира 50 20 20 20 20

37-440 1 5-250 1 . 5- 10 0 1 0-50 <7- 110

Страны бывшего СССР 120 28 - - 25

США 52 1 8 22 2 1

1 -7 10 1 -5 40 2 -320

Австралия - - 30-48 - -

Китай 30 7 - - 16

Германия - - 26 - -

Польша - - 2-35 - -

Великобритания 1 66 1 4.2 14.9 1 2.6

5 5 -314 7 . 8 -30 8 . 9 -25 .5 7 -1 9.2

Чехословакия 4-13

Польша 2-35

Восточный Донбасс антрацитовый штыб 300 76 34 21

Читинская область Уртуйское месторождение бурые угли 2.5-780 100-12300 24-800

Примечание. В числителе — средние значения содержаний ЕРН; в знаменателе — пределы изменений этих величин.

ски значимые корреляционные зависимости между содержаниями в углях Кузбасса ТЬ и ТЬ, а также ТЬ и УЬ, по-видимому, отсутствуют.

Из всех ЕРН горючих и черных сланцев наибольшая информация имеется по И, который заметно накапливается в этих сланцах и, несомненно, является для них типоморфным (характеристическим) элементом. Его среднее содержание в черных сланцах 8—13 г/т, а аномально высокими считаются >25 г/т. При этом "молодые" черные сланцы (фанерозоя) отличаются более высокой концентрацией и по сравнению с докембрийски-ми. В накоплении И весьма значительна роль сорбционных процессов на органических веществах после предварительного восстановления соединений И (VI) до И (IV) [1]. В горючих сланцах содержание ТЬ и И соответственно 12 и 3.2 г/т.

В работах по поиску и извлечению делящихся материалов содержание ЕРН приводится обычно не в массовых величинах, а в удельных единицах радиоактивности (кюри/кг или в беккерелях на кг, Бк/кг, Вя/к§), поэтому многие авторы указывают не содержания ЕРН в г/т, а величины их радиоактивности обычно в Бк/кг. Соответствующие величины показаны в табл. 5.

Удельные активности ЕРН в углях различных месторождений различаются в 100—1000 и более раз, хотя при усреднении данных по странам они становятся близки друг к другу. В

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком