Применения отходов угледобычи в стройиндустрии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Изменения биосферы в результате человеческой деятельности стремительны. За XX век из недр Земли извлечено полезных ископаемых больше, чем за всю историю цивилизации. Только за последнее столетие потребление ископаемого топлива возросло почти в 35 раз. Объём мирового промышленного производства увеличился в 50 раз, причём ? роста потребления топлива и 4/5 увеличения объёма промышленного производства произошло за период с начала 50-х годов 20 века.

Потребности в минеральном сырье возрастают из года в год. Ежегодно из недр извлекаются миллиарды тонн горных пород.

Глава 1. ПОНЯТИЕ О ПРИРОДНЫХ РЕСУРСАХ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ И ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ХОЗЯЙСТВА. РЕСУРСООБЕСПЕЧЕННОСТЬ СТРАН

Существует несколько классификаций природных (естественных ресурсов). Во- первых, природные ресурсы - это природные тела и явления, служащие основным источником существования человека, энергетической кладовой и применяемые им в народном хозяйстве.

Во-вторых, природные ресурсы имеют несколько классификаций:

* Общая типология: ресурсы атмосферы (агроклиматические); биосферы (растительный и животный мир, лесные); литосферы (минеральные, земельные); гидросферы (Мирового океана, пресные воды суши).

* Природные ресурсы также выделяют по возможной длительности и интенсивности их использования ( их генезису, т.е. происхождению):

Природные ресурсы делятся на две большие группы: исчерпаемые и неисчерпаемые. В первую группу относят:

Возобновляемые и невозобновляемые ресурсы. К возобновляемым природным ресурсам относятся: ресурсы биосферы (растительный и животный мир, лесные); земельные; гидросферы ( Мирового океана, пресные воды суши). К невозобновляемым ресурсам можно отнести всё существующее в природе минеральное сырьё.

К неисчерпаемым природным ресурсам можно отнести: энергию Солнца, морских приливов и отливов, ветра; климатические. Особое место в подобной классификации занимают ресурсы Мирового океана и рекреационные, которые являются комплексными, так как объединяют в себе ресурсы каждой из групп, о которых говорилось выше.

Размещение природных ресурсов по планете характеризуется крайней неравномерностью. Это объясняется различиями в климатических и тектонических процессах на Земле, различными условиями образования полезных ископаемых в прошлые геологические эпохи и многими иными факторами.

В мире есть территории, полностью лишённые лесных ресурсов, с дефицитом пресной воды и, напротив, регионы, обладающие значительными запасами ресурсов.

Поэтому, между странам и регионами существуют различия в их обеспеченности природными ресурсами.

Отсюда, можно составить понятие ресурсообеспеченности.

Ресурсообеспеченность - это соотношение между величиной природных ресурсов и размерами их использования, т.е. между запасами и добычей. Ресурсообеспеченность выражается либо количеством лет, либо запасами из расчёта на душу населения:

Р=З/Д,

где З - запасы сырья, Д - его добыча.

Очень важным фактором являются масштабы использования природных ресурсов. Многие, практически все минеральные и другие природные ресурсы используются в настоящее время в отраслях материального производства. Главным их потребителем является промышленность.

Размеры разведанных запасов могут увеличиваться в процессе геологических разработок, а объёмы ежегодной добычи изменяться, поэтому ресурсообеспеченность имеет приближённое значение. Вообще, ресурсообеспеченность - термин, отражающий относительную величину какого - либо вида природных ресурсов в расчёте на одного жителя, единицу территории или период времени, за который он может быть полностью выработан.

Глава 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ НА УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

В настоящее время ресурсы, добываемые в угольном производстве, можно разделить на первичные и вторичные. На рисунке 1 представлена данная схема разделения ресурсов на угольных предприятиях.

Рисунок.1 Схема распределения ресурсов в настоящее время в угольном производстве.

Основной целью предприятия всегда являлась добыча угля, поэтому вторичные ресурсы получаемые в процессе производства считались и использовались как отходы.

Так порода, попутно добываемая вместе с углем, складируется в породные отвалы и занимает большие площади земли, которые могли бы быть использованы для нужд населения.

Вода всегда считалась дешёвым природным ресурсом, поэтому она не подвергаясь тщательной очистки от примесей сбрасывалась в водоёмы и реки, приводя к их загрязнению.

Металлы вместе с породой складировали в отвалы.

Газ, получаемый при дегазации и содержащий метан, просто выбрасывался в атмосферу.

Однако ресурсы угля, будучи выработанными, вновь не возобновляются, что обусловливает необходимость не только наиболее полного извлечения угля из недр, но и рационального и эффективного использования химического потенциала и всех его составных частей.

3. Комплексное использование природных ресурсов при добыче угля

Основное назначение горных предприятий-добыча полезных ископаемых. Все сопутствующие извлекаемые из недр ресурсы по сложившейся в этих отраслях порочной традиции считаются отходами, которые осложняют и удорожают добычу. К таким отходам относят горные породы, шахтные воды, газ метан, низкопотенциальное тепло вентиляционных потоков, энергия перемещения подработанного массива горных пород, угольная пыль и др. На самом деле большинство из перечисленных видов отходов обладает полезными свойствами и в принципе может быть использовано как на горных предприятиях, так и в других отраслях. Перевод этих "отходов" в категорию утилизируемых вторичных ресурсов позволяет снизить затраты на добычу полезных ископаемых и ущерб от её воздействия на окружающую среду. На достижение этих целей и направлено комплексное использование ресурсов недр. Комплексное использование ресурсов подразумевает утилизацию как можно большего числа их компонентов (свойств) и производство из них возможно более широкой номенклатуры выпускаемой продукции. Схема комплексного подхода к природным ресурсам представлена на рисунке 2.

Рисунок.2 Схема комплексного распределения ресурсов на угольном предприятии

4. Использование шахтной породы

Особого внимания заслуживает проблема твёрдых отходов. Гигантски возросшее потребление минерального сырья приводит к накоплению больших объёмов отходов, а их удаление и складирование перестаёт быть экономически оправданым.

В настоящее время в Донбассе насчитывается более 1000 породных отвалов, в том числе более 700 действующих.

Поэтому основным направлением использования породы является проведение выработок с оставлением породы в шахте путём закладки в выработанное пространство, образующееся от очистной выемки угля. Такой подход даст дополнительный экологический эффект, порода будет использоваться как средство для предотвращения опасных деформаций земной поверхности.

Шахтные и вскрышные породы являются также природным материалом для строительной индустрии сырьём для химической промышленности, материалом для приготовления сельскохозяйственных удобрений. Одновременно могут использоваться для отсыпки дамб, насыпей, площадок, оснований полотна дорог; глинистые породы типа каолинов, аргиллитов и алевролитов пригодны для производства посуды, керамических изделий, кирпича и др. Такое использование породы обеспечит экономию средств и позволит сохранить земли, которые были бы нарушены деятельностью специализированных предприятий по добыче минерального сырья для строительных материалов.

5. Использование шахтных вод

Разработка месторождений угля почти всегда связана с необходимостью включения в рабочий цикл горных предприятий больших объёмов поверхностных и подземных вод. Следовательно возникает проблема очистки воды от различных примесей.

Для снижения или полного исключения вредного влияния на природную среду сброса откачиваемых вод из горных выработок разработан ряд технических решений, позволяющих изменить подход к откачиваемым водам и использовать их на питьевые и технические нужды предприятий и населения.

После соответствующей обработки шахтные воды, выдаваемые из шахт, могут не только сбрасываться в водоёмы, но и широко использоваться в отрасли для пылеподавления, отвода тепла для шахтных кондиционеров, гидротранспортирования закладочного материала и угля, гидродобычи и обогащения угля.

Если качество воды допустимо по степени минерализации и другим показателям состава шахтных вод, то она может быть использована для полива сельскохозяйственных земель, для устройства и пополнения прудов, где разводят водоплавающую птицу и рыбу.

6. Использование шахтного метана

При разработке метаноносных угольных пластов попутно с добычей угля выделяется метан, который содержится в выбрасываемом вентиляционном потоке воздуха и извлекается специальными способами при дегазации пластов.

Этот газ, полученный при дегазации, можно использовать как газообразное топливо. Сжигая метан вместе с другими видами топлива, существует возможность значительного сокращения основного топлива (угольной пыли, мазута, природного газа). Такой способ использования метана можно применять на электростанциях или в крупных районных котельных.

Глава 3. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ В СТРОЙИНДУСТРИИ

Отвалы угледобывающей отрасли -- многотоннажные промышленные отходы. Породы терриконов неоднородны по составу и степени обжига, поэтому перед переработкой необходимо их минералогическое исследование.

По результатам рентгенофазового анализа, выполненного на порошковом дифрактометре Siemens D500, в кристаллической части отвальных пород присутствуют: кварц SiO₂; клинохлор (Mg,Fe)₆(Si,Al)₄O₁₀(OH)₈ (хлорит); мусковит K_0,94Na_0,06Al_1,83Fe_0,17Mg_0,03(Al_0,91Si_3,09O₁₀)(OH)_1,65O_0,12F_0,23 (слюда).

По массе преобладает мусковит, затем следуют кварц и клинохлор. Клинохлор и мусковит относятся к глинистым минералам, применяемым в производстве цементного клинкера.

Содержание элементов в кристаллическом и стеклообразном состояниях исследовано путем электронно-зондового микроанализа INCA на сканирующем электронном микроскопе JSM-82G, результаты которого для неуглеродной части породы представлены в табл. 1. Остальную часть породы составляет углерод, что свидетельствует о малой степени ее обжига в терриконе.

Рекомендуемые количества оксидов Аl₂O₃ и Fе₂O₃ в сырьевом компоненте клинкера колеблются соответственно в интервалах 1,16--20,28 и 4,04--9,15 %. В обеих исследуемых породах превышено содержание оксида Аl₂O₃, в породе шахты им. Я. М. Свердлова -- Fе₂O₃. Массовые доли СаО, MgO и SiO₂ соответствуют рекомендуемым значениям. Малое количество основных оксидов кальция и магния и большое кислых оксидов кремния и алюминия свидетельствуют о кислой природе отвальных пород, которая не меняется и после прокаливания.

Таблица 1

Относительное содержание оксидов элементов в неуглеродной части отвальных пород и их классификация по системе модулей

Для изучения поведения минералов и аморфной фазы отвальных пород при высокой температуре, например, в условиях обжига сырьевой смеси производства цементного клинкера, проведено прокаливание при температуре 1 580 °С в течение 10 ч в окислительной среде O₂ и СO₂. Оксидный состав образцов после прокаливания приведен в табл. 1.

По результатам петрографического исследования (табл. 2), проба спеченного шлака шахты им. Я. М. Свердлова представлена материалом черного цвета.

Таблица 2

Результаты петрографического исследования спеченных образцов отвальных шахтных пород

Проба неоднородна по микроструктуре и состоит из корунда, железистых шпинелидов (магнетит) и стеклофазы (рис. 1). Корунд присутствует в виде зерен неправильной формы размером до 3,2 мм. Количество корунда меняется в интервале 15-20 %.

Рис. 1. Образец пробы спеченного шлака шахты им. Я. М. Свердлова: 1 -- корунд; 2 -- магнетит; 3 -- стеклофаза

Стекло бесцветное, желтоватое, участками буроватое, средний показатель светопреломления 1,525 ± 0,005.

В стекле наблюдаются выделения железистых шпинелидов, по составу близких к магнетиту FeO · Fe₂O₃, в виде дендритных, скелетных форм и идиоморфных кристаллов размером 10-40 мкм. Различаются редкие тонкие игольчатые кристаллы муллита 3Аl₂O₃· 2SiO₂ длиной до 150 мкм.

Проба спеченного шлака шахты "Хмельницкая" характеризуется присутствием обломков черного цвета с бурыми полосами. Основную массу пробы (рис. 2) составляет стеклофаза (от бесцветной до желтовато-буроватой, желтовато-зеленоватой) со средним показателем светопреломления 1,535 ± 0,005.

Рис. 2. Образец пробы спеченного шлака шахты "Хмельницкая": 1 -- муллит; 2 -- стеклофаза; 3 -- пироксены; 4 -- металл

В стекле наблюдаются выделения кристаллов муллита до 6 мм в длину при ширине 4--20 мкм. Минимальный показатель преломления муллита 1,658, максимальный до 1,69. Количество муллита в шлаке колеблется от 5--10 до 50--60 %.

На некоторых участках обнаружены перистые выделения пироксенов: диопсида СаO·MgO·2SiO₂ и геденбергита СаO·FeO·2SiO₂. Также присутствуют железистые шпинелиды, по составу близкие к магнетиту, образующие кристаллы размером до 20 мкм. Встречаются следы (менее 1 %) округлых металловидных выделений (Fе), толочней рутила (TiO₂) и зерен гематита.

Близость минералогических составов портландцементного клинкера и отвальной породы делает возможным ее использование в производстве цемента. Однако при этом необходимо учитывать ряд факторов, в том числе скорость взаимодействия компонентов с СаО.

Гидравлическая активность отвальной породы определена по количеству поглощенной извести. В насыщенном растворе извести плотностью 0,995 г/см³ с исходной концентрацией 5,625 % выдерживали навеску измельченной шахтной породы массой 10 г. Содержание активного СаO в растворе через 1 и 3 сут определяли титриметрическим методом по ГОСТ 22688-77. Экспериментальные результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Активность пород по поглощению СаО

Поглотительная способность изученных шахтных пород сравнима с показателями гидравлических добавок (трепелов, диатомитов, опок) -- 250-400 мг/г. Столь высокая величина свидетельствует о значительной гидравлической активности и возможности использования шахтных пород в качестве активных добавок к цементному клинкеру.

Гидравлическая активность пород определяется не только содержанием оксидов элементов, но и их соотношениями, описываемыми системой модулей (см. табл. 1). Согласно величине модуля активности М_а, порода шахты им. Я. М. Свердлова относится к 1-му сорту кислых шлаков (М_а > 0,4), шахты "Хмельницкая" -- ко 2-му (М_а > 0,33).

Для использования отходов в производстве строительных материалов значение силикатного модуля М_с должно быть 1,7--3,5. Высвобождение оксида Al₂O₃ после прокаливания породы шахты им. Я. М. Свердлова несколько уменьшает величину М_с (до 1,08).

Интервал изменения глиноземистого модуля М_г пород, применяемых для получения клинкера, -- 1,0--2,5. При прокаливании изучаемых пород значение М_г превышает границу оптимального интервала.

Классификация образцов как железистых пород показывает, что они относятся к высокоактивным, при этом глинитно-железистый модуль М_ж > 0,49. Более активной является спеченная порода шахты им. Я. М. Свердлова.

Таким образом, высокие концентрации стеклофазы, оксидов алюминия и железа (III), большие значения модулей М_г, М_гж, высокие гидравлические свойства пород обусловливают возможность их применения в производстве глиноземистого цемента, в качестве корректирующих или активных добавок к портландцементному клинкеру. Использование отходов угледобычи позволит обеспечить стройиндустрию легкодоступным и дешевым минеральным сырьем и улучшить экологическую обстановку в регионе.

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СПЕКАНИЯ И КОМБИНИРОВАННОГО МЕТОДА "БАЙЕР-СПЕКАНИЕ" ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГЛИНОЗЕМА ИЗ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ

Одним из основных факторов, препятствующих развитию алюминиевой промышленности в России, аналитики называют дефицит основного алюминиевого сырья -- бокситовых руд. Эта проблема возникла еще на заре становления отрасли, и сразу же начали появляться решения -- в 1959 году советскими учеными была предложена технология производства глинозема из нефелина, а позже разработаны методики получения алюминиевого сырья из алунитов. Тем не менее, использование этих пород также накладывает ограничения на объемы производства металла, так как и их запасы ограничены.

Неплохие перспективы для форсирования развития отечественной алюминиевой промышленности открывает возможность использования в качестве сырья для получения глинозема отходов углеобогащения и угледобычи. Действительно, процент содержания окиси алюминия в угольных золах и прочих продуктах углепереработки может достигать до 40%, остальное -- кремнезем и оксиды таких элементов как магний, железо и кальций. Подобные породы складируются в терриконы угольных шахт и обогатительных фабрик Московской, Ростовской и Уральской областей. Переполненные золоотвалы и терриконы (только в Ростовской области скопилось более 400 млн. тонн отходов) уже много лет "мозолят глаза" местным жителям и специалистам-экологам: отходы угледобычи и переработки оказывают пагубное влияние на окружающую среду. Переработка породных отвалов для получения глинозема могла бы успешно решить проблему утилизации токсичных угольных отходов.

"Убить сразу двух зайцев" -- решить проблемы алюминиевого сырья и экологии в зонах угледобычи -- мешает отсутствие универсальной технологии переработки этих пород. Следует отметить, что поиск альтернативных источников для получения глинозема ведется во многих странах, вынужденных импортировать алюминиевое сырье для стимулирования работы собственных металлургических предприятий. Например, на Украине, где добыча бокситовых руд практически не осуществляется, уже давно исследуются различные способы переработки алюмосиликатных пород. Многие предприятия, оценив потенциал отходов углеобогащения, начали разрабатывать собственные методики получения глинозема, взяв за основу традиционные схемы -- спекание и технологию Байера. Наиболее эффективным и выгодным украинские металлурги считают метод спекания -- он обеспечивает не только получение глинозема, но и дополнительных полезных продуктов: соды, поташа и цемента. Многие заводы используют также комбинированные методы переработки -- например, "Байер-спекание".

Тем временем в отечественных научно-исследовательских институтах были разработаны собственные технологии получения глинозема из алюмосиликатных пород, которые уже начали внедряться в производственную практику некоторых предприятий. Российские ученые склоняются к комбинации кислотных и щелочных методов обработки, сочетающей в себе принципы комбинированной кислотной обработки с последующим применением классических технологий (метод Байера).

Выбор метода получения сульфата алюминия (глинозема) из угольных отвалов был определен изначально. Принятая для переработки бокситов технология Байера (или гидрохимический способ) в данном случае оказалась неэффективной -- она не позволяет справиться с огромным количеством примесей, которые находятся в отходах углепроизводства. Основная сложность заключается во взаимодействии двуокиси кремния с используемой в процессе переработки щелочью, в результате которого увеличивается расход реактивов, и, соответственно, производственные затраты.

Поэтому в качестве базового был принят метод спекания (кислотный способ), требующий существенных энергетических затрат, но, в то же время, обеспечивающий их окупаемость за счет низких требований к сырью и возможности получения дополнительных продуктов (соды, цемента, поташа, галлия).

Основной принцип технологии спекания заключается в обработке сырья двумя видами кислот (обычно используются серная, сернистая, соляная или азотная) и спекания полученной смеси при высоких температурах. Алгоритм получения сульфата алюминия можно условно разделить на несколько этапов -- подготовка сырья, первичная обработка, спекание, очистка и прокаливание.

Предварительная обработка отходов углеобогащения предусматривает измельчение породы: шихта дробится и перемалывается (в среднем величина частиц помола варьируется от 200 до 250 мкм), производится дозировка отдельных компонентов сырья. После этого сырье вступает в реакцию с концентрированной кислотой (85%--90%). Далее проводится спекание полученной смеси, которая выдерживается в печи при температуре 420 °С около полутора часов. Полученный спек промывается горячей (80-- 90 °С) водой -- в ходе этой процедуры образуется осадок сульфата алюминия. Следующий этап -- очистка полученного сырья от примесей. Для этого некоторые исследователи предлагают использовать методику растворения сульфата алюминия в концентрированной HCl, при одновременном насыщении получаемой смеси газообразным хлороводородом. Еще один способ очистки -- обработка сульфата алюминия стеариновой кислотой с последующей фильтрацией.

Получение непосредственно глинозема осуществляется за счет прокаливания очищенного сульфата алюминия при температуре 900--1000°С -- такой глинозем можно использовать в металлургических целях.

Технология спекания для получения глинозема из отходов угледобывающей промышленности была успешно внедрена на некоторых предприятиях Украины и России, однако практическое применение данного метода выявило рад существенных недостатков. В первую очередь речь идет о сложностях и специфических требованиях, которые накладывает работа с кислотами: для успешной переработки сырья необходимо дорогостоящее оборудование из кислотостойких материалов. Существенные затраты провоцирует и приобретение самих кислот, объем расхода которых в ходе производственного процесса довольно велик.

Неплохой альтернативой традиционному спеканию может стать комбинированный кислотно-щелочной метод обработки алюмосиликатных пород, при котором воздействие кислот на шихту осуществляется до стадии получения оксида алюминия, а его очищение производится методом Байера. Схема реализации подобной технологии сложна, однако она позволяет заметно сократить и облегчить производственный процесс, поскольку она не требует дополнительной очистки соли алюминия от примесей железа. Комбинированные технологии получения глинозема из отходов углеобогащения применяются на нескольких заводах холдинга РУСАЛ -- правда, пока в качестве экспериментальных методов. Тем не менее, работы по совершенствованию способов добычи глинозема продолжаются -- разработка универсального метода открывает неплохие перспективы для развития отечественной алюминиевой промышленности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Н.А. Архипов, Е.А. Ельчанинов,Д.Т. Горьачёв "Добыча угля и рациональное природопользование" - М.: Недра, 1987. - 285с..

2. Астахов А.С., Малышев Ю.Н., Пучков Л.А., Харченко В.А. "Экология: горное дело и природная среда": Учеб.для вузов. - М.: Издательство Академии горных наук, 1999. -367с.: ил.

3. "Экология горного производства": Учебник для вузов/ Г.Г. Мирзаев, Б.А. Иванов, В.М. Щербаков, Н.М. Проскуряков. - М.: Недра, 1991. - 320с.: ил.

Размещено на Allbest.ru