CC BY
3
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ
2003 МАТЕРИАЛЫ УРАЛЬСКОЙ Вып. 17
ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ДЕКАДЫ
10-20 апреля 2003 г.
ТОРФ В ПРИРОДООХРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ ТОРФЯНЫХ РЕСУРСОВ УРАЛА
ГРЕВЦЕВ Н. В.. АЛЕКСАНДРОВ Б. М. Уральская государственная горно-геологическая академия
Основным научным направлением каОсдры природообустройсва УГГГА являются работы в области добычи и переработки торфа.
Торфяная промышленность представляет собой добывающс-псрерабатывающую отрасль, оснащенную многочисленными технологическими схемами для выпуска широкого ассортимента продукции многоцелевого назначения. Результаты всесторонних исследований отечественных и зарубежных ученых создают основу комплексного экологически безопасного использования торфа и торфяных месторождений. Наибольшее развитие торфяная промышленность получила в крупных промышленных и сельскохозяйственных регионах, в том числе и в Свердловской области. Такие регионы в силу специфики своего социально-экономического развития испытывают значительные техногенные нагрузки, в результате которых во всех компонентах окружающей среды происходят негативные изменения. Добыча и переработка торфяного и минерального сырья, химическое и металлургическое производства, ряд сельскохозяйственных технологий приводят к крупномасштабным отрицательным воздействиям, в том числе к созданию и накоплению большого количества твердых, полутвердых и жидких отходов. Широкая распространенность месторождений торфа и их территориальная близость к техногенным образованиям, уникальность и разнообразие природных свойств позволяют рсиать проблему утилизации отходов промышленного и сельскохозяйственного производств путем их совместной переработки.
Для обеспечения Свердловской области дешевыми и эффективными видами топлива необходимо совершенствование существующих и создание новых технологических процессов торфяного производства, в том числе с широким использованием различных отходов в качестве составляющих компонентов топлива. Комплексная, рациональная и ресурсо- и энергосберегающая технология переработки торфа позволит резко повысить эффективность производства, перейти от крупнотоннажной добычи торфяного сырья к его глубокой переработке с получением продукции заданного качества и обеспечить решение региональных экологических проблем.
В Свердловской области накоплен положительный опыт по решению важнейших проблем развития хозяйственного комплекса в рамках целевых областных программ и мероприятий. В группу приоритетных программ включены Программа энергосбережения и Программа переработки техногенных образований. В рамках этих программ предусматривается увеличение доли местного топлива в структуре топливного баланса области.
В соответствии с областным заказом на научно-иссл едовательскис работы на 2000 г. по говору между Правительством Свердловской области и Уральской государственной геологической академией были выполнены следующие работы: проведен анализ торфяных сов муниципальных образований Свердловской области; дана технико-экономичсская оценка шествующим технологиям производства торфяного коммунально-бытового топлива; ра концепция программы развития производства торфяного топлива для коммунально-бытовых с учетом современных требований ресурсо- и энергосбережения; разработаны методические мендации по развитию производства торфяного топлива в Свердловской области.
Торф традиционно относится к местным ресурсам, используемым для решения отд-вопросов конкретного региона. Нь этапе становления экономического потенциала России использовался как местное топливо для обеспечения промышленности крупных городов. П: с изменением топливного баланса торф стал занимать одно из ведущих мест в обеспечении ского хозяйства органическими удобрениями. В настоящее время торф вновь может быть бован как эффективное коммунально-бытовое топливо.
По запасам торфа Свердловская область занимает одно из ведущих мест в Российской рации. Согласно кадастру торфяных месторождений, в области разведано и учтено 1671 месторождение общей площадью в границах промышленной залежи 1931,1 тыс. га с торфа 6985,7 млн т. Анализ картографических и других материалов показывает, что, по скромным подсчетам, общегеологические запасы торфа с учетом еще не разведанных м дений превышает 8 млрд. т.
В целом анализ торфяных ресурсов Свердловской области свидетельствует о в встречаемости и значительных запасах торфа, что, в свою очередь, обеспечивает возможность ганизации производства торфяной продукции заданного качества в большинстве муници образований области.
Концепция программы развития производства торфяного топлива для комму бытовых нужд Свердловской области должна базироваться на принципах рационального допользования, комплексного использования полезных ископаемых, безотходной технологии реработки минерального сырья, которые наряду с экономической идеей имеют ряд важных пектов.
Основная цель Программы - развитие торфяной отрасли, направленное на увеличение нованного ресурсами объема производства, техническое перевооружение отрасли, обсспеч шее получение высококачественного торфяного топлива, увеличение доли местного топл структуре топливного баланса и повышение уровня энергетической безопасности Свер области.
Успешная реализация Программы способствует решению комплекса технических, эк ческих, социальных и экологических задач, которые вытекают из рассмотренных аспектов п гаемой концепции развития торфяной промышленности Свердловской области.
Из ресурсного аспестя: создание автоматизированной информационной базы данных торфяным месторождениям и техногенным образованиям Свердловской области; обсле торфяных месторождений, находящихся в эксплуатации, и проведение дополнительных г ческих изысканий по заявкам муниципальных образований области; исследование возмо использования в качестве наполнителя композиционных топлив отходов конкретных промы ных и сельскохозяйственных производств Свердловской области; сохранение лесных области за счет сокращения их вырубки на топливо.
Из технологического аспекта: внедрение современных наиболее эффективных про и технологий получения торфяного топлива; разработка и внедрение новых экологически ной ресурсо- и энергосберегающей технологий производства торфяного композиционного ва, с использованием в качестве наполнителей различных производственных отходов и пол ем новых видов топлив с заданными качественными показателями; повышение эффектив существующих технологий производства торфяного топлива за счет снижения удельных п лей использования топлива, энергии и сырья; разработка нового оборудования для пере торфа с целью получения коммунально-бытового топлива и размещение заказов на его из ние на машиностроительных заводах Свердловской области; создание мощностей по про ву сортового экологически чистого и калорийного топлива для населения и отопительных ных; создание мини-ТЭЦ на местных видах топлива; разработка и выпуск котлов, надежно тающих на местных видах торфяного топлива; рассмотреть вопрос возврата к газогене
установкам с использованием местных видоз топлив и др; разработка норм качества новых видов -оплив и исследование эффективности их применения в производственных условиях.
Из экологического аспекта: сокращение вредных выбросов с дымовыми газами, организация полного снижения топлива при минимальных выбросах оксида углерода и оксидов азота; снижение уровня пожароопасности в области, уменьшение риска возникновения чрезвычайных ситуаций с катастрофическими последствиями; предотвращение ущерба, наносимого окружающей среде при использовании в качестве наполнителя отходов промышленных и сельскохозяйствсн-шых производств.
Из социального аспекта: создание новых рабочих мест; снижение социальной напряженности и сохранение жизнедеятельности ряда поселков Свердловской области; подготовка рабочих ■ инженерных кадров; обеспечение сельского и городского населения, проживающего в индивидуальных домах с печным отоплением, высококачественным топливом.
Из организационного аспекта: снижение экономической зависимости от других регионов я счет замены привозного угля, используемого для коммунально-бытовых нужд, торфяными бри-«етами. что повысит уровень энергетической безопасности Свердловской области; разработка программ обеспечения муниципальных образований области местными видами коммунально-бытового топлива; создание системы государственного (территориального) заказа; восстановление вертикали управления торфяной отраслью; совершенствование производственно-экономических отношений; разработка и реализация региональной бюджетно-кредитной, инвестиционной, тарифной, социальной политики, создание рыночных и иных экономических механизмов, стимулирующих производство местных видов коммунально-бытового топлива; экономия дотационных средств, предназначенных для закупки угля, которые могут быть использованы для дальнейшего развития торфяной промышленности области.
С целью развития работ по организации производства торфяного топлива Правительством Свердловской области приняты Постановления № 43-п от 15.01.99 г. «О развитии производства торфяного топлива в Свердловской области на период 1998-2000 годов», № 410 - пп от 19.05.2000 г. «О дальнейшем развитии производства торфяного топлива Свердловской области».
Анализ многопрофильной торфяной продукции свидетельствует о том, что в большинстве случаев продукция представляет собой композиционные материалы. Под торфяными композиционными материалами понимаются материалы, включающие не менее двух компонентов, один из которых торф. При этом торф рассматривается как квазиоднородный материал. При рассмотрении основных направлений производства торфяной продукции прослеживается тенденция расширения использования в качестве сырья отходов различных производств, при этом решаются актуальные проблемы охраны окружающей среды, обеспечения регионов удобрением, топливом, строительными и другими материалами, повышается экономическая эффективность производств« за счет комплексного использования местных ресурсов.
Применительно к производству торфяных композиционных материалов сбалансирэваиный подбор качественных показателей исходного торфа и наполнителей является основополагающим принципом при разработке рецептуры новых материалов и технологических процессов. Согласно основному положению физико-химической механики, конечные свойства дисперсной системы «висят от начальной структуры материала, и любому ее изменению соответствуют измененные конечные свойства системы. Практика производства брикетов и кускового торфа однозначно указывает на влияние режима обработки и состава сырья на прочность и водопоглощаемость получаемой продукции. Оценка пригодности торфа для использования его в качестве сырья для получения композиционных материалов проводится с учетом на основе анализа органической и минеральной частей торфа, химического состава и содержания зольных элементов, структурных характеристик, содержания гуминовых веществ и других свойств.
На кафедре природообустройства У111 А выполнены экспериментальные исследования производства новых видов торфяных композиционных материалов, в том числе формованных торфяных субстратов для выращивания рассады, торфяных углеродсодержащих композиций для использования в качестве восстановителя в металлургических процессах и топлива в коммунальном хозяйстве, то пливно-плавильных композиций для металлургических процессов. Рассмотрены свойства возможных наполнителей торфяных композиций. Высокая чувствительность торфяных систем к химическому воздействию позволяет регулировать структурно-механические и реологические параметры системы с целью получения торфяных композиционных материалов с заданными качественными показателями. Вопрос химического модифицирования торфяных систем глубоко проработан при решении проблемы получения высококачественного топлива в виде формован-
ного кускового торфа и прессованных брикетов. Из работ сотрудников кафедры и других и вателей можно сделать следующие выводы. Во-первьх, имеется возможность управлять п стью кускового торфа посредством введения минеральных соединений, однако эффект нения лежит в узкой области концентраций и плохо реализуется при жссгких режимах сушки вторых, эксперимогтально доказана возможность модифицирования кускового торфа тон псрсными добавками, при этом снижается пористость материала, который приобретает с дисперсно-упроченных композиций; в-третьих, наиболее высока эффективность химического модифицирования торфяных систем посредством введения повсрхностно-а веществ и высокомолекулярных соединений, в этом случае повышается однородность снижается развитие дефектов, уменьшается крошимоегь готовой продукции, увеличивается ная удельная поверхность частиц, снижаются энергозатраты на диспергирование, повы прочность на 20-90 % и т. д.
Введение в торфяные композиции углеродистых и металл осодержащих наполнителей дает новые потребительские свойства материалу и позволяет окусковывать различные дисг материалы, в том числе являющиеся производственными отходами.
При проведении экспериментальных исследований получения торфяных композиций, висимости от их назначения, использовались следующие наполнители: для композиций хозяйственного назначения - органические и минеральные удобрения, сапропель; для ком топливного назначения - мелкий неотяной кокс, коксовая и угольная пыль и мелочь, отсев вссного угля, угольная пыль газоочистки, отходы граф>ггации угольных стержней; для комг металлургического назначения - обожженный медный концентрат, медесодержащая пыль очистки, свинцовая пыль, марганцевые шламы и др.
Введение во влажный торф сухих тонкодиспсрсных наполнителей приводит к модиф торфяной системы и превращает ее твердообразный гетерогенный комплекс, в котором торб полняет функцию пористой матрицы, в пространственной структуре которой располагаются кретные частицы наполнителя.
На основании выполненных исследований разработан новый технологический п оборудование для производства формованных торфяных композиционных материалов, гаемый производственный процесс предусматривает многовариантность технологической возможность адаптации к существующему на конкретном предприятии торфодобьн торфоперерабатывающему оборудованию. Технологический процесс состоит из следующих новных операций: добычи торфяного сырья, доставки добытого торфа и дополнительных нентов, отделения от торфа крупных древесных и металлических включений, грохочения и ления дополнительных компонентов, дозирования и перемешивания композиционной смеси, мования композиций заданной формы и размеров, сушки и складирования готовой проду
Для реализации предлагаемой технологии спроектировано и изготовлено оборудо зволяющее получить субстраты в виде цилиндрических кусков с организацией высокодисг ванной оболочки вокруг слабо переработанного торфг (Патент РФ №2014342), торфяные > дистые и топливно-плавильные композиции (Патент РФ 2014342).
Производство формованных торфяных углеродистых композиций предусматривает зование в качестве наполнителя отсевов углеродистых материалов: нефтяного и каменноу кокса и полукокса, древесного угля, каменного и бурого угля, отходов графигации у стержней и других богатых углеродом материалов. Введение в торф углеродистого матер вышает его качественные характеристики и позволяет использовать композиционные м в качестве топлива для коммунально-бытовых нужд и зосстановителя в металлургических сах.
Эффективность использования торфяных композиций в качестве топлива доказана численными научными разработками и многолетним практическим опытом. Для обеспечения курентоспособности и увеличения обоснованного ресурсами объема производства необхо^ только восстановление производственного потенциала добычи и вывозки топливного и форсирование технического перевооружения отрасли, одним из направлений которого ж использование торфяных композиционных брикетов, в том числе и пресс-формованных. При вместе с производством высококачественного топлива решается важная проблема утилиза! лого ряда производственных отходов: лигнина, угольной мелочи, отходов деревообработки, ствснные показатели пресс-формованных топливных композиций и их себестоимость в тельной степени зависят от типа используемого углеродистого наполнителя. С учетом нал Свердловской области большого количества углеродссдержащих отходов, практически не
«енной торфяной сырьевой базы и потенциала предприятий торфяной промышленности потребность области в коммунально-бытовом топливе в значительной степени может быть покрыта местным торфяным топливом.
Эффективность применения кускового торфа и торфяных углеродсодержащих композиций зри выплавке кристаллического кремния использовалась на АО «Уральский алюминиевый завод» (г. Каменск-Уральский). Опытно-промышленные испытания проводились в электротермическом лхс на однофазных руднотермичсских печах мощностью 6,5 МВт, путем сравнения динамики технико-экономических показателей печей до эксперимента и в момент его проведения. Всего было испытано около 1000 тонн углеродосодержащих композиций. Анализ полученных технико-жономических показателей свидетельствует о целесообразности использования торфяных композиций при выплавке кремния. Так, при использовании формованного торфа практически при постоянной производительности печи 530 кг/ч наблюдалось снижение расходных коэффициентов на 1 тонну кремния: расход кварцита снизился на 3,4 %, древесного угля - на 11,5 %, нефтяного кокса - на 5,8 %, электроэнергии - на 2,3 %. Коэффициент соотношения окиси кремния к твердому углероду возрос на 8 %. При этом сортность кремния не ухудшалась. С целью подтверждения эффеетивности применения топливно-плавильных композиций, полученных по предлагаемой технологии пресс-формования металлосодержаших материалов с торфом, были проведены опытные плавки в лабораторных и промышленных условиях на АО «Уралэлектромсдь», ЗАО «Верх-Нейвинский завод цветных металлов», ЗАО «Кировградская металлургическая компания».
Для получения данных о термической прочности торфяных иедесодсржащих композиций и эффективности выплавки из них меди в заводской лаборатории комбината «Уралэлектромедь» проведены опытные плавки. Из анализа химического состава полученного сплава следует, что увеличение содержания медесодержащего компонента в композициях увеличивает эффективность извлечения меди. Так, при соотношении по сухому веществу торф: медссодержащий компонент в брикете 1:11,24 извлечение меди составило 99,17 %, при соотношении 1:7,58 - 80,01 % и при соотношении 1:3,93 - 58,61 %.
При проведении опытных плавок осуществлялось визуальное наблюдение за термической стойкостью композиций. Установлено, что торфяные мсдссодсрхащис композиции сохраняют форму до температуры 1000°С, после чего происходит их плавление без предварительного разрушения. Полученные результаты свидетельствуют о достаточной термической стойкости композиций.
Промышленные плавки торфяных медесодержащих композиций проводились в анодных печах медеплавильного цеха комбинат «Уралэлемромедь» и в шахтых печах бывших Киров-градского и Карабашского медеплавильных комбинатов .
При выплавке пресс-формованных пылей выход шлака составляет 13 %. При переработке I т пылей в анодных печах со шлаком потери составят 38,8 кг меди, и дополнительно получается чедь от шлака в количестве 253,2 кг. В одной тонне брикетированных пылей находится 367,7 кг меди, которая распределяется следующим образом: в шлаке - 10,3 %; в меди от шлака - 67,25; в анодной меди - 22,55 %. Полученные показатели соответствуют нормальным условиям плавки.
Опыгно-промышленныс испытания топливно-плавильных композиций на основе торфа и свинцовой пыли проводились на Верх-Нсйвинском заводе цветных металлов. Проводилась плавка композиций в действующей шахтной печи в соотношении 70 % аккумуляторного лома и 30 % пресс-формованных брикетов.
Извлечение свинца при данном соотношении составило 83 %, что соответствует средним показателям работы печи. Производительность печи зарегистрирована на среднем уровне и составила 1677 кг/ч м2. Химический состав шлака, штейна и чернового свинца плавки также не изменился. Использование возврата свинцовой пыли из рукавных фильтров в виде пресс-формованных композиций с торфом не влияет на течение процесса шахтной плавки, не изменяет количественные и качественные показатели и состав получаемых продуктов и признано рациональным для организации малоотходной технологии.
Таким образом, пресс-формование дисперсных концс1гтратов и металлургических отходов с торфом обеспечивает получение окускованных топливно-плавильных и углеродсодержащих композиций с необходимыми качественными характеристиками. Новые виды торфяных композиций с наполнителями из нефтяного кокса, обожженного медного концентрата, пыли газоочистки медеплавильного цеха, свинцовой пыли испытаны в промышленных условиях на металлургических заводах Урала. Промышленные испытания перечисленных композиций подтвердили целесообраз-
ность и эффективность использования предлагаемых композиционных материалов в металлургических процессах.
Идеи по дальнейшему совершенствованию технологии и оборудования производства торф*-ных композиционных материалов согласуются с современной тенденцией развития торфяной отрасли. направленной на более глубокую комплексную переработку торфа совместно с другим компонентами.
На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснованы технические i технологические решения, направленные на обобщение и разработку системных принципов и учных основ производства торфяных композиционных материалов многоцелевого назначен реализующие вопросы рационального использования торфяных и вторичных ресурсов с учетов требований экологии и повышения эффективности производства в условиях рыночной экономи»
Таким образом, на основании выполненных исследований в области технологии п< ки торфа и мелкодисперсных отходов получены новые научно обоснованные технологи1 решения, имеющие важное хозяйственное значение для торфяного, горного, метвллургичес» химического производств, энергетики, строительства, коммунального хозяйства, использ сырьевых ресурсов и охраны окружающей среды о Свердловской области.
1ереработ-
ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ТОРФ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
ГРЕБЦЕ ВН. В.'. ИГЛУ К Г. М2. СУВОРОВА. Л.3. ЯТЛУК Ю. Г.3 Уральская государственная горно-геологическая академия'. Институт геолог-ии и геохимии УрО РАН*, Институт органического синтеза УрО РАН1
В рамках проблемы охраны окружающей среды от вредного воздействия произведет деятельности одной из важнейших задач, особенно актуальной для Уральского региона, явл« очистка промышленных стоков от токсичных ионов тяжелых и цветных металлов. Приме* синтетических ионообменных смол для этих целей ограничивается их высокой стоимостью, спективным является использование торфа (2] - возобновляемого полезного ископаемого тельного происхождения, представляющего собой природный ионообменник и сорбент.
Основным недостатком торфа является малая обменная емкость. Эта особенность оп| ет два крайних варианта его использования: минимальная подготовка с целью одноразового менения с последующим сжиганием для утилизации поглощенных металлов; максимальная товка, включающая удаление сорбированных в процессе образования месторождения ионов О замену их на ионы щелочных или щелочноземельных металлов), гидролиз (удаление хими* неустойчивых компонентов), дсбитуминизацию материала (то есть извлечение неактивного' ста) и химическую модификацию остатка (сульфирование, фосфатированис и пр.). Такой можно использовать многократно.
Практические аспекты использования торфа для очистки сточных вод [6] изучены на пр ре адсорбции ионов меди сырым торфом (содержащим ионы Н\ Са2\ Mgí*). В работе по» что адсорбционная активность торфа падает в ряду РЬ > Са > Си > 7м.
Для очистки сточных вод от некоторых тяжелых металлов применяется торф, предвар» но подготовленный обработкой солями кальция, при этом в воду поступает только компонент жесткости) [10]; в этом случае удастся удалять примеси с концентрацией менее 10 мм.
Ряд вариантов подготовки торфа запатентован. В работе [9] используется гидролиз дебитуминизированный, сульфированный торф, с помощью полученного продукта сточные можно очищать от ионов меди, никеля, хрома, свинца и марганца. В работе [7] сульфир)ется посредственно сырой торф, полученный продукт сушится и смешивается с необработанным рым торфом и связующим материалом, далее композиция используется для очистки сточных от ионов тяжелых металлов. Связанный с предыдущим патент [8] описывает порядок оч» сточных вод. В работе [3] торф отмывают и кипятят, а затем обрабатывают водными рас™
