CC BY
62
© Т.Н. Александрова, К.В. Прохоров, 2012
УДК 622.55; 622.7
Т.Н. Александрова, К.В. Прохоров
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ КАК ФАКТОР ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Исследован процесс переработки золошлакового материала ТЭС как аспект экологической безопасности. Рассмотрен новый, значительно отличающийся по структуре объект — техногенные донныю отложения. Разработаны методы интенсификации выхода полезных компонентов при обогащении.
Ключевые слова: экологическая безопасность, обогащение, золошлаковый материал, магнитный концентрат, класс опасности.
Решение проблемы экологической безопасности при освоении недр должна развиваться в двух различных направлениях:
• полное или частичное устранение причин техногенного изменения геологической среды, как источника экологической опасности;
• ликвидации последствий изменения литосферы при добыче полезных ископаемых [1].
Российским законодательством широко используются термины «экологически безопасная деятельность», «экологически безопасные объекты» и т.д. При этом экологически безопасными считаются деятельность, про-мышленно-производственный объект, его продукция, работы, услуги, удов-летворяюшие экологическим требованиям, закрепленным юридическими нормами [2]. Категория экологической безопасности закреплена Конституцией РФ, Федеральными законами «О безопасности», «Об охране окружаюшей среды» [3].
Серов Г. П. [4] сформулировал понятие экологической безопасности предприятия как состояния заши-шенности от техногенной и экологической опасности. Техногенная
опасность обусловлена воздействием хозяйственной и иной деятельности на природную среду, экологическая — воздействием стихийных природных явлений, а также загрязненной и измененной природной среды на предприятие, включая угрозу необеспеченностью ресурсами. Такая формулировка констатирует о взаимосвязи техногенной и экологической опасности.
Применительно к специфике горного производства, экосистема устойчива к техногенному воздействию до тех пор, пока ее биота сохраняет способность к самовосстановлению (т.е к возврату на путь эволюции по законам циклической сукцессии) после снятия техногенной нагрузки в связи с исчерпанием запасов месторождения. Проецируя эти условия в техносферу, можно сформировать понятие экологической безопасности: производство экологически безопасно, если техногенное возмушение абиотической составляюшей экосистемы не превышает уровня, при котором ее биота сохраняет способность к самовосстановлению (т.е. к возврату на путь эволюции по законам циклической сукцессии) после
снятия техногенной нагрузки в связи с исчерпанием запасов месторождения [5].
Производство электроэнергии и тепла приводит к образованию большого количества различного рода отходов. Количество накопленных зо-лошлакового материала (ЗШМ) составляет по краю 28*106 тонн, в том числе в г. Хабаровске 16,5*106. Эффективным способом сокращения отходов является их переработка с расширением номенклатуры товарной продукции. Приоритетное значение приобретает переработка на основе современных методов обогащения [6].
Объектом исследования явились донные техногенные отложения и зо-лошлаковый материал (ЗШМ) ТЭЦ Хабаровского и Приморского краев.
Химическим и элементным анализом выявлено, что ЗШМ являются сосредоточением тяжелых металлов, следовательно они являются источником негативно воздействия на окружающую природную среду. Поскольку золоотвалы ТЭС открытого намывного типа, ЗШМ подвержен воздействию окружающей среды, с материалом происходят гипергенные процессы преобразования, выщелачивание элементов и расширение ореола загрязнения. В России в настоящее время к «тяжелым металлам отнесено 15 химических элементов: Нд, С<^ РЬ, Си, 2п, Л, Бе, Р, С1, Сг, N1, дб, Ад, Бп, БЬ. В число «тяжелых металлов» отнесены не только собственно металлы, но и галоиды. К веществам-загрязнителям техногенного происхождения относятся простые химические вещества и их соединения. Степень загрязнения почв теми или иными химическими веществами определяется относительно предельно-допустимых концентраций (ПДК) [7].
Утилизации отходов от сжигания твердого топлива является одной из
актуальных проблем. Так как золу нужно рассматривать не только как проблему возрастающего загрязнения окружающей среды, а как источник экономии материальных ресурсов.
В связи с ежегодным снижением разведанных запасов полезных ископаемых, зола, в виду огромных ее запасов, может стать источником полезных ископаемых вторичной переработки. С химической точки зрения зола содержит почти все существующие в природе элементы, главными из которых являются кремний, алюминий, железо, кальций, калий, титан, а присутствие ценных, таких как, золота, металлов платиновой группы, редкоземельных, нередко достигает величин, оптимальных для промышленной отработки.
К числу негативных последствий формирования техногенных массивов так же следует отнести трансформацию ландшафтов, ухудшение состояния атмосферы, сокращения площадей земель, пригодных для сельскохозяйственного пользования, загрязнения почвенного покрова, развития эрозионных процессов [8]. Использование золы и шлаков местной промышленностью незначительное и не превышает 30—50 тыс. т в год. Использование золы уноса осуществляется без глубокой ее переработки в качестве отсыпного материала в строительных работах и ландшафтном дизайне, брикетирование, наполнителя в производстве строительных материалов и конструкционных материалов.
Эффективно и выгодно перерабатывать техногенный материал комплексно, с использованием всех продуктов с целью исключения перескладирования хвостов обогащения материала.
Основная цель исследования заключается в обосновании методов
комплексной переработки золошла-ковых отходов с целью обеспечения экологической безопасности.
В связи с поставленной целью были сформулированы следующие залами : исследование состава и структуры техногенных отходов с помощью современных физико-химических методов анализа; разработка технологических методов и комбинации режимов, включающих исследования комбинированных гравитационно-магнитных и магнитно-гетерокоагуляционно-флокуляционных методов обогащения, направленных на обеспечение максимального извлечения ценных компонентов; экологическая оценка отходов энергетики; рассмотреть экологический аспект обогащения, как фактор снижения техногенной нагрузки и обеспечения экологической безопасности.
Объектом данного исследования явились донные техногенные отложения и золошлаковый материал (ЗШМ) ТЭЦ Хабаровского и Приморского краев. Гранулометрический и седи-ментационный анализ донных отложений показал, что материал пробы в основном представлен тонким классом — шламами, суммарное содержание класса -0,071+0,0 мм составляет 99,41 %.
Оценка содержания основных компонентов проводилась силикатным анализом по стандартной методике и рентгенофлуоресцентным анализом (S4 PIONEER).
Минеральным анализом исходных проб выявлено, что основным компонентом состава являются: 1. силикаты (~70 %), пылевидные частицы кварца, карбонатов, полевых шпатов, глинистых частиц; 2. Частицы несгоревше-го угля; 3. Рудная минерализация представлена мельчайшими зернами (50 микрон и менее) магнетита, игольчатого гётита (лимонит), шпине-
ли, реже пирротина, единичными знаками циркона, пирита, касситерита. Минералогическое изучение подтверждает отличие проб донных техногенных отложений от материала золошлаков изученных ранее. И требует новые подходы к процессам извлечения полезных компонентов.
Одним из наиболее ценных компонентов отходов сжигания твердых то-плив являются несгоревшая часть угля. В некоторых образцах содержание недожега достигает 20 %. В работе было исследовано выделение недожега классом крупности -2+0,5 мм. Разделение проводили в тяжелых растворах солей. Выход концентрата составил от 0,58 до 1,73 %, что позволит получать до 17,3 кг угольного концентрата из 1 тонны отходов. Полученный концентрат можно использовать для получения брикетов и дальнейшего использования в качестве топлива. (Положительное решение на патент № 2010118956 «Способ обогащения угольного сырья» от 11.05.2010). Зольность полученного угольного концентрата составила 14 — 23 %. Зольность хвостов после выделения недожега составила 95 % представлена тонким классом, а так же частиц угля в сростках с породой. Выделение недожега тонкого класса крупности осуществляется флотационными методами (Патент №2339454 Способ флотации углистого вещества).
Рудная минерализация исследуемых проб представлена железосодержащими компонентами, то следующим полезным компонентом отходов следую выделить магнитную фракцию. Содержание железа в исходной пробе составляет 1,7 %. Рассортированный на классы материал был изучен на элементный состав рентгено-флуоресцентным анализом. Наибольшее количество железосо-
держаших компонентов сосредоточено в классе крупности -0,2 + 0,071 мм и -20 + 10 мкм. При этом основную массу составляет материал крупностью 40—5 мкм. Анализом литературных данных выявлено, что магнитная восприимчивость материала падает при уменьшения размера частиц материала. При измельчении до 40 мкм магнетит теряет 1520 % своих магнитных свойств [9]. Учитывая это, в процессе магнитного разделения тонкого материала было предложено введение флокулянта в пульпу перед процессом сепарации и введение центров гетерокоагуляции. Анализ литературных данных и поисковые эксперименты показали, что эффективными флокулянтами являются анионные полиэлекторолиты (ПЭ). Для введения центров флоку-ляции использовался магнетит класса крупности — 0,4 + 0,2 мм. Проводилось три серии экспериментов. Первая сравнительная серия сепарации проводилась без добавления реагентов и центров флокуляции на сепараторе ЭБМ-32/20. Вторая серия проводилась в аналогичных условиях с добавлением магнетита в качестве центров магнитной гете-рофлокуляции. В третьей серии использовался флокулянт — высокомолекулярный полиэлектролит.
В ходе исследования выявлено, что при использовании флокулянтов выход магнитной фракции увеличивается на 25 40 %. Причем использование реагента (ПЭ) оказывает большее влияние на увеличение выхода и качество магнитной фракции. Полученные концентраты были проанализированы на минеральный состав. Магнитная фракция 1 серии представлена тончайшими шариками магнетита 0,05 мм — 95 %, реже полуразрушенного пирротина и гётита. Остальная фракция состоит из раз-
рушенных тепловым эффектом обломков породы: кварцитов, карбоната, глинистых частиц и железистых охр в виде чешуек. Магнитная фракция серии 3 по содержанию магнетита более богатая — 98 %о, силикатная часть несколько сократилась, обломки кварца находятся в конгломератах, легко рассыпаюшиеся при нажатии, чешуйки железестых охр скомкованы в ржавые корки размером 0,2 — 0,315 мм. Не наблюдается карбонатов и карбонатизация пород, а так же не отмечается серицит. Не изменились оплавленные стекловидные матовые шарики кварца.
Хвосты магнитной сепарации содержат алюмосиликаты. А так же микрокомпоненты: благородные и редкоземельные элементы. Для переработки алюмосиликатов предлагается широко изученный кислотный способ переработки, позволяюший произвести разделение основных компонентов алюминия и кремния уже на первой стадии технологического процесса [10, 11]. В промышленных масштабах объем алюмосиликатных хвостов будет большим, поэтому предлагается наиболее экономически рентабельный способ кучного вышелачивания материала. Для материала техногенного происхождения в ходе вышелачивания характерны процессы уплотнения, поэтому материал предварительно требует окомкования. Из всех связуюших добавок наиболее подходяшим является бетонит — глина, состояшая в основном из минералов группы монтмориллонит (реже палыгорскит) и диспергируюшиеся в воде до коллоидного состояния. В отличие от других связуюших (гашёная известь, хлорид кальция и натрия, сульфат железа и пр.) глина имеет схожий химический состав с обрабатываемым материалом. А так же не влияет рН
среды (в отличии от извести) и не вносит дополнительные элементы-примеси (сульфат железа, хлорид кальция). Главным преимуществом бетонита является свойство сильно набухать при поглощении воды (наблюдается увеличение объёма осадка в 15-19 раз).
Для техногенного материала схожего по составу на песчано-глинистые руды, подверженных уплотнению, применим фильтрационный режим выщелачивания. При этом подачу реагента осуществляют по скважинам, пробурённым с поверхности кучи или отвала. Для интенсификации процесса кучного выщелачивания в зависимости от конкретных условий применяют аэрацию куч и отвалов с помощью перфорированных труб, наращиваемых в процессе отсыпки материала. Выщелачивание предлагается проводить серной, соляной или азотной кислотой с получением А12(Б04)з, А1С1з, А1^0з)з, которые при термических превращениях переходят в глинозем. Либо сульфат алюминия использовать для получения коагулянтов. Трудности в выщелачивании алюмосодержащих компонентов заключаются в неполном растворении алюмосиликатов в кислотах. Поэтому все способы кислотной переработки содержат стадию активации (термоактивации) при 700-750 °С, а так же активацию химической обработкой. (Патент РФ № 2436855 «Способ извлечения алюминия и железа из золошлаковых отходов» от 20.12.2011).
Фильтрат после выщелачивания содержит так же редкоземельные элементы (РЗЭ). Поэтому перед процессом кристаллизации алюминий содержащих компонентов выполняется экстрагирование РЗЭ селективными органическими растворителями с
дальнейшей реэкстракцией для получения концентрата РЗЭ.
Продуктом кислотного разложения (выщелачивания) алюмосиликатов будет чистый кремнезем, находящий широкое применение в производстве цемента, пористых заполнителей, легких бетонов, а так же стекла и керамики.
Основным показателем, устанавливающим степень воздействия отходов, является их класс опасности. В ходе исследования были проведены расчеты класса опасности исходной золы, а так же хвостов обогащения. Расчет производился расчетным способом по содержанию компонентов золы (Пат. 2009612788 РФ Программа расчета класса опасности отходов «Dang Waste»). Показатель степени опасности зол Кота в среднем составляет 210. Класс опасности = III (умеренно опасный). После процесса магнитного обогащения и извлечения большинства тяжелых металлов в концентрат, класс опасности хвостов обогащения снизился до IV (малоопасный). Поэтому требуется комплексная переработка техногенного материала, без необходимости перескладирования хвостов обогащения на новое место, где они будут негативно воздействовать на окружающую среду.
Таким образом, техногенное вторжение в литосферу приводит ее отдельные участки в новое состояние. Эти изменения имеют прямые или косвенные последствия для всех остальных элементов экосистемы Земли. В связи с этим в работе показана перспективность переработки отходов от сжигания твердых топлив, с получения ряда полезных компонентов находящих свое применения в различных отраслях промышленности (строительство, металлургия и др.). Был исследован новый, значительно отличающийся по структуре
объект — техногенные донные отложения. Разработаны методы интенсификации выхода полезных компонентов при обогашении. Рассмотрен экологический аспект обогашения, ис-
1. Галченко Ю.П. Методология создания подземных геотехнологий, обеспечивающих защиту окружающей среды. Труды научного симпозиума «Неделя гоняка-2010» — М.: издательство «Горная книга». — 2010 №ОВ1. С. 239 — 251.
2. Закон РФ «О недрах» от 21.02.1992.
3. Федеральным закон Российской Федерации от 05.03.1992 г. № 2446-ФЗ «О безопасности», Федеральный закон Российской Федерации от 10.01.2002 г №7- ФЗ «Об охране окружающей среды»
4. Серов Г.П. Экологический аудит. Концептуальные и организационно — правовые основы. — М.: «Экзамен», 2000. — 786 с.
5. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л. И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. М.: Научтехиздат, 2003, 260 с.
6. Черепанов А. А. Благородные металлы в золошлаковых отходах дальневосточных ТЭЦ // Тихоокеанская геология. — 2008. Том 27. №2. — С. 16-28.
следован класс опасности исходного материала и продуктов обогашения. Обоснован комплексный метод переработки ЗШМ как фактор экологической безопасности.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Матвеенко Т. И Загрязнение почв территорий дальневосточных городов тяжелыми металлами: Учебное пособие. Матвеенко Т.И., Дербенцева А.М. — Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2008. — 96 с.
8. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду/М.А. Пашкевич. — СПб. — 2000. — 230 с.
9. Кармазин В.В., Кармазин В.И.. Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных. Том I, Москва, Издательство МГГУ. 2005, 672 с.
10. Прохоров К.В., Александрова Т.Н. Оценка химико-технологического потенциала золошлаковых отходов (на примере луче-горской ТЭЦ) // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 4, 2010, С. 164-168.
11. Прохоров К.В. Золошлаковые отходы как сырье для получения товарной продукции (магнетит, коагулянты)// Минералогия техногинеза — 2011. Миасс: Имин УрО РАН, 2011., С 186-191. SШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Александрова Т.Н. — доктор технических наук, заведующая лабораторией, е-шаП: IGD@rambler.ru,
Прохоров К.В. — аспирант, е-шаИ: prohorov@igd.khv.ru, Институт горного дела ДВО РАН.
А
- РАЗМЫШЛЕНИЯ И ДИАЛОГИ
- Что общего между бакалавром, инженером и магистром?
- Ничего.
