Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В условиях непрерывного развития промышленного производства перспективы могут иметь только те технологические системы, которые в состоянии использовать все добываемое сырье. При этом фактически только строительная отрасль, являясь крупнейшим потребителем нерудного сырья, способна перерабатывать большую часть образующихся отходов. Поэтому совершенствование технологии, ресурсосбережение в производстве строительных материалов невозможно без широкого научно обоснованного использования техногенных продуктов.

Глава 1. СОЗДАНИЕ ИНДУСТРИИ ПЕРЕРАБОТКИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ТЕХНОГЕННЫХ РЕСУРСОВ И ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЭКОЛОГИЯ КАК АЛЬТЕРНАТИВА ЭКСТЕНСИВНОМУ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЮ

В качестве техноэкологических инноваций применительно к проблемам и перспективам комплексной переработки, обезвреживания и использования природного и техногенного сырья с извлечением особо ценных и токсичных элементов-примесей рекомендуются следующие высокоэффективные разработки научных специалистов НИЦ "Экология и промышленная энерготехнология" ОИВТ РАН:

- ликвационная плавка рудной шихты с добавками-флюсами, обеспечивающими расслоение расплавов на несмешивающиеся жидкие фазы и, тем смаым, избирательное концентрирование в них промышленно-ценных микроэлементов с одновременным устранением лимитируемых (с технологических позиций) элементов-примесей.

- высокоскоростной электропиролиз угольного сырья с получением горючего газа (60-65% водорода) и угольного остатка ("кокса"), обогащенного всем комплексом особо ценных элементов-примесей для последующего извлечения гидро- и пирохимическими методами

- глубокая очистка сточных вод и сгущения осадков различного состава (рудничных, шахтных, фабричных обогатительных и заводских химико-металлургических) с использованием АСР-алюмосиликатного реагента (раствора-золя), обладающего свойствами флококоагулянта и способностью превращаться при определенных условиях в течение 1-50 часов в неподвижный эластичный гель с полимерно-матричной структурой, что позволяет капсулировать в объеме и, тем самым, изолировать от окружающей среды любые токсичные дисперсные отходы и особо опасные вещества.

В мировой практике широкое развитие получают инновационные техно- и геотехнологические методы извлечения цветных металлов, золота и урана из недр, бедного и забалансового сырья, отходов добычи и обогащения руд. США получают этими методами более 0,5 млн. т меди, около 35% первичного золота; из вторичного сырья производят до 60% Pb, 40% Sn и 10-15% Ni. В Германии проводятся опытно-внедренческие работы по глубокой комплексной переработке угля, в том числе - геотехнологическими методами непосредственно в недрах. Объемы переработки шлако-зольных отходов углесжигания в США достигли 40%. Методами отвального, кучного и подземного выщелачивания с использованием модифицированных сернокислотных методов производится извлечение меди, цинка, свинца, серебра и ряда других полезных компонентов из отработанного или бедного сульфидного сырья и рудничных вод. США этим способом за последние 10 лет увеличили производство меди в 8 раз, а золота с 1980 по 1990 г. - в 10 paз. В 70-е годы за счет вторичной пирометаллургической переработки отвальных шлаков оловоплавильных заводов Таиланда, Малайзии, Индонезии и других стран, накопленных за 100 лет, производство тантала составило 60% его мирового выпуска. Примечательно, что за рубежом для переработки техногенного сырья широко применяются мини-заводы, перемещаемые с объекта на объект по мере выполнения своих задач. При этом используется готовая инфраструктура горнопромышленных районов, где производится или производилась отработка коренных руд.

Перспектива получения редкометальной и ценной нерудной продукции из техногенного сырья приобретает особую актуальность не только в связи с истощением запасов в недрах у предприятий-ветеранов и неопределенностью с освоением в ближайшее время новых крупных месторождений редкометального и нерудного сырья. Она обусловлена и назревшей необходимостью широкого использования редких металлов и новых неорганических материалов не только в ОПК, но и в гражданских высокотехнологичных производствах, которые должны создаваться и получить развитие в целях замены сырьевой модели экономики России на инновационную и обеспечения конкурентоспособности нашей страны на мировом рынке минеральной, металлургической и машиностроительной товарной продукции. В настоящее время ускоренное возрождение и развитие редкометальной промышленности в России необходимо не только для ОПК, но и для планов реализации космической программы на перспективу 35-40 лет, планов воссоздания и развития энергетики, авиа- и автопрома в ближайшие 10 лет, железнодорожного транспорта и судостроения, магистральных трубопроводов, высотного строительства и т.д.

Глава 2. КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ РЕГИОНА КУРСКОЙ МАГНИТНОЙ АНОМАЛИИ

техеоэкология недропользование отходы нерудные

Результаты комплексного исследования вскрышных и вмещающих пород железорудных месторождений КМА позволили утвердить в Государственном комитете запасов СССР и Российской Федерации запасы нерудных пород Лебединского, Стойленского, Коробковского и Приоскольского месторождений. Это способствовало их широкомасштабному использованию в стройиндустрии. В настоящее время из сырья этих месторождений ежегодно выпускается около 900 тыс. м3 заполнителей тяжелого бетона, свыше 1300 тыс. м3 щебня для дорожного строительства, около 300 тыс. м3 керамзита; производится широкая номенклатура бетона и железобетонных конструкций, сдано в эксплуатацию около 5 млн. м2 жилья. Выполненные разработки заложили основу научно-технологического обеспечения программ Белгородской области по благоустройству сел и развитию индивидуального жилищного строительства. На дробильно-сортировочных фабриках получено около 30 млн. м3 щебня из нетрадиционных для промышленности строительных материалов анизотропных, скальных, попутно добываемых пород. Это позволило обеспечить ремонт, реконструкцию и строительство автомобильных дорог Центрального федерального округа.

Разработаны технологии производства асфальто- и цементобетонов плотной и крупнопористой структуры с использованием заполнителей из анизотропных горных пород. Разработана технология строительства бесшовных слоев дорожных одежд из цементобетона на заполнителях из попутно добываемых, вмещающих скальных горных пород КМА с использованием серийно выпускаемых бетоно- и асфальтоукладчиков, универсальных укладочных машин и автогрейдеров. Для уплотнения жестких бетонных смесей применяются катки с гладкими вальцами, а также катки на пневмошинах. С целью снижения ресурсо-, энерго-, механо- и металлоемкости комплектов бетоноукладочных машин разработаны и внедряются варианты устройства цементобетонных покрытий средствами малой механизации.

В последние годы щебень, производимый дробильно-сортировочными предприятиями Белгородской области, поставляется не только на стройки Центрально-Черноземного региона, но и в возрастающих количествах поступает на стройки Москвы. Это уменьшает не только транспортные расходы на поставку щебня для строек Москвы, но и способствует улучшению экологии строящихся зданий, т.к. по содержанию радионуклеидов (80…100 Бкр/кг) белгородский щебень удовлетворяет самым жестким требованиям.

Выполненные исследования и выявленные закономерности изменения свойств материалов на различных стадиях техногенеза позволили также предложить для ОАО "Оскольский электрометаллургический комбинат" экологически чистую, воздушно-сухую технологию первичной переработки металлургических шлаков, склонных к силикатному распаду. Эта технология позволяет с минимальными затратами получать активные закристаллизованные тонкодисперсные шлаки для производства силикатных бетонов, портландцементных вяжущих, керамических изделий. За выполненный цикл исследований по комплексному использованию попутно добываемых пород и отходов обогащения железорудных месторождений Курской магнитной аномалии и за большие достижения в решении проблем развития экономики России группа ученых университета - А.М. Гридчин, В.С. Лесовик, Н.И. Минько, Ш.М. Рахимбаев, В.К. Кокунько - была удостоена в 2005 г. премии им. А.Н. Косыгина. Таким образом, на примере региона КМА исследованиями ведущих ученых Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова показана возможность решения крупных научных и народнохозяйственных проблем, обеспечивающих получение значительного экономического, экологического и социального эффекта. При этом решаются вопросы природоохранного комплексного использования природных ресурсов, осуществляется переход к малоотходных технологическим системам.

Глава 3. НЕРУДНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Восполнить дефицит природного минерального сырья в Ростовской области можно за счет отходов добычи и сжигания углей, в частности горелых шахтных пород (ГШП) отвалов. ГШП представлены осадочными породами, претерпевшими изменения при термическом воздействии, химическом и физическом выветривании. Ввиду нестабильности качества использование ГШП невозможно без глубокой предварительной переработки путем многостадийного дробления, при котором происходит усреднение, обогащение пород и получается кондиционная продукция -- нерудные строительные материалы (щебень, щебеночно-песчаные смеси и песок из отсевов дробления пород). В табл. 1 приведены физико-механические свойства щебня из ГШП.

Таблица 1 Физико-механические свойства заполнителей из ГШП

В отличие от обычного щебня заполнители из ГШП практически не содержат глинистых и илистых примесей и при той же прочности имеют меньшую насыпную массу. Шероховатость поверхности частиц щебня и зерен отсевов дробления способствует хорошему сцеплению с цементным камнем и органическими вяжущими.

Сложилось мнение, что поверхность кислых кремнийсодержащих минеральных материалов (к ним относятся и ГШП) инертна по отношению к компонентам битума, т. е. у такой поверхности нет качественного сцепления с битумом. Однако специфика происхождения отразилась на состоянии и поверхностных свойствах ГШП, а именно на концентрации активных поверхностных центров, где происходят процессы адсорбции компонентов органических вяжущих. Опытно-промышленными испытаниями заполнителей асфальтобетона подтверждено, что сцепление битума с поверхностью кислых кремнийсодержащих частиц ГШП, по существующей классификации, отличное.

Испытанные по утвержденным методикам щебень, щебеночные смеси и песок из отсевов дробления, изготовленные в лабораторных условиях из ГШП исследуемого отвала, имеют технические характеристики, соответствующие требованиям, предъявляемым действующими нормативными документами к аналогичной продукции из природного сырья. Технические условия ТУ 5711-002-02070105-2002, ТУ 5711-003-02070105-2007 детализируют требования к нерудным строительным материалам из ГШП.

Получаемый щебень и отсевы дробления рекомендуется использовать при общестроительных работах всех видов (в бетонах различного назначения, при строительстве новых, ремонте и реконструкции действующих дорог). Заполнители из ГШП можно применять при устройстве гидротехнических сооружений, дамб, насыпей, противофильтрационных завес, для закладки выработанного пространства, засыпки горящих отвалов, при строительстве автомобильных стоянок, спортивных сооружений (стадионов, теннисных кортов), благоустройстве территорий и т. п.

Массовое использование подобных материалов сдерживается в основном их необычностью и психологической неподготовленностью потребителя. Однако практика применения щебеночных смесей из ГШП расширяется, и они постепенно завоевывают рынок.

Другой источник пополнения сырьевой базы нерудных строительных материалов -- сталеплавильные шлаки (СШ). В Ростовской области эти отходы образуются на новом электрометаллургическом заводе. Необходимость защиты окружающей среды от загрязнения и трудности с обеспечением металлургических комбинатов железорудным сырьем требуют решения вопросов переработки СШ.

Химический состав СШ комбината представлен в табл. 2.

Таблица 2 Компоненты СШ

По химическому составу сталеплавильные шлаки комбината основные: соотношение СаО/SiO₂ составляет 1,33--2,22.

Минералогический состав СШ -- преимущественно гидроксиды железа, гидроферриты кальция и глинозема, силикаты кальция. Перерабатывают СШ на дробильно-сортировочных установках с получением заполнителей различных фракций и металла. В табл. 3 приведены физико-механические свойства щебня из СШ.

Таблица 3 Физико-механические свойства заполнителей из СШ

Щебень из СШ используют при строительстве железных и автомобильных дорог, аэродромов. СШ текущего производства имеют неустойчивую структуру. Их можно применять после предварительной выдержки в отвалах или термодробления.

СШ содержат значительное количество шлакового стекла и минералов, свойственных портландцементу. Согласно прочности на сжатие образцов, изготовленных из тонкомолотого материала, СШ относят к активным и высокоактивным. Это свойство позволяет рассматривать СШ как сырье для получения вяжущих веществ при производстве строительных материалов и асфальтобетона. Некоторые продукты переработки могут служить минеральными удобрениями.

Основную массу СШ в виде щебня можно использовать в дорожном строительстве и производстве бетона, а отсевы дробления с размером зерен 0-10 мм -- как мелкозернистый заполнитель.

Широкое применение заполнителей из ГШП и СШ в промышленности позволит пополнить сырьевую базу, снизить затраты на добычу горной массы и рекультивацию карьеров, уменьшить негативное воздействие отходов на окружающую среду.

Глава 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ НЕРУДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для эффективного развития промышленности строительных материалов необходимо комплексное использование добываемых природных ресурсов, в том числе отходов (отсевов дробления щебня). При производстве щебня из изверженных горных пород объем отсевов может достигать 25%, а из осадочных пород - превышает 45% от перерабатываемой горной массы. В связи с наметившейся тенденцией к потреблению нерудных строительных материалов более высокого качества количество отсевов неуклонно возрастает, что в основном относится к изверженным горным породам. К сожалению, систематический учет объемов отходов дробления никогда не проводился. По приближенным оценкам общий объем отсевов дробления, образующихся ежегодно на предприятиях по производству щебня, составляет в настоящее время около 28--35 млн м3, в том числе отсевов изверженных пород -- 12--15 млн м3, отсевов карбонатных пород -- 16--20 млн м3. В настоящее время в отвалах скопились сотни миллионов кубометров отсевов. Формируемые из отсевов техногенные месторождения в перспективе следует рассматривать как минерально-сырьевую базу производства мелких фракций щебня, песка и других видов продукции для строительной отрасли. В отечественной строительной промышленности в период наиболее интенсивного ведения строительных работ наблюдается дефицит железнодорожного транспорта. Перевозка такого дешевого материала как отсевы на большие расстояния не рациональна. Поэтому их можно рассматривать только как местное сырье. Целесообразно разделение отсевов на фракции, что повысит заинтересованность в них различных предприятий, увеличит стоимость и плечо рациональных перевозок. Выбор направлений использования отсевов требует комплексного изучения их свойств, включая оценку минералого-петрографического и химического составов, структурно-текстурных особенностей исходной горной породы, а также показателей, регламентируемых потребителями, в том числе удельной поверхности, дисперсности пылевидной составляющей, формы частиц, цвета, влажности, пористости. Уже сформировались наиболее материалоемкие области использования отсевов дробления различных горных пород. Основными потребителями отсевов дробления щебня являются дорожно-строительные организации. В ГОСТ 25607--94 изложены требования к смесям, используемым для оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов, в состав которых могут входить отсевы дробления различных горных пород. В асфальтобетонных смесях отсевы используются как мелкий заполнитель, а если они по составу относятся к основным изверженным породам, то пылевидная составляющая отсевов частично заменяет минеральный порошок из карбонатных пород. В небольших объемах применяются отсевы с повышенным содержанием пылевидных частиц (свыше 10%) совместно с комплексными пластифицирующими и воздухововлекающими добавками для получения цементобетонных покрытий с требуемыми прочностью и морозостойкостью. Но для более эффективного использования отсевов в цементных дорожных бетонах необходимо, чтобы количество пылевидной составляющей не превышало 3%, а также улучшить форму зерен. В асфальтобетонах марок Г и Гх могут быть применены отсевы с несколько большим содержанием тонкодисперсных частиц, но не более 5%. В растворах и бетонах различного назначения отсевы, большая часть которых относится к крупным пескам с модулем крупности Мкр = 3,2--3,6, применяются как укрупняющая добавка к природным мелким и очень мелким пескам. Однако сфера применения песков из отсевов дробления может быть значительно расширена. Зарубежный и ограниченный отечественный опыт свидетельствуют о перспективности применения узких фракций песков, которые могут использоваться в разных соотношениях. Получаемые оптимальные составы бетонов и растворов позволяют значительно улучшить качество готовой продукции, повысить надежность и долговечность конструкций и изделий. К сожалению, в настоящее время большинство заводов не в состоянии складировать, а затем дозировать при производстве бетонов и растворов несколько фракций песка, но будущее, несомненно, за фракционированными материалами. Отметим, что отсевы изверженных и метаморфических пород нередко имеют декоративные свойства, зависящие в основном от цвета и текстуры исходной горной породы. Такие материалы широко используются в архитектурном бетоне, который придает особую выразительность строящимся зданиям и сооружениям, для украшения интерьеров, фасадных плит, наливных полов. Для улучшения свойств кровли и повышения ее декоративности применяются цветные посыпки, требования к качеству которых постоянно возрастают. Институтом ВНИПИИстромсырье совместно с институтом ВНИИстройполимер на основании исследования отсевов дробления розового и серого кварцитов Шокшинского месторождения, гранита серовато-розового цвета месторождения Эркеля и гранита Каменногорского месторождения, мрамора Коелгинского месторождения была определена возможность их использования в качестве крупнозернистой посыпки мягких кровельных материалов. В настоящее время более 40 предприятий России производят мягкие рулонные битумсодержащие кровельные материалы. Основная фракция крупнозернистых посыпок -- 0,63--1,25 мм, причем примерный объем требуемых поставок только для 28 заводов составляет 75 тыс. т в год. Использование отсевов дробления различной цветовой гаммы позволит удовлетворить потребность в декоративных посыпках и в ряде случаев отказаться от использования специально окрашенных материалов. Имеется ряд сравнительно новых перспективных направлений эффективного использования отсевов дробления. К ним относятся: производство сухих строительных смесей (ССС), керамических материалов, ячеистых бетонов, материалов для фильтров, абразивных материалов, а также наполнителей для полимерной, лакокрасочной и резино-технической промышленности. Требования, предъявляемые потребителями, различны и только детальное знание свойств материала из отсевов позволит производителям осваивать новые рынки сбыта. Производство ССС растет быстрыми темпами. Однако по экспертным оценкам института ЦНИИОМТП, российский строительный рынок получает не более 25% требуемого объема этой продукции. Одним из основных компонентов ССС является песок (кварцевый, полевошпатовый или из отсевов дробления). Как показал анализ требований потребителей, наиболее востребованными являются следующие фракции и их смеси: 0,63-1,25 мм; 0-0,63 мм; 0,315-0,63 мм; 0,16-0,63 мм. Затраты на песок, особенно в смесях без модифицирующих добавок, являются фактором, от которого зависит экономическая эффективность работы предприятия. Производители декоративно-отделочных ССС заинтересованы в получении фракционированных песков из различных видов горных пород. В настоящее время этот востребованный продукт производится в незначительном объеме. При производстве тонкой и грубой керамики и огнеупорных материалов в качестве компонентов шихты могут быть использованы отсевы дробления изверченных, осадочных и метаморфических пород. Проведенные институтом ВНИПИИстромсырье совместно с институтом ВНИИстройкерамика испытания гранитных отсевов Макинского, Вишневского, Павловского и Шершнинского карьеров в составе масс для получения кислотоупорных изделий -- плиток и кирпича, показали, что эти отсевы могут быть использованы при производстве кислотоупорных изделий взамен шамота. Замена шамота частично или полностью отсевами экономически весьма эффективна, так как при этом снижается расход топлива на обжиг шамота и уменьшается расход природной глины. Кроме того, практика показывает, что применение отсевов гранита в керамических изделиях позволяет экономить дорогостоящее сырье -- полевой шпат и снижать температуру плавления, что значительно повышает производительность. Перспективным является использование отдельных фракций песка из отсевов дробления изверженных пород в ячеистых бетонах. Имеются данные, что использование отсевов фракции 0,16-0,315 мм взамен песка при изготовлении конструкционных пенобетонов способствует созданию пространственной жесткости и повышению прочности бетона. Одним из наименее изученных направлений применения отсевов является их использование в качестве материалов для засыпки фильтров. Традиционно применяемые материалы, такие как кварцевый песок, керамзит, шунгезит, не исчерпывают всего многообразия местных фильтрующих материалов, предложенных в последние годы. Имеются данные о применении для этих целей мелких фракций габбродиабаза и аглопорита. Шероховатая поверхность зерен отсевов, имеющих неправильную форму, способствует повышению адсорбции примесей. Основным препятствием для использования различных отходов переработки горных пород, в большинстве случаев, является повышенное содержание в их составе пылевидных частиц (менее 0,16 мм) до 18-25%. Институтом ВНИПИИстромсырье была установлена возможность самостоятельного использования пылевидной составляющей отсевов дробления известняков Судогодского, Пронского, Ново-Пятовского и ряда других карьеров в качестве наполнителей для производства рулонных битумсодержащих гидроизоляционных и кровельных материалов. Самым перспективным и подготовленным по степени измельчения сырьем является материал, отобранный на отдельных переделах производства известняковой муки, в частности, из электрофильтров и циклонов. Удельная поверхность этих материалов в большинстве исследованных проб превышала нормируемое значение 2500 см2/г. Такой наполнитель по параметрам, влияющим на свойства битумной матрицы, таким, как размер частиц, распределение их по фракциям, форма частиц, химический состав, также соответствует норме. Проведенные исследования пылевидной составляющей отсевов мрамора Коелгинского, известняков Веневского и Чусовского месторождений показали возможность их использования в качестве наполнителей для производства кабельных резин, мастик, бытовых красок, замазок, ПВХ-паст со степенью наполнения до 100 мас. ч., резиновых смесей общего назначения. Следует отметить, что в зарубежной практике широко используются наполнители из различных горных пород. В США к таким породам относят диабаз, сиенит, гранит, кварц, базальт, сланец, карбонатные породы. Выбор направлений рационального использования отсевов необходимо проводить на основании: -- комплексного изучения сырья и отходов (отсевов дробления); -- анализа потенциальных потребителей в регионе производителя; -- создания гибких технологических линий для производства новых видов продукции из отсевов на базе современных отечественных и зарубежных технологий и оборудования. Специфика рассмотренных вопросов комплексного использования отсевов дробления требует дальнейшего более детального рассмотрения научно-исследовательских, экономических и экологических аспектов.

Размещено на Allbest.ru