CC BY
35УДК 666.9:658.567.1
A.Ю. СТОЛБОУШКИН1, д-р техн. наук ([email protected]), А.И. ИВАНОВ1, инженер ([email protected]), Д.В. АКСТ1, инженер, О.А. ФОМИНА1, канд. техн. наук; М.П. МИШИН2, инженер ([email protected]);
B.А. СЫРОМЯСОВ1, инженер
1 Сибирский государственный индустриальный университет (654007, Кемеровская обл., г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42)
2 ОАО «РЕМСТРОЙ-Н» (654002, Кемеровская обл., г. Новокузнецк, ул. Мурманская, 54)
Неудачный опыт перепрофилирования уникального завода по производству кирпича из отходов углеобогащения и возможные пути его реконструкции*
В условиях необходимого перехода на безотходные технологии и рационального использования сырьевых ресурсов показан опыт работы уникального в мировой практике завода по производству керамического кирпича полусухого прессования на основе 100% отходов углеобогащения в городе Новокузнецке (Россия). Приведены основные причины снижения объемов производства кирпича и остановки кирпичного завода после более 20 лет бесперебойной работы. Рассмотрены попытки перепрофилирования кирпичного производства на выпуск коксовых и угольных брикетов. Представлены результаты исследований химического, минералогического состава и технологических свойств текущих отходов от обогащения угля различных угольных шахт юга Кузбасса на Центральной обогатительной фабрике «Абашевская» (Кемеровская обл.). Предложена перспективная схема реконструкции кирпичного завода, включающая комплексную переработку отходов углеобогащения вне зависимости от количественного содержания остаточного углерода.
Ключевые слова: отходы углеобогащения, керамический кирпич, полусухое прессование, реконструкция завода, угольные брикеты, пылеугольное топливо.
Для цитирования: Столбоушкин А.Ю., Иванов А.И., Акст Д.В., Фомина О.А., Мишин М.П., Сыромясов В.А. Неудачный опыт перепрофилирования уникального завода по производству кирпича из отходов углеобогащения и возможные пути его реконструкции // Строительные материалы. № 4. С. 20-24.
A.Yu. STOLBOUSНKIN1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), A.I. IVANOV1, Engineer ([email protected]), D.V. AKST1, Engineer, O.A. FOMINA1, Candidate of Sciences (Engineering), M.P. MISHIN2, Engineer ([email protected]), V.A. SYROMYASOV1, Engineer
1 Siberian State Industrial University (42, Kirov Street, Kemerovo Region, Novokuznetsk, 654007, Russian Federation)
2 REMSTROY-N OAO (54, Murmanskaya Street, Kemerovo Region, Novokuznetsk, 654002, Russian Federation)
Unsuccessful Experience in Restructuring the Unique Factory Manufactoring Bricks From Waste Coal and Possible Ways for its Renovation*
In the conditions of a necessary transition to wastes-free technologies and rational use of mineral resources the experience of operation of a unique in the world practice factory producing ceramic bricks from 100% of waste coal by the method of semi-dry molding in Novokuznetsk (Russia) is described. The main factors for decrease in the production volumes and the factory shutdown after more than 20 years of trouble-free operation are provided. The attempts to restructure the bricks manufacturing factory to production of coke and coal briquettes are considered. The examination results of chemical, mineralogical composition and technological properties of the current waste coal from different coal mines, located in the south of Kuzbass, at the Central Processing Plant "Abashevskaya" in Kemerovo region are given. The perspective scheme of the brick factory renovation including a complex processing of waste coal, irrespective of the residual carbon content in the wastes, is offered.
Keywords: waste coal, ceramic brick, semi-dry molding, factory renovation, coal briquettes, coal-dust fuel.
For citation: Stolboushkin A.Yu., Ivanov A.I., Akst D.V., Fomina O.A., Mishin M.P., Syromyasov V.A. Unsuccessful experience in restructuring the unique factory manufactoring bricks from waste coal and possible ways for its renovation. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 4, pp. 20-24. (In Russian).
Многолетняя работа предприятий тяжелой промышленности привела к накоплению миллиардов кубометров отходов, имеющих, как правило, алю-мосиликатную основу [1]. Особенно сложная экологическая ситуация наблюдается в индустриальных регионах Российской Федерации, и через несколько десятилетий эти территории могут стать непригодными для нормального проживания без кардинального изменения экологической политики производства (Послание Президента Федеральному собранию. 1 дек. 2016 г. http://kremlin.ru/ events/president/news/53379). Для при-
влечения внимания общества к вопросам экологического развития, сохранения биологического разнообразия и обеспечения экологической безопасности 2017 год объявлен в России Годом экологии (Указ Президента Российской Федерации от 05 янв. 2016 г. № 7. http://www. kremlin.ru/acts/bank/40400).
В этих условиях на фоне истощения природных сырьевых ресурсов актуальна разработка новых технологий, сориентированных на эффективное использование техногенных отходов. Особенно полезным при этом является изучение и
учет производственного опыта прошлых лет. В керамической отрасли в конце 80-х гг. в г. Ермаке (Республика Казахстан) был построен и успешно работал кирпичный завод, выпускавший «золоке-рам» на основе текущих зол ТЭС (до 80 мас. % в составе шихты) [2]. В 90-е гг. в г. Новокузнецке (Россия) был запущен уникальный в мировой практике цех-завод по производству керамического кирпича полусухого прессования на основе 100% отходов углеобогащения (породы) Центральной обогатительной фабрики (ЦОФ) «Абашевская» [3].
"Исследования проведены при поддержке Минобрнауки РФ, шифр проекта № 7.7285.2017/БЧ «Фундаментальные исследования в области строительных керамических композиционных материалов с матричной структурой на основе техногенного и природного сырья».
*The research was carried out with the support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation, the code of the project No. 7.7285.2017/BC «Fundamental research in the field of building ceramic composites with a matrix structure based on technogenic and natural raw materials».
20
апрель 2017
Рис. 1. Завод по производству керамического кирпича полусухого прессования из 100% отходов углеобогащения ЦОФ «Абашевская» в Новокузнецке (2017 г.)
После успешного запуска в 1986 г. запланированная производительность отечественного предприятия была достигнута уже на третий год его работы и составила 10 млн шт. усл. кирпича/г. В течение нескольких десятилетий завод успешно работал и выпускал рядовой и лицевой кирпич марок М100-150 [4].
В 1990 г. с целью увеличения количества перерабатываемых отходов и наращивания объемов выпускаемой продукции были проведены работы по подготовке к запуску второй очереди завода мощностью 20 млн шт. усл. кирпича/г. Для этого был смонтирован еще один производственный корпус, выстроено два этажа административно-бытового здания, закуплено и частично завезено крановое и технологическое оборудование. Однако после развала нашей страны этим планам не суждено было осуществиться, и завод постигла участь многих промышленных предприятий СССР. Масштабный разлом народнохозяйственной системы привел к остановке развития, а в дальнейшем и к нарушению нормальной работы завода (рис. 1).
Технологическая схема производства включала в себя отбор с фабрики отходов гравитационного углеобогащения крупностью более 13 мм, влажностью 13% и содержанием 4—6,5% углерода, их дробление на щековой дробилке и последующее измельчение в шахтной мо-
лотковой мельнице. Высушенный до 4% порошок полифракционного состава поступал на увлажнение в двухвальный смеситель СМ-1238 для получения однородной массы влажностью 6—8%. Затем в стержневом смесителе СК-08 происходила окончательная гомогенизация и уплотнение пресс-порошка [5].
На прессах СМ-1085Б осуществлялось прессование кирпича-сырца
с 17 сквозными пустотами. Сушка при температуре 100—120оС и обжиг производились в 129-метровой туннельной печи Ленингипрострома. Режим обжига рассчитывался с учетом протекания реакции горения угля в теле кирпича-сырца, при этом продолжительность термической обработки составляла 56 ч для полного выгорания углерода. В результате разработанная Институтом горючих ископаемых совместно с ВНИИ-стромом технология обеспечивала после выхода завода на проектную мощность выпуск лицевого кирпича марки М150 (более 50% от общего объема производства) при соблюдении требований регламента по вещественному составу углеотходов.
В постперестроечные 1990-е гг. выпуск лицевых изделий сократился до 25—30%, а в начале 2000-х гг. завод выпускал только рядовой кирпич минимальной марки и после 22 лет работы был остановлен в 2009 г. (рис. 2).
По мнению авторов, основными причинами остановки производства кирпича из отходов углеобогащения явились:
— ухудшение показателей по обогащению угля на ЦОФ «Абашевская» и, как следствие, вынужденное использование в производстве кирпича углеотходов с завышенным в несколько раз содержанием остаточного углерода (до 25—27 мас. %);
— физический износ и моральное устаревание действующего технологического оборудования, отсутствие возможности провести планировавшиеся с советских времен модернизацию и развитие производства;
Рис. 2. Действовавшее в 2008 г. и текущее состояние кирпичного производства, остановленного в 2009 г.
научно-технический и производственный журнал
У "rJt r=Jbr
M' r^il,
апрель 2017 21
®
— нарушение производственно-хозяйственных связей цеха с обогатительной фабрикой как единого механизма, вызванное их раздельной приватизацией;
—введение в действие ГОСТ 530—2007 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия», ужесточившего требования к минимальной марке кирпича, прежде всего по прочности и морозостойкости.
После остановки кирпичного завода руководством были предприняты попытки перепрофилирования производства на выпуск угольных брикетов (рис. 3).
В 2010 г. прессы СМ-1085Б были переоборудованы под выпуск коксовых брикетов в виде прессованных цилиндров диаметром 90 мм (рис. 3, в). Изменения коснулись прежде всего переоснастки кирпичных пресс-форм (рис. 3, б), в которые были вварены цилиндры, быстро приходившие в негодность ввиду большой абразивности материала. В качестве связки для брикетов из угольного концентрата использовалась патока свекловичная — меласса (Алтайский край). Высокие эксплуатационные издержки, связанные с частым выходом из строя прессового оборудования и заменой пресс-форм, не обеспечили рентабельную работу цеха.
В 2011 г. была предпринята еще одна попытка наладить стабильное производство угольных брикетов. Для этого было приобретено и установлено специализированное оборудование (рис. 3, г, д), включающее горизонтальный лопастной смеситель и брикетирующий пресс марки ARP-50 фирмы Acan Machine (Турция). При выпуске опытной партии угольных брикетов (рис. 3, е) возникали проблемы технологического характера, которые часто приводили к недопрессовке и, как следствие, невысокой прочности топливных изделий. Кроме того, из-за низкого потребительского спроса на новый вид топлива, рассчитанного на импортное печное оборудование, возникли сложности со сбытом готовой продукции. Таким образом, опыт по перепрофилированию кирпичного завода на выпуск угольных брикетов оказался неудачным.
За более чем два десятилетия работы уникального кирпичного завода был накоплен огромный практический опыт и выработаны требования к вещественному составу отходов углеобогащения для производства керамического кирпича: содержание угля не должно превышать 5—6%; зольность 85±5%; SiO2 не менее 54%; Al2O3 19—21%; содержание CaO и MgO<6%; содержание железа для поддержания цвета 5—6%.
Рис. 3. Оборудование по выпуску топливных брикетов (текущее состояние): а - пресс СМ-1085Б; б - кирпичная пресс-форма, переоборудованная под выпуск цилиндрических коксовых брикетов диаметром 90 мм (в); г - горизонтальный лопастной смеситель; д - брикетирующий пресс ARP-50 фирмы Acan Machine; е - капсулированные угольные брикеты 80x50x40 мм
Рис. 4. Технологическая схема производства отходов углеобогащения ЦОФ «Абашевская»
По убеждению авторов, в сложившейся ситуации, учитывая накопленный производственный и научно-исследовательский опыт [6, 7], необходим рациональный подход к реконструкции уникального кирпичного завода. Создание современного безотходного производства, работающего с полным циклом переработки отходов согласованно с обогатительной фабрикой, соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники Российской Федерации в области рационального природопользования (Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации: Указ Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899. https://www.nspu.ru/upload/
приисдеы Ц
керамического кирпича и угольных брикетов из
innovacii/ukaz_899.pdf). Решение этой стратегически важной государственной задачи будет способствовать улучшению экологической обстановки в Кузбассе [8].
Для восстановления и дальнейшего успешного функционирования кирпичного завода в Новокузнецке авторами предложена схема производства керамического кирпича и угольных брикетов из отходов углеобогащения ЦОФ «Абашевская» (рис. 4), включающая вторичное сухое обогащение поступающих отходов, при этом извлеченная дисперсная угольная масса идет в качестве пылеугольного топлива на сушку и обжиг кирпича из пустой породы, а излишки поступают на брикетирование.
С точки зрения экономической привлекательности следует отметить,
научно-технический и производственный журнал Г* fprAt r'g J liij]Lj г
апрель 2017 Й- ГЗИЫ^ 9
Таблица 1
Отходы углеобогащения Массовая доля компонентов на высушенное вещество, %
SiO2 TiO2 A^Oa Fe2Oa MnO2 MgO CaO K2O Na2O ППП
Шахта «Ерунаковская» 51,3 0,76 14,72 2,91 0,06 1,44 1,26 2,8 0,81 23,31
Шахта «Усковская» 58,49 0,76 15,07 3,07 0,11 1,73 3,28 3,07 1,3 12,99
Шахта «Есаульская» 55,68 0,75 15,28 3,23 0,07 1,69 2,01 3,4 1 16,63
Шахта «Осинниковская» 56,87 0,78 15,17 3,98 0,13 1,96 4,78 2,94 1,36 12,01
Таблица 2
Отходы углеобогащения Наименование минералов
глинистые неглинистые примеси
Шахта «Ерунаковская» Гидромусковит, каолинит, монтмориллонит Кварц, кальциевый полевой шпат Кальцит, хлорит
Шахта «Усковская» Гидромусковит, каолинит, монтмориллонит Кварц, кальциевый полевой шпат Сидерит, кальцит, хлорит
Шахта «Есаульская» Гидромусковит, монтмориллонит, каолинит Кварц, кальциевый полевой шпат Гематит, кальцит, хлорит
Шахта «Осинниковская» Гидромусковит, каолинит Кварц, кальциевый полевой шпат Кальцит
Рис. 5. Жилые дома из керамического кирпича на основе 100% отходов углеобогащения ЦОФ «Абашевская» в Орджоникидзевском районе Новокузнецка (2017 г.)
что завод расположен при ЦОФ «Абашевская» и соединен с ней галереями, по которым транспортерными лентами подавались текущие отходы углеобогащения. Благодаря этому возможно максимальное сокращение издержек на производство керамического кирпича. Исключаются затраты на добычу сырья и его транспортировку автосамосвалами из карьера, нет необходимости возводить шихтоза-пасники, минимизируются затраты на сушку и обжиг кирпича за счет использования пылеугольного топлива.
В настоящей работе представлены результаты исследований потенциального сырья — углеотходов ЦОФ «Абашевская», получаемых от
обогащения угля шахт юга Кузбасса: «Ерунаковская», «Усковская», «Есаульская» и «Осинниковская». Химический и минералогический составы техногенного сырья приведены в табл. 1, 2 соответственно.
Следует отметить, что по химико-минералогическому составу исследуемые отходы шахт не соответствуют предъявляемым требованиям к сырью для производства керамического кирпича. Однако за счет реализации вторичного обогащения углеотходов на кирпичном заводе возможно использование сырья с различным содержанием угля.
В рамках исследования сырьевых материалов была определена
пластичность тонкоизмельченных (класс -300 мкм) углеотходов (табл. 3) по ГОСТ 21216.1-93 (числитель) и методом Пфефферкорна (знаменатель). Оба метода дали сопоставимые результаты, при этом с увеличением пластичности отходов метод Пфефферкорна показал незначительное снижение числа пластичности по сравнению с традиционным определением. По пластичности наиболее подходящими для керамической технологии являются углеот-ходы шахты «Ерунаковская».
Анализ многолетнего опыта работы кирпичного завода, причин его остановки и проведенные исследования потенциального техногенного сырья показали перспективность комплексной реконструкции уникального кирпичного производства. С учетом значительного разброса по остаточному содержанию углистых частиц в текущих отходах углеобогащения ЦОФ «Абашевская» необходимо кардинально изменить процесс массо-подготовки, что обеспечит стабильный выпуск керамической продукции высокого качества (лицевой кирпич марки 150-200) [9]. Хорошие результаты показали опытно-промышленные испытания по обогащению шихты из техногенного сырья глинистой компонентой и формированию матричной структуры керамики [10]. Положительными моментами следует считать возможное самообеспечение реконструируемого кирпичного завода теплоэнергоресурсами [11], а также получение дополнительного продукта - угольных брикетов.
Важным фактором с точки зрения проверки потребительских свойств, и прежде всего долговечности и экологической безопасности керамического кирпича из углеотходов является его
и. ®
апрель 2017
23
Таблица 3
Отходы углеобогащения Влажность, % Число пластичности Классификация по ГОСТ 9169-75
на границе текучести на пределе раскатывания
Шахта «Ерунаковская» 11,8 11,2 22,8 22,4 11 11,2 Умереннопластичная
Шахта «Усковская» 11,8 11,1 19,7 18,6 7,9 7,5 Умереннопластичная
Шахта «Есаульская» 12,4 11,9 22,6 21,8 10,2 9,9 Умереннопластичная
Шахта «Осинниковская» 11 10,3 17,5 16,7 6,5 6,4 Малопластичная
эксплуатация в реальных условиях городской среды. В Орджоникидзевском районе г. Новокузнецка выстроено несколько микрорайонов из 5-9-этажных жилых домов, которые с успехом экс-
плуатируются более 25 лет и прекрасно выглядят в настоящее время (рис. 5).
Приведенные выше аргументы свидетельствуют в пользу восстановления и реконструкции уникального
Список литературы
1. Рахимов Р.З., Магдеев У.Х., Ярмаковский В.Н. Экология, научные достижения и инновации в производстве строительных материалов на основе и с применением техногенного сырья // Строительные материалы. 2009. № 12. С. 8-11.
2. Сайбулатов С.Ж., Сулейменов С.Т., Ралко А.В. Золокерамические стеновые материалы. Алма-Ата: Наука, 1982. 292 с.
3. Шпирт М.Я., Рубан В.А., Иткин Ю.В. Рациональное использование отходов добычи и обогащения углей. М.: Недра, 1990. 224 с.
4. Бурмистров В.П., Усанова Е.П., Орловская В.Н. Долговечность изделий стеновой керамики из отходов углеобогащения // Строительные материалы. 1989. № 8. С. 18-19.
5. Столбоушкин А.Ю., Карпачева А.А., Иванов А.И. Стеновые керамические изделия на основе отходов углеобогащения и железосодержащих добавок. Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2011. 156 с.
6. Столбоушкин А.Ю., Бердов Г.И. Ресурсосберегающая комплексная переработка минерального сырья в производстве строительных материалов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2011. № 1. С. 46-53.
7. Столбоушкин А.Ю., Стороженко Г.И. Отходы углеобогащения как сырьевая и энергетическая база заводов керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 43-46.
8. Волынкина Е.П. Развитие концепции управления отходами в металлургии // Экобюллетень ИНЭКА. 2007. № 4. С. 45-50.
9. Стороженко Г.И., Столбоушкин А.Ю., Мишин М.П. Перспективы отечественного производства керамического кирпича на основе отходов углеобогащения // Строительные материалы. 2013. № 4. С. 57-61.
10. Столбоушкин А.Ю., Бердов Г.И., Верещагин В.И., Фомина О.А. Керамические стеновые материалы матричной структуры на основе неспекающегося малопластичного техногенного и природного сырья // Строительные материалы. 2016. № 8. С. 19-23.
11. Stolboushkin A.Yu., Ivanov A.I., Temlyantsev M.V., Fomina O.A. Rational preparation of waste coal mixture for production of bricks by the method of compression molding. IOP Conference Series: International Scientific and Research Conference on Knowledge-based Technologies in Development and Utilization of Mineral Resources. 2016. Vol. 45б pp. 1 6. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/ 1755-1315/45/1/012017.
кирпичного завода в Новокузнецке, которые при поддержке местных и региональных властей могут стать перспективным направлением для инвестиций в экономику региона. Предпосылками для этого являются ничтожные капитальные затраты на новое строительство, практически неисчерпаемый источник сырья и свободная ниша на рынке сбыта из-за отсутствия на юге Кузбасса действующих в настоящее время предприятий по выпуску керамического кирпича.
Кроме того, восстановление и запуск новых производств в крупных проблемных моногородах имеют важное социально-политическое значение для их перспективного развития и предотвращения оттока местных жителей в активном работоспособном возрасте в другие регионы страны.
References
1. Rakhimov R.Z., Magdeev U.Kh., Yarmakovsky V.N. Ecology, scientific achievements and innovations in construction materials production based on and with application of technogenic raw material. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 12, pp. 8-11. (In Russian).
2. Saybulatov S.Zh., Suleymenov S.T., Ralko A.V. Zolokeramicheskie stenovye materialy. [Ash-ceramic wall materials]. Alma-Ata: Nauka. 1982. 292 p.
3. Shprit M.Ya., Ruban V.A., Itkin Yu.V. Rational use of waste caol. M.: Nedra. 1990. 224 p.
4. Burmistrov V.P., Usanova E.P., Orlovskaya V.N. Durability of wall ceramics products from waste coal. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 1989. No. 8, pp. 18-19. (In Russian)
5. Stolboushkin A.Yu., Karpacheva А.А., Ivanov. A.I. Stenovye keramicheskie izdeliya na osnove otkhodov ugleobogashcheniya i zhelezosoderzhashchikh dobavok [Wall ceramics products from waste coal and iron-containing additives]. Novokuznetsk: Inter-Kuzbass. 2011. 156 p.
6. Stolboushkin A.Yu., Berdov G.I. Complex resources saving processing of mineral raw material in the production of construction materials. Izvestiya vysshikh uchebnykh zave-denii. Stroitel'stvo. 2011. No. 1, pp. 46-53. (In Russian).
7. Stolboushkin A.Yu., Storozhenko G.I. Waste coal as a raw material and energy base for factories producing ceramic wall materials Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 4, pp. 43-46. (In Russian).
8. Volinkinf E.P. Development of the conception of waste management in metallurgy^ Ecobulletin INEKA. 2007. No. 4, pp. 45-50. (In Russian).
9. Storozhenko G.I., Stolboushkin A.Yu., Mishin M.P. Perspectives of the domestic production of ceramic brick from waste coal. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 4, pp. 57-61. (In Russian).
10. Stolboushkin A.Yu., Berdov G.I., Vereshchagin V.I., Fomina O.A. Ceramic wall materials of matrix structure based from none-coking low-plasticity technogenic and natural raw materials Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 8, pp. 19 23. (In Russian).
11. Stolboushkin A.Yu., Ivanov A.I., Temlyantsev M.V., Fomina O.A. Rational preparation of waste coal mixture for production of bricks by the method of compression molding. IOP Conference Series: International Scientific and Research Conference on Knowledge-based Technologies in Development and Utilization of Mineral Resources. 2016. Vol. 4, pp 1 6. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/ 1755-1315/45/1/012017.
24
апрель 2017
