CC BY
14
МРНТИ 61.01.91
https://doi.org/10.48081/IHOZ7105
*Д. Т. Толегенов1, М. А. Елубай2, Н. К. Кулумбаев3, Р. А. Тюлюбаев4, Д. Ж. Толегенова5
1,2д4,5Торайгыров университет, Республика Казахстан, г. Павлодар
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ЭНЕРГЕТИКИ И МЕТАЛЛУРГИИ ПАВЛОДАРСКОГО РЕГИОНА
Как нам известно, использование побочных продуктов промышленности чрезвычайно важно, так как обеспечивает производство богатым источником дешевого и часто уже подготовленного сырья; приводит к экономии капитальных вложений, предназначенных для строительства предприятий, добывающих и перерабатывающих сырье, и повышению уровня их рентабельности; высвобождению значительных площадей земельных угодий и снижению степени загрязнения окружающей среды. Последовательное повышение уровня использования побочных промышленных продуктов является важнейшей задачей государственного значения.
Одно из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов — их использование в производстве строительных материалов, что позволяет до 40 % удовлетворить потребности в сырье. Применение отходов промышленности позволяет на 10—30 % снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, экономия капитальных вложений при этом составляет 35—50 %.
В данной статье были исследованы следующие техногенные отходы энергетики и металлургии Республики Казахстан:
- зола-уноса с Павлодарской ТЭЦ-1;
- красный шлам с АО «Алюминий Казахстана»;
- вторичный металлургический шлак с АКП «KSP Steel» (процесс внепечной обработки расплава).
Целью исследования было определение пригодности данных видов техногенных отходов предприятий металлургии и энергетики Павлодарского региона к их возможному использованию в производстве строительной керамики.
Ключевые слова: промышленные отходы, пористость, прочность, ТЭЦ, вторичный металлургический шлак, топливно-энергетический комплекс.
Введение
Ежегодно на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) образуются тысячи тонн отходов, которые состоят в основном из нерастворимых оксидов, гидроксидов, карбонатов железа, кальция, магния и являются ценным химическим сырьём [1, 2].
Утилизация отходов горно-металлургического и топливно-энергетического комплексов в промышленности строительных материалов решает не только
экологические, но и экономические задачи, поскольку сырье из отходов для производства стеновой керамики в 2-3 раза дешевле, чем природное [3].
Угольная летучая зола или как сейчас называют его - зола-уноса, промышленный побочный продукт, образуется при сжигании угля на тепловых электростанциях. Это один из самых сложных антропогенных материалов, и его неправильное удаление стало проблемой окружающей среды и привело к растрате извлекаемых ресурсов [4].
В настоящее время немало научных работ посвящено переработке промышленных отходов и получению на основе них множества видов строительных материалов, отличающихся по качественным и количественным составам применяемых материалов.
Например, учеными разработаны технологии получения высокопрочного керамзита из красного шлама (КШ), летучей золы и бентонита без каких-либо других химических добавок путем двухэтапного процесса спекания [5].
Бокситовый шлам при определенных условиях активации может проявлять самостоятельные вяжущие свойства [6].
В проведенных нами исследованиях применяются техногенные отходы энергетики и металлургии Республики Казахстан:
- зола-уноса с Павлодарской ТЭЦ-1;
- красный шлам с АО «Алюминий Казахстана»;
- вторичный металлургический шлак с АКП «KSP Steel» (процесс внепечной обработки расплава).
Исследование техногенных отходов состояло из следующих стадий:
- подготовка образцов;
- обжиг материалов;
- расчет водопоглощения материалов;
- расчет прочностных свойств материалов.
Зола-уноса представляет собой отход от сжигания Экибастузских углей Павлодарских тепловых электростанций. Химический состав и фазово-минералогический состав золы приведены в таблицах 1-2 [7].
Таблица 1 - Химический состав золы-уноса Павлодарской ТЭЦ-1, %.
SiO2 Афз TiO2 Fe2°3 CaO MgO K2O Na2O P2O5 MnO
60,6 28,6 1,4 5,4 2 0,5 0,5 0,2 0,7 0,1
Таблица 2 - Фазово-минералогический состав зол, мас. % усредненный)
Зола из отвалов Стеклофаза Аморфизованное глинистое вещество Оксиды железа Полевой шпат, кварц, пироксен Корунд, муллит, кристо-балит Кальцит Углистые частицы
Павлодарские ТЭЦ 30 25 9 10 7 8 11
Используемая в технологическом процессе зола-уноса (рисунок1) характеризуется мелкой зернистой фракцией.
Рисунок 1 - Зола-уноса с Павлодарской ТЭЦ-1
Согласно ГОСТам 25818-91 [8] и 25592-91 [9] , содержание оксида кальция СаО в зольной составляющей золошлаковой смеси и в мелкозернистой смеси должно быть не более 10 % по массе. Содержание оксида магния MgO в зольной составляющей золошлаковой смеси и в мелкозернистой смеси должно быть не более 5 % по массе. Содержание сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO3 в зольной и шлаковой составляющих золошлаковой смеси должно быть не более 3 % по массе, в том числе сульфидной серы - не более 1 % по массе. Содержание щелочных оксидов натрия и калия в пересчете на Па2О в зольной составляющей золошлаковой смеси и в мелкозернистой смеси должно быть не более 3 % по массе.
Бокситовый шлам Павлодарского алюминиевого завода является попутным продуктом производства глинозема А2О3 и включается в состав рецептуры бетонных смесей. Химический и минералогический состав бокситового шлама приведены в таблицах 3-4 [7].
Таблица 3 - химический состав бокситового шлама Павлодарского алюминиевого завода, %
^®20з Al2Oз CaO SlO2 ГЮ С02 №20 MgО
27-33 4,0-5,0 39-44 19-21 2,0 0,8-1,0 0,9-1,5 0,3-1,2
Таблица 4 - Минералогический состав бокситового шлама, %
<
О ^
«а О £ И т „Г
¥ *
?! с
о ОС
и чс 4-40
й к Я к
о ^
3
к &
10-30
0-30
к &
а
з а а 1«
ет к ►£
иди
«мя 5-20
К
чр
<
та 9
а
►С
Я
Н я 2-20
К О
о
р= 0-20
с «
2-15
хл
ЧС
СО
3
О
^Г
и
о О и 4° £ К
0-15
а
Я
а
¡5 к с 1С
а
я &
2-10
К о
1С 1С
к I-
0-5
По внешнему виду бокситовый шлам (Рисунок 2) представляет собой среднезернистый песок бежевато-бурого цвета с включениями легкорассыпающихся комьев различной величины.
Рисунок 2 - Красный шлам с АО «Алюминий Казахстана»
Отвальный шлам глиноземного производства АО «Алюминий Казахстана» по химическому составу представлен преимущественно оксидами кремния, алюминия, железа и кальция, на долю которых приходится более 80 % массы материала. Гранулометрический состав отвального шлама по фракциям: (+1) мм ~ 5 %; (-0,053) мм ~ 30 %.
Вторичный металлургический шлак с АКП «KSP Steel» представляет собой пористый порошок серого цвета, наблюдается пористая микроструктура, отмечается наличие закристаллизованной стекловидной составляющей (Рисунок 3).
Рисунок 3 - Вторичный металлургический шлак с АКП «KSP Steel»
Бурые включения свидетельствуют о наличии оксида железа. Химический состав вторичного металлургического шлака с АКП «KSP Steel» приведен в таблице 5 [7].
Таблица 5 - Химический состав металлургического шлака с АКП «KSP Steel», %
Feo6 SiO2 Al2O3 CaO MgO MnO S
28 - 35,9 12,1 - 18,9 1,9 - 4,8 21,1 - 24,6 6,9 - 20,2 5,1 - 8,2 0,03 - 0,04
Материалы и методы
В работе были исследованы следующие техногенные отходы энергетики и металлургии Республики Казахстан:
- зола-уноса с Павлодарской ТЭЦ-1;
- красный шлам с АО «Алюминий Казахстана»;
- вторичный металлургический шлак с АКП «KSP Steel» (процесс внепечной обработки расплава).
Основные аппараты для измельчения, тонкого помола и ситового анализа сырья, применяемые в исследовании:
- щековая дробилка ДЩ-1;
- машина для тонкого помола МП-4/1;
- прибор для определения зернового состава.
Приготовили раствор с карбоксил-метил целлюлозой (КМЦ), служащий раствором-связкой. Полученный с красными шлаком, шлаком и золой-уноса массу приводили до однородности, проведя через сито. Определили влажность полученных образцов, которая составила с золой-уноса 10,1 %, красным шламом - 12 %, шлаком - 10 %.
Далее на универсальной испытательной машине WDW-200 прессовали измельченные до фракции 0,063 сырьевые материалы и получили образцы материалов в виде таблеток и цилиндров (рисунок 4).
Рисунок 4 - Образцы таблеток и цилиндров со шлаком, золой-уноса и КШ
Полученные образцы с исходным материалом отправили на обжиг, где в муфельной печи «Snol-6,7/1300» исследовали поведение образцов при различных значениях температуры нагрева и выдержки.
В результате обжига сырьевых материалов с красным шламом, золой-уноса и металлургическим шлаком установлено, что образцы показали различные показатели. Температура обжига материалов в печи была в пределах 950-1300 0С. При повышении температуры образцы с золой-уноса становились пористые, менялся цвет и прочность. Образцы с красным шламом уменьшались в весе и по объему, а в пределах 1200-1300 0С превратились в стекловидную форму. Образцы с металлургическим шлаком в пределах 950-1000 0С не изменялись, а с повышением температуры, а именно 1100 0С начали растрескиваться. Начиная с 1150 и до 1300 0С образцы с металлургическим шлаком превратились в исходное порошкообразное состояние. Результаты обожженных образцов представлены на рисунках 5-7.
навда«-^ IHg ii««> UifUll-lfü. Т. 1 1<П I_I2Q» , 12*»
- • •
• •
Рнсунок 29 — Результаты обжнгл сырьевых материалов (та&тетки)
Рисунок 5 - Результаты обжига сырьевых материалов (таблетки)
Рисунок- 30— Результаты обжига сырьевых материА.юв (цнлн Щфы)
Рисунок 6 - Результаты обжига сырьевых материалов (цилиндры)
т\\\\\\тжшшпш
Рисунок 7 - Процесс обжига сырьевых материалов
Результаты и обсуждение
После обжига сырьевых образцов провели расчет водопоглощения полученных материалов согласно методики [10]. Расчет водопоглощения с образцами красного шлама, шлака и золы-уноса показали, что водопоглощение для образцов с температурой обжига в пределах 950-1150 0С уменьшается. На рисунке 12 представлен график изменения водопоглощения образцов с красным шламом. Водопоглощение образцов с температурой обжига 950 0С составил в среднем 41,1 %, когда образец с температурой обжига 1150 0С составил всего лишь 2,5 %. Это говорит, что водопоглощение с повышением температуры обжига уменьшается. Такие же показатели показали образцы с золой-уноса и шлаком, где водопоглощение также уменьшалось с повышением температуры обжига (рисунок 8-10).
График водопоглощения образцов с красным шламом
1150
\юо
1000 350 —а
15 20 25 Водопоглощение, 9
Рисунок 8 - График водопоглощения образцов с красным шламом
График водопоглощения образцов с золой-уноса
1100
1000
20 30
Водопоглощен не, %
Рисунок 9 - График водопоглощения образцов с золой-уноса
График водопоглощения образцов с металлургическим шлаком
1 ООО
95С * »
22,5 2В 25,5 24 24,5 25 25,5 26 26,5 27 27,5 Водопоглащение, %
Рисунок 10 - График водопоглощения образцов с металлургическим шлаком
На гидравлическом прессе ПГМ-100МГ4 определили прочностные свойства полученных образцов в виде цилиндров. Результаты прочностных свойств представлены таблицах 6-8.
Таблица 6 - Результаты прочностных свойств на сжатие образцы из КШ
№ Т, °С S , см2 уд.' Б, кН ^ МПа
1 1000 2,3 1,83 1,13
2 1000 2,3 1,59 0,94
3 1100 1,8 5,46 3,36
4 1100 1,8 8,26 5,08
5 1100 1,8 8,90 5,48
6 1000 2,3 1,7 1,05
7 1100 1,8 17,11 10,53
8 1100 1,8 13,43 8,27
9 1100 1,8 6,43 3,96
10 1150 1,8 21,84 13,44
Таблица 7 - Результаты прочностных свойств на сжатие образцы из металлургического шлака
№ 1 2 3 4 5 6 7 8
Т, °С 1000 1000 1000 1200 1200 1000 1300 1300
8 см2 уд., 3,14 3,14 3,14 3,14 3,14 3,14 3,14 3,14
^ кН 0,023 0,10 0,13 - - 0,19 0,32 -
^ МПа 0,018 0,062 0,078 - - 0,12 0,20 -
Таблица 8 - Результаты прочностных свойств на сжатие образцы из золы-уноса
№ Т, °С S см2 уд-. Б, кН ^ МПа
1 1200 2,83 0,079 0,013
2 1200 2,83 0,11 0,068
3 1300 2,54 1,09 0,670
4 1300 2,27 0,94 0,577
5 1300 2,83 1,06 0,652
6 1300 2,27 1,28 0,784
7 1300 2,83 0,469 0,076
8 1300 2,54 0,77 0,475
9 1300 2,83 1,37 0,844
Выводы
Таким образом, в ходе экспериментальной работы представлен химический и фазово-минералогический состав исследуемых техногенных отходов.
В ходе исследования, были достигнуты следующие результаты:
- был проведен обжиг исходных сырьевых материалов, где были определены оптимальные температурные параметры обжига;
- определены физико-химические свойства образцов:
- водопоглощение;
- усадка;
- прочностные свойства.
Таким образом, в ходе определения физико-химических и прочностных свойств полученных образцов на основе отходов металлургии и промышленности Казахстана можно утверждать, что техногенные отходы предприятий металлургии и энергетики Павлодарского региона, содержащие в своем составе достаточное количество оксидов кремния, кальция, алюминия и др. оксидов, представляют собой пригодность к их возможному использованию в производстве строительной керамики.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Касенов, А. Ж., Тлеулесов, А. К., Ахметбек, А. Н. «Производство бетонов из отходов производства АО «Алюминий Казахстана» Наука и техника Казахстана, 2018. - № 1. - С. 61-75.
2 Платонов, А. П., Гречаников, А. В., Ковчур, А. С., Ковчур, С. Г., Манак, П. И. Изготовление керамического кирпича с использованием промышленных отходов, Вестник Витебского государственного технологического университета, Выпуск 28. - 128-134 с.
3 Макаров, Д. В., Мелконян, Р. Г., Суворова, О. В., Кумарова В. А. Перспективы использования промышленных отходов для получения керамических 216
строительных материалов, ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 5. - С. 254-281.
4 Yao, Z. T., Ji, x. S., Sarker, P. K., Tang, J. H., Ge, L. Q., xia, M. S., xi, Y. Q.
A comprehensive review on the applications of coal fly ash // Earth-Science Reviews Volume 141, February 01, 2015. - 105-121 р.
5 H. Mi, L. Yi, Q. Wu, J. xia, B. Zhang, Preparation of high-strength ceramsite from red mud, fly ash, and bentonite // Ceramics International, 2021. https://doi.org/10.1016/ j.ceramint.
6 Бажиров, Н. С., Серикбаев, Б. Е., Бажиров, Т. С., Даулетияров, М. С., Бажирова, К. Н. «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», Химико-минералогическая характеристика бокситового шлама - отхода алюминиевого производства. - 2017. - 14-18 с.
7 Аryngazin, K. Sh., Bogomolov, A. V., Tleulessov, A. K. Innovational Construction Materials of LLP «Ecostroy NII-PV» Production, Defect and Diffusion Forum. - Vol. 410. - 2021. - 806-811 p.
8 ГОСТ 25818-91 Межгосударственный стандарт золы-уноса тепловых электростанций для бетонов
9 ГОСТ 25818-91 Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов
10 Черкасов, С. В., Адоньева, Л. Н. Материаловедение, лабораторный практикум, 2010. - 88 с.
REFERENCES
1 Kasenov, А. J., Tleulesov, А. К., Ahmetbek, А. N. «Proizvodstvo betonov iz othodov proizvodstva АО «Alyminyi Kazahstana» [Production of concrete from production wastes of JSC «Aluminum of Kazakhstan»] // Nauka I Tehnika Kazahstana. - 2018. - № 1, P. 61-75.
2 Platonov, A. P., Grechanikov, A. V., Kovchur, A. S., Kovchur, S. G., Manak, P. I. Izgotovlenie keramicheskogo kirpicha s ispolzovaniem promyshlennyh othodov [Production of ceramic bricks using industrial waste], Vestnik Vitebskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta. - Issue 28. - 128-134 p.
3 Makarov, D. V., Melkonyan, R. G., Suvorova, O. V., Kumarova V. A. Perspektivy ispol'zovaniya promyshlennykh otkhodov dlya polucheniya keramicheskikh stroitel'nykh materialov [Prospects for the use of industrial waste to produce ceramic building materials], // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. - 2016. - № 5. P. 254-281. ISSN 0236-1493.
4 Yao, Z. T., Ji, x. S., Sarker, P. K., Tang, J. H., Ge, L. Q., xia, M. S., xi, Y. Q. A comprehensive review on the applications of coal fly ash // Earth-Science Reviews. -Volume 141. - February 01, 2015. - 105-121 р.
5 H. Mi, L. Yi, Q. Wu, J. xia, B. Zhang, Preparation of high-strength ceramsite from red mud, fly ash, and bentonite // Ceramics International, 2021 https://doi.org/10.1016/ j.ceramint.
6 Bazhirov, N. S., Serikbayev, B. Ye., Bazhirov, T. S., Dauletiyarov, M. S., Bazhirova, K. N. «Kompozitsionnyye stroitel'nyye materialy. Teoriya i praktika», Khimiko-mineralogicheskaya kharakteristika boksitovogo shlama - otkhoda alyuminiyevogo proizvodstva. Teoriya i praktika» [Composite building materials. Theory and practica], Khimiko-mineralogicheskaya kharakteristika boksitovogo shlama - otkhoda alyuminiyevogo proizvodstva. - 2017. - 14-18 p.
7 Aryngazin, K. Sh., Bogomolov, A. V., Tleulessov, A. K. Innovational Construction Materials of LLP «Ecostroy NII-PV» Production, Defect and Diffusion Forum. - Vol. 410. - 2021. - 806-811 p.
8 GOST 25818-91 Mezhgosudarstvennyy standart zoly-unosa teplovykh elektrostantsiy dlya betonov [Interstate standard for fly ash from thermal power plants for concrete].
9 GOST 25818-91 Smesi zoloshlakovyye teplovykh elektrostantsiy dlya betonov [Ash and slag mixtures for thermal power plants for concrete].
10 Cherkasov, S. V., Adonieva, L. N., Materialovedeniye, laboratornyi praktikum [Materials Science, laboratory workshop], 2010. - 88 p.
Материал поступил в редакцию 17.03.22.
*Д. Т. Толегенов1, М. А. Елубай2, Н. К. Кулумбаев3, Р. А. Тюлюбаев4, Д. Ж. Толегенова5
ТорaЙFыров университет, Казахстан Республикасы, Павлодар к. Материал бaспaFa 17.03.22 тYстi.
ПАВЛОДАР ОБЛЫСЫНЬЩ ЭНЕРГЕТИКА ЖЭНЕ МЕТАЛЛУРГИЯ КЭСШОРЫНДАРЫНЬЩ ТЕХНОЛОГИЯЛЬЩ ЦАЛДЬЩТАРЫНЬЩ ТЕХНОЛОГИЯЛЬЩ ЦАСИЕТТЕР1Н АНЬЩТАУ
внеркэсттщ жанама втмдерт пайдалану вте мацызды, вйткет ол eHdipicmi арзан жэне жиi дайындалган шитзаттыц бай Ke3iMeH цамтамасыз emedi; шитзатты eHdipemiH жэне вцдейтт кэсторындардыц цурылысына арналган кyрдeлi салымдарды унемдеуге жэне олардыцрентабельдшт децгешн арттыруга; жердщ eдэуiр аудандарын босатуга жэне цоршаган ортаныц ластану дэрежест твмендетуге экелед1 Жанама внеркэст втмдерт пайдалану децгешн дэйeкmi арттыру мемлекеттт мацызы бар мацызды мтдет болып табылады.
внеркэсттт цалдыцтарды кэдеге жаратудыц негурлым перспективалы багыттарыныц бiрi — оларды курылыс материалдары вндiрiсiндe пайдалану, бул шитзатца деген цажemmiлiкmi 40 %-га дешн цанагаттандыруга мумктдт бeрeдi. внеркэст цалдыцтарын пайдалану курылыс материалдарын табиги шитзаттан вндiрумeн салыстырганда оларды дайындауга жумсалатын шыгындарды 10—30 %-га азайтуга мумктдж бeрeдi, бул ретте кyрдeлi салымдарды унемдеу 35—50 %-ды цурайды.
Бул мацалада Цазацстан Республикасыныц энергетика жэне металлургияныц кeлeсi meхногeндi цалдыцтары зeрmmeлдi:
- Павлодар ЖЭО-1-нен кул1;
- «Казацстан алюминиш» АЦ-гы цызыл шламы;
- «KSP Steel» АКП бар цайталама металлургиялыц цожыгы (балцыманы пештен тыс вцдеу процесг).
Зерттеудщ мацсаты Павлодар вц1р1 кэсторындарыныц металлургия жэне энергетика кэсторындарыныц техногендт цалдыцтарыныц осы турлертщ оларды Курылыс керамикасы внд1р1с1нде ыцтимал пайдалануга жарамдылыгын аныцтау болды.
Кглттг свздер: внеркэсттж цалдыцтар, кеуектшк, бержтж, ЖЭО, цайталама металлургиялыц цождар, отын-энергетикалыц кешен.
*D. T. Tolegenov1, M. A. Yelubai2, N. K. Kulumbaev3,
R. A. Tyulyubaev4, D. J. Tolegenova5
Toraighyrov University, Republic of Kazakhstan, Pavlodar. Material received on 17.03.22.
DETERMINATION OF TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF TECHNOGENIC WASTE FROM ENERGY AND METALLURGY ENTERPRISES OF THE PAVLODAR REGION
As we know, the use of by-products of industry is extremely important, as it provides production with a rich source of cheap and often already prepared raw materials; leads to savings in capital investments intended for the construction of enterprises that extract and process raw materials and increase their profitability; freeing up significant areas of land and reducing the degree of environmental pollution. The consistent increase in the level of use of by-products of industrial production is the most important task of national importance.
One of the most promising areas of industrial waste disposal is their use in the production of building materials, which allows up to 40% to meet the needs for raw materials. The use of industrial waste makes it possible to reduce the cost of manufacturing construction materials by 10—30% compared to their production from natural raw materials, while saving capital investments is 35—50%.
In this article, the following technogenic wastes of energy and metallurgy of the Republic of Kazakhstan were investigated:
- fly ash from Pavlodar CHP-1;
- red sludge from JSC «Aluminum of Kazakhstan»;
- secondary metallurgical slag with automatic transmission "KSP Steel" (the process of out-of-furnace treatment of the melt).
The purpose of the study was to determine the suitability of these types of man-made waste from metallurgy and energy enterprises of the Pavlodar region for their possible use in the production of construction ceramics.
Keywords: industrial waste, porosity, strength, thermal power plant, secondary metallurgical slag, fuel and energy complex.
