ИССЛЕДОВАНИЕ НЕГАТИВНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ СКЛАДИРОВАНИЯ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2022, №3, Том 14 / 2022, No 3, Vol 14 https://esi.todav/issue-3-2022.html URL статьи: https ://esj .todav/PDF/18NZVN3 22.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:

Пашкевич, М. А. Исследование негативных последствий складирования золошлаковых отходов / М. А. Пашкевич, Ю. А. Куликова // Вестник евразийской науки. — 2022. — Т. 14. — № 3. — URL: https://esi.todav/PDF/18NZVN322.pdf

For citation:

Pashkevich M.A., Kulikova Yu.A. Negative consequences of ash and slag waste storage. The Eurasian Scientific Journal, 14(3): 18NZVN322. Available at: https://esi.todav/PDF/18NZVN322.pdf. (In Russ., abstract in Eng.).

Пашкевич Мария Анатольевна

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет», Санкт-Петербург, Россия

Заведующий кафедрой «Геоэкологии» Доктор технических наук, профессор E-mail: mpash@spmi.ru ORCID: https ://orcid.org/0000-0001-7020-8219 РИНЦ: https://elibrarv.ru/author profile.asp?id=405611 Researcher ID: https ://www.researcherid.com/rid/D -4761-2014 SCOPUS: https://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=57188568215

Куликова Юлия Алексеевна

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет», Санкт-Петербург, Россия

«Горный» факультет Аспирант кафедры «Геоэкологии» E-mail: vulivakulikova1997@mail.ru

Исследование негативных последствий складирования золошлаковых отходов

Аннотация. Металлургическое производство занимает одно из первых мест по степени и объему загрязнений, воздействующих на компоненты природной среды. Особенно серьёзные загрязнения и нарушения природной среды наблюдаются в зоне воздействия предприятий чёрной металлургии. Основной экологической проблемой объектов черной металлургии является накопление отходов производства, основными из которых являются шлаки и золошлаковые отходы. В статье представлены результаты инженерно-экологического обследования шлакохранилищ на территории металлургического комбината, где была обнаружена деформация грунтов, заключающаяся в их вспучивании в местах расположения железнодорожных путей, предназначенных для подвода емкостей слива жидкого шлака. Были проведены полевые исследования, направленные на определение температуры складируемых отходов по горизонту их залегания и параметров отходящих при бурении скважин газов, а также отбор проб для дальнейших лабораторных исследований. Анализ отобранных проб техногенного грунта производился по следующим показателям: потеря массы при прокаливании, массовая доля углерода (органического, неорганического, общего), массовая доля водорода общего и содержание таких соединений, как SiO2, CaO, Fe2O3, MgO, АЬОэ, SO3, MnO, TiO2, Na2O, K2O, P2O5, Cr2O3, SrO, ZnO и ZrO2. Анализ результатов исследований показал, что на территории участка шлакохранилищ наблюдается силикатный и другие виды распада смеси доменных и сталеплавильных шлаков, а также нагрев замкнутой в порах складируемых отходов воды, что приводит к значительному увеличению техногенных отложений в объеме и их разуплотнении, а в конечном итоге, к процессу самонагревания. Таким образом,

проведённые исследования показали, что деформации поднятия железнодорожных путей происходят в результате протекания вышеперечисленных процессов.

Ключевые слова: техногенный массив; доменное производство; металлургический шлак; золошлаковые отходы; техногенная трансформация; силикатный распад; самовозгорание

С развитием промышленного и сельскохозяйственного производств, транспорта и энергетики растёт потребность в минеральном сырье, что приводит к повышению темпов освоения и разработки полезных ископаемых. Наряду с возрастающими объемами добываемого минерального сырья происходит усиление техногенной нагрузки на компоненты природной среды, её загрязнение и трансформация [1].

Особенно серьёзные загрязнения и нарушения природной среды наблюдаются в зоне воздействия предприятий чёрной металлургии. Во многом это обусловлено физическим и моральным износом их основных фондов, а также использованием устаревших технологий на различных стадиях технологической цепочки.

Согласно статистической информации (Госдоклад) в Российской Федерации за 2020 год было добыто 376,1 млн т железной руды и 361,8 млн т угля. При этом переработка добытых железных руд сопровождается ежегодным сжиганием около 1 млрд тонн коксующихся углей, приводящих к выбросам сотен млн. тонн аэрозольных загрязнителей, а также оксидов азота и серы.

Производственные объекты чёрной металлургии комплексно воздействуют на все компоненты природной среды. Тем не менее, главными экологическими проблемами металлургических производств являются образование многотоннажных твёрдых минеральных отходов, а также организованные и неорганизованные выбросы в атмосферу [2; 3].

В этой связи возникает необходимость разработки средозащитных мероприятий, направленных на мониторинг, оценку и снижение негативного воздействия производственных объектов по переработке минерального сырья для нормализации экологической ситуации в металлургических промагломерациях.

Основными отходами предприятий чёрной металлургии, а именно производства чугуна и стали и их последующего передела, являются вредные газы и пыли, шлаки и шламы, отходы коксохимического производства, сточные воды, содержащие различные химические компоненты, скрап, окалины, бой огнеупоров, мусор и другие выбросы, которые загрязняют воздушное, водное и земное пространство [4]. На рисунке 1 представлена технологическая цепочка производства чугуна и стали с указанием образующихся в процессе производства отходов.

Шлак является побочным продуктом при выплавке чугуна. Металлургические шлаки классифицируют по видам выплавляемого металла. Их можно разделить на две основные группы: шлаки первичных металлургических процессов — доменные и ферросплавные; шлаки вторичных металлургических процессов — сталеплавильные и ваграночные [5].

Доменный шлак образуется в доменной печи из флюса, золы кокса и железосодержащих материалов. На выходе из печи шлак представлен жидкой раскаленной фазой, температура которого достигает 1400°С.

Летом 2021 года автором в составе экспедиции НЦ «Экосистема» проводилось инженерно-экологическое обследование шлакохранилищ металлургического комбината, на территории которого при визуальном осмотре была обнаружена деформация грунтов, а именно их вспучивание в местах расположения железнодорожных путей, предназначенных для

подвода емкостей слива жидкого шлака. По данным геодезических наблюдений максимальные деформации поднятия путей превысили 525 мм.

Рисунок 1. Схема образования отходов при производстве чугуна и стали (разработано автором)

Для охлаждения раскаленного доменного шлака на комбинате ранее использовалась вода. Реакция горячего шлака с водой приводила к выделению сероводорода, имеющего специфический запах [6]. Для улучшения экологической обстановки в районе металлургического производства была выдвинута идея о реализации технологии сухого охлаждения шлака естественным путем без применения воды. В связи с ограниченностью земельного отвода был построен комплекс на месте уже существующего шлакового отвала, накопленного с 1970-го года.

При строительстве комплекса было проведено инженерно-геологическое изыскание ранее накопленных техногенных грунтов. По результатам изысканий было установлено, что техногенный массив представлен неоднородными отложениями доменного шлака, металлолома, строительного мусора, футеровочного кирпича, песка, отходами коксохимического производства и промасленной ветоши.

Для подготовки объекта была предусмотрена выемка и вывоз техногенного грунта с последующей обратной засыпкой насыпным грунтом в виде щебня. В рамках проекта было утилизировано более 6 млн т материалов и повторно использовано для производства стали более 300 тыс. т железа. Вынимаемый материал проходил сортировку по фракциям в виде щебня 10-20, 20-40, 40-70 мм. В связи с дефицитом щебня нужной фракции было принято

решение о применении в качестве насыпного грунта шлаков сталеплавильного и доменного производств, которые остужались способом мокрой грануляции. Таким образом, на данных уплотненных и заровненных насыпных грунтах были построены объекты комплекса, в том числе и железнодорожные пути. Для понимания процессов, которые происходят в ложе техногенного массива, представленного щебнем шлаков сталеплавильного и доменного производств, необходимо дать их краткую характеристику [7].

Компонентный состав доменного шлака представлен следующими химическими соединениями в диапазоне указанных концентраций: кварц БЮ2 (32-42 %), оксиды кальция СаО (7-16 %), магния М§О (32-45 %), железа Бе2Оэ (1-1,5 %), марганца МпО (0,2-1,0 %) и алюминия АЬОэ (4-13 %), а также сера Б (1-2%) [8]. По соотношению суммы оксидов Са и М§ к сумме оксидов и А1 определяют модуль основности шлаков, по которому они подразделяются на основные (Мо > 1), нейтральные (М = 1) и кислые (Мо < 1).

Подавляющее большинство основных шлаков при содержании более 43 % оксида кальция и менее 8 % глинозема при медленном остывании склонно к силикатному распаду, что приводит к увеличению его объема на 10-12 % и его растрескиванию. Силикатный распад возникает в связи с тем, что при кристаллизации оксиды шлака образуют двухкальциевый силикат 2CaОSiО2. Однако при содержании глинозема около 18 % шлак устойчив к распаду. Повышает устойчивость шлаков и присутствие магнезии в диапазоне концентраций от 5 до 15 %.

Главными составляющими сталеплавильных шлаков являются БЮ2 (7-34 %), СаО (32-55 %), М§0 (6-18 %) БеО (0,1-0,7 %) и МпО (1-23 %) [9; 10].

Подавляющее большинство сталеплавильных шлаков склонно к известковому, магнезиальному, марганцовистому и железистому распадам [11]. При этом силикатный распад для них не характерен.

Известковый и магнезиальный распады происходят вследствие гидратации включений свободных оксидов кальция и магния, что увеличивает объем этих включений в 2-3 раза и вызывает набухание шлака на 18-20 %.

Марганцовистый и железистый распады обусловлены взаимодействием закисей марганца и железа с сульфидной серой и образованием сульфидов этих металлов, которые во влажной среде переходят в гидраты, что вызывает увеличение объема соответственно на 24 и 38 % и приводит к набуханию шлака. Данное явление наблюдается при содержании в шлаках более 3 % закиси железа или марганца и более 1 % сульфида серы [12].

В настоящее время участок исследуемого шлакохранилища состоит из четырех траншей для слива шлака. Охлаждение шлака осуществляется естественным путем до температуры 270°С. Далее шлак перемешивается экскаватором для ускорения его охлаждения до 100°С. После этого производится погрузка шлака в самосвалы и далее шлак отвозится на дробильно-сортировочные комплексы.

При проведении инженерно-экологических исследований для установления мест последующего отбора проб была проведена ночная тепловизионная съемка техногенного массива с помощью тепловизора, размещённого на беспилотном летательном аппарате (рис. 2). Съёмка проводилась на техногенном массиве, на который 2 месяца не проводился слив жидкого шлака.

Анализируя результаты тепловизионной съемки, было установлено неравномерное остывание техногенных грунтов, находящихся близи расположения железнодорожной эстакады.

Рисунок 2. Ночная тепловизионная съемка с применением БПЛА (проводилось автором)

Шнековое бурение скважин с последующим отбором проб для проведения полевых и лабораторных исследований проводилось на площадях максимального разогрева массива (рис. 3).

Рисунок 3. Схема расположения скважин бурения (разработано автором)

В ходе бурения и пробоотбора техногенного грунта с помощью пирометра устанавливалась температура отходов на различных горизонтах их залегания (рис. 4).

Дополнительно производился анализ отходящих газов с использованием портативного оборудования: газоанализатор «ЭКОЛАБ» и метеометр МЭС200А с щупом Щ-1 (рис. 5).

Рисунок 4. Температура пород техногенного массива по горизонтам залегания (разработано автором)

Рисунок 5. Проведение буровых работ и замеров параметров газовой смеси (проводилось автором)

Анализ результатов измерения параметров газовой смеси (табл. 1) показал следующее. Концентрации компонентов в отходящих газах (за исключением КО2 и СО2, которые не были обнаружены) существенно превышают фоновые значения, зарегистрированные на бортах шлакохранилищ.

Таким образом, проведённые полевые измерения показали появление в газовой смеси таких компонентов, как КО, СхНу, СН4, КО2, БО2, СО, ШБ, СО2 свидетельствует о протекании реакции распада в теле массива, что вызывает перегрев техногенных грунтов в точках отбора проб [13; 14].

Отобранные пробы техногенного грунта были доставлены в лабораторию Моделирования экологической обстановки Санкт-Петербургского горного университета для дальнейшего исследования.

Таблица 1

Параметры отходящих газов в точках отбора проб

№ скважины Глубина, м Температура, °С Влажность, % NO, мг/м3 СхНу (в пересчете на гексан), мг/м3 СН4, мг/м3 SO2, мг/м3 CO, мг/м3 H2S, мг/м3

Фоновые концентрации для ШЯ № 3 1,1 н/о н/о 0,16 0,59 н/о

Скв. 1 1 51 18 1,4 5,1 н/о 0,16 1,7 н/о

2 52 20 1,5 31 3,2 0,2 2,8 н/о

3 53 19 1,8 51 24 0,25 3,3 н/о

Скв. 2 1 72 12 1,7 40 21 0,2 2,7 н/о

4 52 100 1,4 63 45 0,79 20 н/о

7 44 90 1,4 53 29 0,52 7 0,061

12 42 100 1,1 80 33 1,1 114 0,32

Скв. 3 1 43 24 1,2 20 2,6 0,49 3,5 0,04

5 50 91 1,2 73 42 0,83 51 0,28

12 40 100 1,1 66 35 0,66 54 0,23

Фоновые концентрации для ШЯ № 4 0,75 н/о н/о 0,4 н/о н/о

Скв. 5 1 53 16 2,4 23 14 0,66 н/о 0,08

4 51 21 1,1 7 н/о 0,4 0,67 н/о

Скв. 7 1 38 53 1,1 н/о н/о 0,56 1 0,04

4 54 100 1,5 95 55 1,6 74 0,25

8 45 100 1,6 117 88 3,6 127 0,43

Фоновые концентрации для борта шлакоотвала 0,4 н/о н/о 0,23 0,76 н/о

Скв. 6 1 35 87 0,59 26 н/о 1 2,9 0,16

4 31 90 0,65 50 н/о 0,64 21 0,14

7 30 72 0,94 н/о н/о 0,42 3,1 0,03

Фоновые концентрации для траншеи № 2 1,1 н/о н/о 0,22 0,51 н/о

Тр. 2 3 32 100 1,1 66 13 1,7 76 0,28

6 32 70 1,2 92 16 14 165 0,79

Анализ отобранных проб техногенного грунта производился по следующим показателям:

• потеря массы при прокаливании (ППП);

• массовая доля углерода (органического, неорганического, общего);

• массовая доля водорода общего;

• состав техногенных отложений.

Потеря массы при прокаливании определялась термогравиметрическим методом анализа с использованием термогравиметрического анализатора TGA701 фирмы LECO; массовая доля углерода (органического, неорганического, общего), водорода общего определялась методом ИК-спектрометрии с использованием элементного анализатора CHN628 фирмы LECO; состав техногенных отложений определялся рентгенофлуоресцентным методом по фундаментальным параметрам с использованием последовательного волнодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектрометра XRF-1800 фирмы Shimadzu.

Полученные результаты потери массы при прокаливании, местами достигающей 33,98 %, свидетельствуют о высоком содержании воды в шлаковых отходах, содержащихся в ложе техногенного массива, что является следствием остужения этих отходов способом мокрой грануляции.

Слив жидкого раскаленного шлака приводит к активному разогреву "замкнутой" в шлаках воды, формированию интенсивного парообразования, и, следовательно, к перепадам давления и плотности внутри пор техногенных отложений. По мере прогрева насыпи зона

парообразования сдвигается вглубь насыпи, что ведёт к разуплотнению складируемого материала и деформации самой насыпи.

Проведённый анализ проб техногенного грунта показал наличие в нем таких соединений, как БЮ2, СаО, Бе2Оэ, М§О, АЬОэ, БОэ, МпО, ТЮ2, Ка2О, К2О, Р2О5, СГ2О3, БгО, 2пО, 2гО2. При этом наличие основных шлаков и значения содержания СаО, местами достигающие 29 % по массе, свидетельствуют о возможности силикатного и известкового распада доменного и сталеплавильного шлака, соответственно. Данные реакции также характеризуются увеличением объёма материала.

Массовая доля углерода общего колеблется от 3,32 % на глубине 1 метра до 29,85 % на глубине 10 м. Его высокие содержания обуславливаются наличием остатков угольной шихты в шлаке. При наличии воспламеняющихся компонентов в процентном содержании превышающим 15 % по массе, опасность самонагревания считается, как правило, высокой в случае неуплотненной загрузки материала [15].

Таким образом, проведённые полевые и лабораторные исследования показали, что после протекания процессов силикатного и известкового распадов и нагрева "замкнутой" воды, техногенный грунт оказался в разуплотненном состоянии. Тем самым был обеспечен приток кислорода к соединениям углерода. Создалась среда, при которой протекает процесс самонагревания, что объясняет долгое временное поддержание высоких температур в слоях складируемых отходов и присутствие горючих газов при бурении скважин (СхНу, СО, КО и др.) [16; 17].

В результате проведённых работ были даны рекомендации о невозможности дальнейшей эксплуатации техногенного массива для охлаждения шлаковых масс. В настоящий момент шлаковые ямы не используются для складирования отходов и остро стоит вопрос об утилизации накопленного техногенного массива.

ЛИТЕРАТУРА

1. Guo W., Guo M., Tan Y., Bai E., Zhao G. Sustainable Development of Resources and the Environment: Mining-Induced Eco-Geological Environmental Damage and Mitigation Measures — A Case Study in the Henan Coal Mining Area, China // Sustainability. 2019. V. 11, 4366. P. 1-34.

2. Riley A.L., MacDonald J.M., Burke I.T., Renforth P., Jarvis A.P., HudsonEdwards K.A., McKie J., Mayes W.M. Legacy iron and steel wastes in the UK: Extent, resource potential, and management futures // Journal of Geochemical Exploration 2020. V. 219. P. 1-11.

3. Чукаева М.А., Матвеева В.А., & Сверчков И.П. Комплексная переработка высокоуглеродистых золошлаковых отходов // Записки Горного института. 2020. Т. 253. С. 97-104.

4. Pashkevich M.A. Classification and Environmental Impact of Mine Dumps // Assessment, Restoration and Reclamation of Mining Influenced Soils. Academic Press. 2017. Р. 1-32.

5. Гусева Ю.О., Сычева Т.С., Моторина О.С., Сериченко Ю.С., Боброва З.М. Формирование шлаков металлургического передела и основные направления их применения // ТиТМП. 2013. № 1. С. 59-62.

6. Сеник А.И., Милюков С.В., Ирошкина О.Б. Образование выбросов сероводорода при внепечной грануляции доменных шлаков // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2008. № 3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obrazovanie-vybrosov-serovodoroda-pri-vnepechnoy-granulyatsii-domennyh-shlakov/viewer.

7. Oge M., Ozkan D., Celik M.B., Sabri G.M., Cahit K.A. An Overview of Utilization of Blast Furnace and Steelmaking Slag in Various Applications // Materials Today: Proceedings. 2019. V. 11. P. 516-525.

8. Шогенов О.М., Рамадан А., Эдоков Р.А., Тапов А.А. Опыт применения доменного шлака в качестве искусственного основания фундамента здания // ИВД. 2019. № 4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opyt-primeneniya-domennogo-shlaka-v-kachestve-iskusstvennogo-osnovaniya-fundamenta-zdaniya/viewer.

9. Дильдин А.Н., Чуманов В.И., Бендера Т.А. Утилизация шлаков сталеплавильного производства // Вестник ЮУрГУ. Серия: Металлургия. 2007. № 13. С. 15-16.

10. Yi H., Xu G., Cheng H., Wang J., Wan Y., Chen H. An Overview of Utilization of Steel Slag // Procedia Environmental Sciences. V. 16. P. 791-801.

11. Леонтьев ЛИ., Шешуков О.Ю., Цепелев ВС., Михеенков М.А., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К. Технологические особенности переработки сталеплавильных шлаков в строительные материалы и изделия // Construction materials. 2014. № 10. С. 70-73.

12. Matveeva V., Lytaeva T., Danilov A. Application of steel-smelting slags as material for reclamation of degraded lands // Journal of Ecological Engineering. V. 19(6). P. 97103.

13. Bihalowicz J. S., Rogula-Kozlowska W., Krasuski A. Contribution of landfill fires to air pollution — An assessment methodology // Waste Management. 2021. V. 125. P. 182-191.

14. Zhang Y., Liu Y., Shi X., Wang W., Li Y. Risk evaluation of coal spontaneous combustion on the basis of auto-ignition temperature // Fuel. 2018. no. 233. P. 68-76.

15. Новоселов С.В., Попов В.Б., Голик А.С. Оценка риска возникновения эндогенных пожаров в угольных шахтах // Уголь. 2020. В. 5. С. 21-25.

16. Gridina E.B., Kovshov S.V., Antonenko T.I., Miroshnichenko A.K. Development of fire safety measures aimed at preventing and responding to spontaneous combustion in brown coal mines // Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2020. I. 6. Р. 96-101.

17. Родионов В.А., Турсенев С.А., Скрипник И.Л., Ксенофонтов Ю.Г. Результаты исследования кинетических параметров самовозгорания каменноугольной пыли // Записки Горного института. 2020. Т. 246. С. 617-622.

Pashkevich Mariya Anatolievna

Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia

E-mail: mpash@spmi.ru ORCID: https ://orcid.org/0000-0001-7020-8219 RSCI: https://elibrary.ru/author profile.asp?id=405611 Researcher ID: https ://www.researcherid.com/rid/D -4761-2014 SCOPUS: https://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=57188568215

Kulikova Yuliya Alekseevna

Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia E-mail: yuliyakulikova1997@mail.ru

Negative consequences of ash and slag waste storage

Abstract. Metallurgical production occupies one of the first places in terms of the degree and volume of pollution affecting the components of the natural environment. Particularly serious pollution and disturbances of the natural environment are observed in the impact zone of ferrous metallurgy enterprises. The main environmental problem of ferrous metallurgy facilities is the accumulation of production waste, the main of which are slag and ash and slag waste. As part of the engineering and environmental survey of slag storage facilities on the territory of the metallurgical plant, soil deformation was detected, consisting in their swelling at the locations of railway tracks intended for supplying liquid slag discharge tanks. Field studies were carried out aimed at determining the temperature of the stored wastes along the horizon of their occurrence and the parameters of gases leaving during drilling, as well as sampling for further laboratory studies. The analysis of the selected samples of technogenic soil was carried out according to the following indicators: mass loss on ignition (LOI), mass fraction of carbon (organic, inorganic and total), mass fraction of total hydrogen and the content of compounds such as SiO2, CaO, Fe2O3, MgO, AhOs, SO3, MnO, TiO2, Na2O, K2O, P2O5, Cr2O3, SrO, ZnO, and ZrO2. Analysis of the research results showed that silicate and other types of decomposition of a mixture of blast-furnace and steel-smelting slags are observed on the territory of the slag storage site, as well as heating of water closed in the pores of stored waste, which leads to a significant increase in technogenic deposits in volume and their decompaction, and ultimately, to the self-heating process. Thus, the conducted studies have shown that deformations of the uplift of railway tracks occur as a result of the above processes.

Keywords: waste storage facility; blast-furnace production; metallurgical slag; ash and slag waste; technogenic transformation; silicate decomposition; self-ignition