A Numerical Multi-Component Reactive Model for Pyrite Oxidation and Pollutant Transportation in a Pyritic, Carbonate-Rich Coal Waste Pile in Northern Iran

Abstract

A one-dimensional numerical finite volume model is presented to simulate pyrite oxidation and reactive transportation of the oxidation products in a pyritic, carbonate-rich, coal waste pile. The proposed model incorporates the shrinking core concept for describing pyrite oxidation, pyrite surface area reduction, oxygen diffusion, and transport of the oxidation products through the waste pile. The model governing equations were solved using the PHOENICS computational fluid dynamics model. The accuracy of the model was verified with field data. Pyrite oxidation was more intense at shallower depths where oxygen decreased almost linearly from the pile surface to an approximate depth of 2 m. The lowest pH, 3.5, was predicted at a depth of 0.5 m. The waste pile has high neutralisation potential due to buffering by carbonate minerals. The maximum concentration of SO₄ ²⁻, 31.6 mol/m³, was predicted at an approximate depth of 4 m and to remain constant throughout the rest of waste profile. Simulation of a scenario with a cap shows that iron and sulphate was removed from the upper parts of the pile; their peak concentrations shifted downward due to dilution. Oxygen source removal limited iron and sulphate production. These results will be useful for developing an appropriate remediation scheme.

Zusammenfassung

Ein ein-dimensionales, numerisches Modell (finite Volumen) wird vorgelegt, das der Simulation von Pyritoxydation und des reaktiven Transportes der Oxydationsprodukte in einer pyritischen und karbonatreichen Kohlenbergedeponie dient. Zur Beschreibung der Pyritoxydation berücksichtigt das vorgeschlagene Modell das Konzept eines schwindenden Kernes und abnehmender Pyritoberflächen, sowie von Sauerstoffdiffusion und Transport der Oxydationsprodukte durch den Bergehaufen. Die Gleichungen, welche das Modell beschreiben, wurden mit Hilfe der PHOENICS Fluiddynamik gelöst. Die Genauigkeit des Modelles wurde mittels Geländedaten verifiziert. In geringer Tiefe, in der die Sauerstoffkonzentration von der Oberfläche der Bergedeponie bis ca. 2 m Tiefe abnahm, war die Pyritoxydation stärker. Der minimale pH-Wert, 3,5, wurde für eine Tiefe von 0,5 m vorausgesagt. Wegen hoher Pufferung durch Karbonatminerale hat die Bergedeponie ein hohes Neutralisationspotential. Die maximale SO42- Konzentration, 31.6 mol/m3, wurde für eine Tiefe von etwa 4 m vorausgesagt. Diese Größenordnung findet sich im gesamten Rest der Deponie. Die Simulation eines Scenarios mit einer Deckschicht ergibt den Befund, daß Eisen und Sulphat aus dem gesamten höheren Teil der Deponie verlagert wurden; höchste Konzentrationen wurden auf Grund von Verdünnung nach unten verlagert. Eine Entfernung der Sauerstoffquelle begrenzte Eisen- und Sulfatproduktion. Die Ergebnisse werden für die Entwicklung eines angepaßten Sanierungsschemas nützlich sein.

Resumen

Se presenta un modelo numérico unidimensional de volumen finito para simular la oxidación de pirita y el transporte de los productos de oxidación en una pila de residuos de carbón ricos en carbonato. El modelo propuesto incorpora el concepto de `shrinking core′ para describir la oxidación de pirita, la reducción del área superficial de la pirita, la difusión de oxígeno y el transporte de los productos de oxidación a través del residuo de la pila. Las ecuaciones del modelo fueron resueltas utilizando el modelo computacional de fluido dinámico PHOENICS. La precisión del modelo fue verificada con datos de campo. La oxidación de pirita fue más intensa a menores profundidades donde el oxígeno decrecía casi linealmente desde la superficie de la pila hasta una profundidad aproximada de 2 m. El menor pH, 3,5, fue predicho para una profundidad de 0,5 m. La pila de residuos tiene un alto potencial neutralizante debido al efecto amortiguador de los carbonatos. La concentración máxima de sulfatos, 31,6 mol/m3, fue predicha a una profundidad aproximada de 4 m que permanecería constante en el resto de la pila. La simulación de una situación con una tapa, muestra que hierro y sulfato fueron removidos desde las partes superiores de la pila; sus concentraciones pico bajaron debido a la dilución. La remoción de la fuente de oxígeno limitó la producción de hierro y sulfato. Estos resultados serán útiles para desarrollar un esquema apropiado de remediación.

抽象

本文提出一种一维有限体积数值模型,模拟含硫化物-富碳酸盐煤矿矸石堆中黄铁矿的氧化及氧化产物的反应运移过程。该模型结合了缩芯概念模型,描述整个矸石堆内的黄铁矿氧化、黄铁矿表面缩小、氧气扩散和氧化产物运移特征。运用PHOENICS流体动力学模型求解本模型的控制方程。利用现场试验数据验证模型精度。从矸石堆表面至大约2 m深范围内,氧含量线性减少,黄铁矿在矸石堆浅表氧化强烈。预测pH最低值(3.5)将出现在矸石堆内0.5 m深处。因为所含碳酸盐矿物的缓冲作用,矸石堆具有较强的中和潜力。自矸石堆表面至埋深4处,硫酸盐(SO42-)浓度将达至最大(31.6 mol/m3) 并保持稳定。在矸石堆加盖的情形下,模拟结果显示:矸石堆浅部铁和硫酸盐被去除;它们的峰值浓度向下转移。氧源的去除抑制了铁和硫酸盐产生。研究对矸石堆治理方案制定具有重要意义。