CC BY
103
УДК 691.424.002:622.7:622.33.002.68 © Е.С. Абдрахимова, А.К. Кайракбаев, В.З. Абдрахимов, 2017
Использование отходов углеобогащения в производстве керамических материалов - современные приоритеты развития для «зеленой» экономики
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-2-54-57
АБДРАХИМОВА Елена Сергеевна
Канд. техн. наук, доцент кафедры «Химия»
Самарского государственного
аэрокосмического университета
им. академика С.П. Королева,
443086, г. Самара, Россия,
тел.: +7 (906) 127-09-44, e-mail: 3375892@mail.ru
КАЙРАКБАЕВ Аят Крымович
Канд. физ.-мат. наук,
доцент Актюбинского университета
им. С. Баишева,
030000, г. Актобе, Республика Казахстан, e-mail: kairak@mail.ru
АБДРАХИМОВ Владимир Закирович
Доктор техн. наук, профессор Самарского государственного экономического университета, 443090, г. Самара, Россия, тел.: +7 (846) 337-58-92, +7 (9608) 16-26-65, e-mail: 3375892@mail.ru
Представлены исследования по использованию отходов углеобогащения: отходы флотации углеобогащения ГОФ «То-мусинская», шламы флотационного углеобогащения (угольные шламы ЦОФ «Обуховская»), отходы углеобогащения ЦОФ «Абашевская» и отходы углеобогащения «Коркинского разреза» для производства теплоизоляционного кирпича на основе межсланцевой глины без применения традиционных природных материалов. Использование отходов углеобогащения способствует развитию «зеленой» экономики и рациональному природопользованию за счет вовлечения отходов в производство керамических материалов. Ключевые слова: отходы углеобогащения, керамические материалы, «зеленая» экономика, теплоизоляционные материалы.
С экономической точки зрения уголь - это топливо будущего - таково мнение мирового энергетического сообщества, включающего производителей нефти и газа. Приближается период окончания нефтяной цивилизации на Земле, «газовая пауза» продлится дольше, но и она не бесконечна. По мнению многих, запасов нефти на планете хватит на 40-50 лет, газа на 60-70, угля - до 600 лет. Поэтому основными источниками энергии в долгосрочном периоде за пределами нефтегазовой цивилизации будут уголь
и атомная энергетика. В мировом топливном балансе на долю угля приходится 23% добычи первичных энергетических ресурсов, 38% производства электрической энергии, 70% производства металлургической продукции.
Сокращение запасов нефти, повышение себестоимости ее добычи приводят к необходимости поиска новых энергоресурсов, запасы которых в России имеются в достаточном количестве. Наиболее перспективной альтернативой нефти является уголь.
Вместе с тем известно, что уголь является сложным видом сырья с точки зрения переработки и наиболее экологически вредным видом топлива. Углеобогащение, в первую очередь высокозольных углей, сопровождается образованием значительного количества шламов. Такие шламы обладают способностью к самовозгоранию и содержат экологически опасные вещества, которые были выделены из угля при проведении обогащения. Часть таких шламов по своим характеристикам (содержание топливной составляющей) может быть применена в качестве топлива. Однако ряд показателей, таких как тепло-образующая способность, удельные выбросы токсичных веществ на единицу энергии, степень выгорания топливной составляющей, обусловливает нецелесообразность непосредственного сжигания таких шламов.
Под «зеленой» экономикой подразумеваются производство различного рода очистного оборудования, утилизация вторичных ресурсов и отходов, оказание экологических услуг и прочее. В этом случае «зеленая» экономика оказывается лишь частью «большой» экономики. Очевидно, что вряд ли возможно «мирное» сосуществование такой «зеленой» экономики и природноресурсной («коричневой») экономики. Например, обеспечение экономического роста сегодня связано с ростом загрязнения и деградации среды, с исчерпанием природных ресурсов, нарушением баланса биосферы, изменением климата, что ведет к ухудшению здоровья человека и ограничивает возможности дальнейшего развития. Это означает, что решение крайне важной задачи повышения благосостояния населения не обеспечивает необходимого качества жизни. Все это и определило суть модернизации как обеспечения технологического прогресса для экономического развития и поддержания благоприятной окружающей природной среды или экологической безопасности, которая становится определяющей для экономического роста и самого существования человека. Эта задача в мире озвучена как реализация принципа «декаплинга».
«Зеленая» экономика определяется структурами ООН как экономика, которая повышает благосостояние людей, обеспечивает социальную справедливость и при этом существенно снижает риски для окружающей среды и ее
деградации [1]. Важными чертами такой экономики являются: эффективное использование природных ресурсов; сохранение и увеличение природного капитала; уменьшение загрязнения; низкие углеродные выбросы; предотвращение утраты экосистемных услуг и биоразнообразия. Например, в докладе ООН приводятся такие данные: «... переход к «зеленой» экономике позволит увеличить благосостояние населения, а также снизит риски негативного влияния на окружающую среду».
Статьей 42 Конституции РФ гарантированно право каждого на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного здоровью или имуществу экологическим правонарушением.
Под вредом, нанесенным окружающей среде, понимается (статья 1 Федерального закона от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды») негативное изменение окружающей среды в результате ее загрязнения, повлекшее за собой дегидратацию естественных экологических систем и истощение природных ресурсов. Кроме того, в законе указано, что каждый обязан сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам, которые являются основой устойчивого развития, жизни и деятельности народов, проживающих на территории Российской Федерации.
Производство керамических материалов - одно из самых материалоемких отраслей народного хозяйства, поэтому рациональное использование топлива, сырья и других материальных ресурсов становится решающим фактором его успешного развития в условиях проводимой экономической реформы. В связи с этим применение в керамических материалах отходов производства приобретает особую актуальность [2, 3, 4, 5].
Кроме того, около 70% золошла ковых материалов и отходов углеобогащения имеют повышенное содержание несго-ревших остатков, что значительно сокращает потребность в топливе при обжиге керамических материалов [6, 7, 8].
Для производства керамических материалов в качестве глинистого компонента использовалась межсланцевая глина [7]. Она образуется при добыче горючих сланцев на сланцеперерабатывающих заводах (на шахтах). Межслан-
цевая глина является отходом горючих сланцев. По числу пластичности межсланцевая глина относится к высокопластичному глинистому сырью (число пластичности - 27-32) с истинной плотностью 2,55-2,62 г/см3. Химические составы: оксидный и элементный представлены в табл. 1,2.
В качестве отощителей и выгорающих добавок для получения керамических теплоизоляционных материалов использовались:
- отходы флотации углеобогащения ГОФ «Томусинская» (Кемеровская область);
- шламы флотационного углеобогащения (угольные шламы ЦОФ «Обуховская», Ростовская область);
- отходы углеобогащения ЦОФ «Абашевская» (г. Новокузнецк), представленные сланцами аргиллито-алевролитового состава с прослойками песчаников;
- отходы углеобогащения Коркинского разреза (Челябинская область), которые сложены аргиллитами, алевролитами, углистыми аргиллитами и сланцами. Фракционный состав представлен в табл. 3.
Как видно из табл. 2, все компоненты содержат повышенное количество углерода. Повышенное содержание в исследуемых компонентах углерода способствует обжигу керамических материалов изнутри.
Одним из основных свойств компонентов, имеющих повышенное содержание углерода, является их теплотворная способность, позволяющая использовать исследуемые компоненты не только как основное сырье, но и в качестве топливосодержащего исходного материала, позволяющего отказаться от ввода топлива в шихту. Например, зольность шламов флотационного углеобогащения (угольные шламы ЦОФ «Обуховская») колеблется от 35 до 70%, а теплотворная способность - от 3000 до 4500 ккал/кг.
Керамическую массу для получения легковесного (теплоизоляционного) кирпича готовили из составов, представленных в табл. 4.
Компоненты измельчали до прохождения сквозь сито № 1, после чего тщательно перемешивали и полученную шихту увлажняли до влажности 20-22%. Из увлажненной шихты пластическим способом формовали образцы в натуральную величину кирпича размером 120x250x65 мм. Сформованные образцы высушивали до остаточной
Таблица 1
Оксидный состав компонентов
Компонент Содержание оксидов, мас. %
CaO MgO Г20 П.п.п.
Межсланцевая глина 45-47 13-14 5-6 11-13 2-3 3-4 9-20
Отходы флотации углеобогащения ГОФ «Томусинская» 49-51 18-19 6-7 1-2 0,3-0,7 4-5 16-17
Шламы флотационного углеобогащения ЦОФ «Обуховская» 28-29 13-14 5-6 1-2 1-1,5 1-1,5 47-48
Отходы углеобогащения ЦОФ «Абашевская» 54-55 16-175 3-4 5-6 1,5-2 3-4 13-14
Отходы углеобогащения Коркинского разреза 43-44 17-18,5 5-6 3-4 2-3 2-3 19-20
Таблица 2
Элементный анализ компонентов
Компонент Элементы
C 1 o 1 № | Mg 1 А1+Т | Si | S | 1 к 1 Ca 1 Ре
Межсланцевая глина 7,73 50,06 0,46 1,04 7,2 17,66 1,83 1,75 10,53 3,35
Отходы флотации углеобогащения ГОФ «Томусинская»
8,88 53,19
11,64+0,29 19,02 0,28 2,39 0,35 3,96
Шламы флотационного углеобогащения 8,84 55,19 - - 9,64+0,29 19,03 0,28 2,39 0,38 3,88
(угольные шламы ЦОФ «Обуховская»)
Отходы углеобогащения ЦОФ «Абашевская» 5,2 53,92 0,44 0,2 11,58 19,5 0,1 1,71 4,5 2,85
Отходы углеобогащения Коркинского разреза 8,8 57,17 1,78 1,05 11,34+0,19 16,03 0,11 0,53 3,87
Таблица 3
Фракционный состав компонентов
Компонент Содержание фракций в %, размер частиц в мм
>0,063 0,063-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,0001
Межсланцевая глина 3,5 41,4 3,8 51,3
Отходы флотации углеобогащения ГОФ «Томусинская» 41 27,1 6,7 12,8 12,4
Шламы флотационного углеобогащения 37,8 24,2 7,1 13,2 17,7
(угольные шламы ЦОФ «Обуховская»)
Отходы углеобогащения ЦОФ «Абашевская» 38,8 27,1 8,2 11,3 14,6
Отходы углеобогащения Коркинского разреза 57,1 9,8 8,5 12,8 11,8
влажности не более 5%, а затем обжигали при температуре 1050°С. Изотермическая выдержка кирпича при конечной температуре - 1-1,5 ч. Физико-механические и химические свойства обожженных керамических кирпичей представлены в табл. 5.
Строительный легковесный кирпич подразделяют в зависимости от плотности на три класса, кг/м3: А - от 700 до 1000; Б - от 1000 до 13000; В - от 1300 до 1450.
Как видно из табл. 5, состав № 2 пригоден для производства легковесного (теплоизоляционного) кирпича марки А, а состав № 3 - марки Б. Легковесные кирпичи (теплоизоляционные материалы), полученные из составов №1 и 4, относятся к классу В. По марочности кирпичи составов № 1, 3 и 4 -к марке М125, № 2 - к марке М100.
Как видно из табл. 5, наименьший показатель теплопроводности (0,180 Вт/м-°С) имели образцы из состава № 2, который содержит отходы флотации углеобогащения ГОФ «Тому-синская». Очевидно, это связано с тем, что содержание в нем углерода наибольшее (С = 8,88), который в процессе обжига выгорает, а в образцах остаются поры.
Как известно, наихудшими проводниками теплоты являются газы. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с увеличением температуры и составляет 0,006-0,6 Вт/м-°С. Следует отметить, что верхнее значение относится к гелию и водороду, коэффициент теплопроводности которых в 5-10 раз больше, чем у других газов. Коэффициент теплопроводности воздуха равен 0,026 Вт/м-°С, а это означает, что чем больше пор в изделиях, тем меньше теплопроводность.
Достижение плотности менее 1400 кг/м3 и теплопроводности менее 0,20 Вт/м-°С, как показывает опыт, наиболее целесообразно за счет формирования пористой структуры черепка и повышения пустотности изделий. Снижение плотности и теплопроводности только за счет пустотности изделий неэффективно. На практике существенное повышение вертикальной пустотности очень часто не дает значительного теплотехнического эффекта и вызывает определенные трудности при возведении стен, так как раствор затекает в пустоты, при этом снижается прочность, и возникают трудности при формировании наружного шва. Снижение прочности теплоизоляционного материала является следствием расклинивающего действия раствора, затекающего в пустоты и вызывающего растягивающие напряжения в изделиях.
Выгорающие добавки: отходы углеобогатительных фабрик не только повышают пористость керамических из-
Таблица 4
Составы керамических масс
Содержание
Компонент компонентов, мас . %
1 2 3 4
Межсланцевая глина 60 60 60 60
Отходы флотации углеобогащения 40 - -
ГОФ «Томусинская»
Шламы флотационного углеобогащения - 40 - -
(угольные шламы ЦОФ «Обуховская»)
Отходы углеобогащения ЦОФ «Абашевская» - 40 -
Отходы углеобогащения Коркинского разреза - - 40
Таблица 5
Физико-механические показатели керамических материалов
Показатель Составы
1 1 2 1 3 1 4
Механическая прочность при сжатии, МПа 13,2 12,1 12,9 12,8
Плотность, кг/м3 1380 980 1150 1360
Морозостойкость, % 35 27 31 31
Теплопроводность, Вт/(м-°С) 0,204 0,18 0,188 0,19
делий, но также способствуют равномерному спеканию керамического черепка. При выгорании органической добавки выделяется небольшое количество сопутствующих газов, что приводит к уплотнению стенок вокруг каждой частички, а в итоге повышает прочность всего изделия.
Выводы
Отходы углеобогащения: отходы флотации углеобогащения ГОФ «Томусинская», шламы флотационного углеобогащения (угольные шламы ЦОФ «Обуховская»), отходы углеобогащения ЦОФ «Абашевская» и отходы углеобогащения Коркинского разреза целесообразно использовать в производстве теплоизоляционного кирпича на основе межсланцевой глины без применения традиционных природных материалов. Использование отходов углеобогащения способствует развитию «зеленой» экономики и рациональному природопользованию за счет вовлечения отходов в производство керамических материалов.
Использование отходов топливно-энергетической промышленности способствует:
- рациональному природопользованию за счет вовлечения отходов в производство керамических материалов;
- созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий по производству строительных материалов;
- рациональной структуре потребления строительных материалов в строительстве путем замены природных традиционных материалов на отходы производства;
- сохранению и рациональному использованию имеющихся природных сырьевых ресурсов;
- использованию накопленных и вырабатываемых отходов производства;
- снижению экологической напряженности в регионе;
- утилизации промышленных отходов, охране окружающей среды и расширению сырьевой базы для получения строительных материалов;
- снижению себестоимости продукции;
- исполнению Федерального закона № 89-ФЗ от 24.06.1998 «Об отходах производства и потребления», который ориентирован на упорядочение сбора, хранения, транспортировки, размещения отходов и увеличение использования отходов промышленности в строительной отрасли в качестве вторичных ресурсов в максимально возможных объемах.
Список литературы
1. Использование отходов золоторудного месторождения, нефтехимии и энергетики в производстве керамических материалов - перспективное направление для «зеленой» экономики / В.З. Абдрахимов, Е.С. Абдрахимова, А.К. Кайракбаев // Экология и промышленность России. 2015. Т.19. № 5. С. 37-41.
2. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Экологические и практические аспекты использования шлака от сжигания угля в производстве керамических материалов на основе
межсланцевой глины // Уголь. 2014. № 4. С. 45-47. URL: http:// www.ugolinfo.ru/Free/042014.pdf (дата обращения: 31.10.2016).
3. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Свойства конструкционно-изоляционных керамических материалов из смеси межсланцевой глины и отходов флотационного обогащения антрацитов // Химия твердого топлива. 2014. № 5. С. 30-34.
4. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Исследование керамического композиционного материала на основе бейделлитовой глины и золошлаковых отходов // Химия твердого топлива. 2012. № 3. С. 49-55.
5. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Отходы энергетики в производстве теплоизоляционных материалов // Энергия: экономика, техника, экология. 2012. № 10. С. 54-57.
6. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Экологические, теоретические и практические аспекты использования шламов флотационного углеобогащения в производстве теплоизоляционных материалов // Кокс и химия. 2013. № 3. С. 39-44.
7. Процессы горения углерода при обжиге теплоизоляционного материала из отходов горючих сланцев / В.З. Абдрахимов, И.Ю. Рощупкина, Е.С. Абдрахимова // Кокс и химия. 2012. № 11. С. 35-41.
8. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Влияние отходов углеобогащения на структуру пористости легковесного кирпича // Кокс и химия. 2011. № 7. С. 43-46.
RESOURCES
UDC 691.424.002:622.7:622.33.002.68 © E.S. Abdrakhimova, A.K. Kairakbaev, V.Z. Abdrakhimov, 2017 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 2, pp. 54-57
Title
USE OF WASTE PRODUCTS COAL ENRICHMENT IN MANUFACTURE OF CERAMIC MATERIALS -THE PERSPECTIVE DIRECTION FOR "GREEN" ECONOMY
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-2-54-57
Authors
Abdrakhimova E.S.1, Kairakbaev A.K.2, Abdrakhimov V.Z.3
1 Samara State Aerospace University, Samara, 443086, Russian Federation
2 Baishev University Aqtobe, 030000, Aqtobe, 030000, Republic of Kazakhstan
3 Samara State Economic University, Samara, 443090, Russian Federation
Authors' Information
Abdrakhimova E.S., PhD (Engineering), Associate Professor of the Faculty of Chemistry, tel.: +7 (906) 127-09-44, e-mail: 3375892@mail.ru Kairakbaev A.K., PhD (Physico-mathematical), Associate Professor, e-mail: kairak@mail.ru
Abdrakhimov V.Z., Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Faculty of engineering and natural sciences, tel.: +7 (846) 337-58-92, e-mail: 3375892@mail.ru
Abstract
Researches on use of waste products coal enrichment are submitted: waste products of flotation coal enrichment GOF"Tomysin", chlams flotation coal enrichment (coal shlams COF"Obychovsc"), waste products coal enrichment Abachevsc COF and Waste products coal of enrichment углеобогащения «Corkino a cut {section}» for manufacture heat isolation a brick on the basis of interslate clay without application of traditional natural materials. Use of waste products coal enrichment promotes development of «green» economy and rational wildlife management for the bill involving of waste products in manufacture of ceramic materials.
Keywords
Waste products coal enrichment, Ceramic materials, "Green" economy, Heat isolation materials.
References
1. Abdrakhimov V.Z., Abdrakhimova E.S. & Kairakbaev А.К. Ispol'zovanie othodov zolotorudnogo mestorozhdeniya, neftekhimii i energetiki v proizvodstve keramicheskih materialov - perspektivnoe napravlenie dlya «zelenoj» ekonomiki [Gold ore, petrochemical and power industry wastes involvement in ceramic materials production - promising direction for "green" economics]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii - Ecology and Industry of the Russian Federation, 2015, vol. 19, no. 5, pp. 37-41.
2. Аbdrakhimov V.Z. & Abdrakhimova E.S. Ekologicheskie i prakticheskie aspekty ispol'zovaniya shlaka ot szhiganiya uglya v proizvodstve keramicheskih mate-
rialov na osnove mezhslantsevoj gliny [Environmental and practical aspects of coal bottom-ash involvement in interschistic clay-based ceramic materials production]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2014, no. 4, pp.45-47. Available at: http:// www.ugolinfo.ru/Free/042014.pdf (accessed 31.10.2016).
3. Abdrakhimova E.S. & Abdrakhimov V.Z. Svojstva konstruktsionno-izolyat-sionnyh keramicheskih materialov iz smesi mezhslantsevoj gliny i othodov flotatsionnogo obogashcheniya antratsitov [Properties of construction-insulation ceramic materials, produced from interschistic clay mix and anthracite flotation concentration tailings]. Himiya tverdogo topliva - Solid fuel chemistry, 2014, no. 5, pp. 30-34.
4. Abdrakhimova E.S. & Abdrakhimov V.Z. Issledovanie keramicheskogo kom-pozitsionnogo materiala na osnove bejdellitovoj gliny i zoloshlakovyh othodov [Beidellite clay and bottom-ass wastes based ceramic composite material analysis]. Himiya tverdogo topliva - Solid fuel chemistry, 2012, no. 3, pp. 49-55.
5. Abdrakhimov V.Z. & Abdrakhimova E.S Othody energetiki v proizvodstve teploizolyatsionnyh materialov [Power industry wastes in thermal insulation materials production]. Energiya:ekonomika, tekhnika, ekologiya - Energy:economics, machinery, environment, 2012, no. 10, pp. 54-57.
6. Abdrakhimova E.S. & Abdrakhimov V.Z. Ekologicheskie, teoreticheskie i prakticheskie aspekty ispol'zovaniya shlamov flotatsionnogo ugleobogashcheniya v proizvodstve teploizolyatsionnyh materialov [Environmental, theoretical and practical aspects of flotation concentration slurry involvement in thermal insulation materials production]. Koks i himiya - Coke and Chemistry, 2013, no. 3, pp. 39-44.
7. Abdrakhimov V.Z., Postchupkina I.Yu. & Abdrakhimova E.S. Protsessy gore-niya ugleroda pri obzhige teploizolyatsionnogo materiala iz othodov goryuchih slantsev [Carbon combustion processes during burning of the thermal insulation material from slate coal wastes]. Koks i himiya - Coke and Chemistry, 2012, no. 11, pp. 35-41.
8. Abdrakhimov V.Z. & Abdrakhimova E.S. Vliyanie othodov ugleobogashcheniya na strukturu poristosti legkovesnogo kirpicha [Coal beneficiation wastes influence on light brick porosity structure]. Koks i himiya - Coke and Chemistry, 2011, no. 7, pp. 43-46.
