CC BY
250
ЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 666.9: [658.567.1:622.7]
В. Ф. Панова, С.А. Панов
Сибирский государственный индустриальный университет
ОТХОДЫ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ КАК СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Значительный рост объемов обогащения угля сопровождается образованием большого количества отходов - около 10 млн. т в год. Отходы углеобогащения (ОУО) и угледобычи - это шахтные породы, «хвосты» обогатительных фабрик. Они, как правило, содержат некоторое количество угля и глинистого компонента. Все отходы по содержанию углерода можно разделить на две группы. Углеотходы с содержанием углерода более 24 % рационально дополнительно обогащать или применять как топливо. Вторая группа отходов содержит углерода до 24 % и может использоваться в строительстве, металлургии, сельском хозяйстве (рис. 1) [1 - 3].
Обогащение угля осуществляется на обога-тигельных фабриках (ЦОФ) двумя методами: флотацией и на отсадочных машинах. Флотационные отходы представляют собой дисперсную фракцию. Установлено, что во флотоот-ходах содержание углерода более высокое, чем в отходах отсадочных машин, и достигает 20 % [2].
Отсадка представляет собой расслоение массы твердых частиц под воздействием восходящего и нисходящего потоков. На отсадоч-
ные машины поступает порода фракцией от 0,5 до 50 мм. Отсадка - непрерывный процесс, состоящий из трех стадий: 1 - загрузка исходного угля; 2 - расслоение угля и породы, при котором последняя оседает на решето машины; 3 - образование порога и разгрузка породы, скапливающейся на решете. Выход «пустых» пород из-под отсадочных машин достигает 70 %. Отвалы занимают полезные площади, влияют на экологию [4].
Вещественный состав ОУО определяется по методу Рутковского, который позволяет выделить содержание глинистых веществ благодаря их набухаемости в воде. Вещественный состав отходов обогащения приведен в табл. 1.
Для производства стеновой керамики необходимо корректировать фракционный состав. Результаты показывают, что количество пыле-ватых фракций в ОУО составляет около 60 %, песчаных частиц - 37,73 %, а количество глинистых колеблется от 8 до 29 % в зависимости от ЦОФ. В шламистой части количество глинистых фракций может доходить до 10 %. Установлено, что ОУО могут стать керамическим сырьем с содержанием глинистого вещества от 15 % [1].
Отходы с содержанием углерода более 24 %
Отходы с содержанием углерода от 3 до 24 %
Строительство дорог и земельные
Получение строительных
материалов металлургии
Сырье черной и цветной
работы
3
6
7
9 10
Сельское
хозяйство
10 11 12 13 15 16 17
Рис. 1. Использование отходов углеобогащения в различных отраслях промышленного производства: 1 - энергетическое использование (сжигание, газификация); 2 - механическое обогащение; 3 - щебеночный материал; 4 - материал (в смеси с вяжущим) для верхних и нижних дорожных оснований; 5 - заменитель грунта при сооружении дамб, фундаментов; 6 - закладка подземных выработок, выравнивание рельефа; 7 - керамические материалы; 8 - заполнитель для бетона; 9 - вяжущие; 10 - камнелитые изделия; 11 - концентраты редких рассеянных металлов; 12 - кремнеалюми-ниевые сплавы и ферросплавы; 13 - материалы на основе карбида кремния; 14 - глинозем и другие кислородные соединения алюминия; 15 - нейтрализация кислых почв; 16 - носители микроэлементов и серы в удобрениях; 17 - улучшение
структуры почв
Т а б л и ц а 1
Вещественный состав отходов обогащения
Наименование породы обогатительных фабрик Содержание, %, фракций
набухающих, <0,005 мм песчаных, 1 - 0,05 мм пылеватых, 0,05 - 0,005 мм
Кузнецкая 24,97 70 5,03
ЗСМК 7,93 48 44,07
Абашевская 29,00 49 22,00
Суглинок Байдаевского м/р 15,00 40 45,00
«Хвосты» Абагурской аглофабрики: общая проба шламовая часть 2,27 8,00 60 55 37,73 37,00
Химический состав отходов определяли по методике ГОСТ 5382 - 91 «Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа» (см. таблицу 2). Наличие оксидов в отходах ЦОФ (15,75 - 19,84 % А1203 и 52,53 - 58,85 % 8Ю2) говорит о том, что состав отходов близок к традиционному глинистому сырью, что позволяет использовать ОУО в качестве сырья для производства керамических материалов. Остаточный углерод отрицательно влияет на свойства керамики (обжигаемых материалов). Практика показала, что для керамического сырья содержание углерода должно быть не более 6 - 7 %. В силикатных изделиях количество углерода ограничено до нуля, иначе снижается прочность, морозостойкость и долговечность.
Установлено, что ОУО относятся к мало за-карбонизированному сырью (2,10 - 2,88 % СаО). Это снижает возможность образования «дутиков» в готовых изделиях. В сырье присутствуют оксиды калия и натрия (2,12 %), которые характеризуют плавкость сырья, однако их количество мало.
По минералогическому составу изучаемые отходы углеобогащения представляют собой смесь метаморфизированных пород полиминерального состава. Результаты исследования показали, что в их состав входят: глинистые
минералы, углистое вещество, кварц, полевые шпаты, слюды, гематит, магнетит и другие вещества. Глинистые минералы представлены в основном гидрослюдами и каолинитом (рис. 2) [5 - 7].
Пофракционное исследование пород проводили термогравиметрическими методами. Подтверждено содержание углерода в углеот-ходах. Потеря по массе составляет 13 %, для отдельных проб - от 20 до 29 % (ЦОФ «Кузнецкая») и до 37,3 % (ЦОФ ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК»).
Для исследования содержания остаточного углерода породы отсадочных машин были разделены на фракции 25, 13, 10, 6 и 3 мм. Каждая фракция изучалась отдельно на содержание глинистых веществ и остаточного углерода (рис. 3). Изучение содержания остаточного углерода в отдельных фракциях показало следующее: наименьшее содержание углерода обозначено у породы фракции 25 мм и более, потери по массе для них составляют 12 - 12,8 %.
Были изучены процессы, происходящие при предварительной термической обработке. Термогравиметрические исследования, а также пофракционный химический анализ ОУО показывают, что потери при прокаливании (ППП) и содержание углерода (С) для различных фракций различны.
Т а б л и ц а 2
Химический состав пород ЦОФ г. Новокузнецка
Углеотходы, фракция >13 мм, ЦОФ Содержание, %, на сухое вещество
8Ю2 СаО МдО А12О3 БеО Бе20э 803 К2О+ Ш2О
Кузнецкая 52,53 2,88 1,52 15,73 3,06 0,61 - 2,12
Абашевская 67,05 0,95 0,52 22,23 4,63 0,42 3,65
ЗСМК 58,85 2,10 1,01 19,84 13,88 0,23 3,42
Рис. 2. Дифрактограммы необожженных (а) и обожженных (б) ОУО ЦОФ «Кузнецкая»
Ниже представлен состав углеотходов различных фракций:
Фракция, Зольность, С, ППП,
мм % % %
3 79,7 14,57 23,94
6 87,8 7,21 15,22
13 89,0 6,29 13,48
25 88,9 6,54 14,15
В результате исследований было определено, что наименьшее количество остаточного углерода содержится в отходах фракций менее 0,6 мм после обжига их в лабораторной печи в течение 1 ч при температуре 500 оС слоем 5 -7 мм. Потери при прокаливании в отходах
фракцией более 13 мм достигают 19,66 %, а содержание углерода до 11,4 %. Термообрабо-танная порода содержит минимальное количество остаточного углерода - 0,88 %. Доказано, что под действием температуры проходит активизация глинистой составляющей с образованием активных оксидов SiO2, Al2O3, т.е. тер-моактивизированные ОУО могут стать сырьем для производства клинкера и цемента [8].
Для снижения количества углерода в сырье предложено подвергать его предварительной термической обработке. Отходы отсадочных машин фракций 25 мм измельчались и рассеивались на фракции 5 мм и менее 0,6 мм, а затем обжигались при различных температурах
Рис. 3. Дериватограммы отходов углеобогащения (кривые ДТА (а) и ТG (б)) 1 - порода ЦОФ «Кузнецкая», фракция 6 мм; 2 - фракция 3 мм; 3 - фракция 10 мм; 4 - фракция 25 мм
Рис. 4. Модель переработки и применения отходов углеобогащения как сырья для стройиндустрии
Содержание углерода в термически обработанной породе приведено ниже:
Порода Фракция, мм г, оС ППП, % с, %
В естествен-
ном состоя- >13 900 19,66 11,4
нии
Обожженная 5 500 8,32 3,34
Обожженная 5 600 5,92 1,86
Обожженная <0,6 500 4,55 0,88
Разработана модель переработки и использования ОУО как сырья для стройиндустрии (рис. 4). Установлено, что на первом этапе необходима оценка хвостов на экологичность, т.е. содержание радиоактивных и токсичных веществ. Необходимы исследования проб на вещественный, химический и минералогический составы. Этапы переработки вторичных материальных ресурсов следующие: сушка, измельчение, обжиг, при котором проводится аккумуляция и сбор тепла. Далее выделяются направления по применению остаточного после обжига минерального порошка как сырья для стройиндустрии. Определяется очередность, эффективности внедрения ОУО. Проводится лабораторная, полупромышленная и промышленная апробации. На заключительном этапе разрабатывается технологический регламент на каждый вид строительного материала.
Выводы. Результаты исследования показали, что отходы углеобогащения с содержнием углерода более 24 % рационально обогащать или применять как топливо; с содержанием до 24 % можно использовать в строительстве, черной и цветной металлургии, сельском хозяйстве. ОУО относятся к малозакарбонизиро-ванному сырью (2,1 - 2,88 % СаО). Это снижает возможность образования «дутиков» в готовых обжиговых изделиях. Установлено, что наибольшее количество глинистых веществ находится во фракциях более 25 мм, их количество меняется от 15 до 29 %. Определено, что остаточный углерод преобладает в мелких
фракциях породы. Для ликвидации углистых частиц их необходимо подвергнуть измельчению и термической обработке при 500 -600 °С. Одновременно с удалением углерода идет активизация глинистой составляющей, поэтому ОУО можно применять как для керамических изделий, так и в производстве клинкера и цемента. Разработана модель переработки и применения ОУО как сырья для стройиндустрии, которая показывает последовательность работы с вторичными материальными ресурсами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. П а н о в а В.Ф. Техногенные продукты как сырье для стройиндустрии. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2009. - 287 с.
2. Я к у т и н В.П., А г р о с к и н А.А. Использование отходов обогащения углей. -М.: Недра, 1978. - 167 с.
3. Ш п и р т М.Я., Р у б а н В .А., И т к и н Ю.В. Рациональное использование отходов добычи и обогащения углей. - М.: Недра, 1990. - 224 с.
4. Б о ж е н о в П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология: Учебное пособие. - М.: изд. АСБ, 1994. -264 с.
5. Б р и н д л и Г.Ф. - В кн.: Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов. - М.: Мир, 1965. С. 45 - 63.
6. Г о р ш к о в В.С. Термография строительных материалов. - М.: Стройиздат, 1968. -584 с.
7. Г у р е в и ч М.Я. Руководство по рентгеновскому исследованию минералов. - М.: Мир, 1965. - 458 с.
8. В о л ж е н с к и й А.В. Минеральные вяжущие вещества: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 464 с.
© 2015 г. В.Ф. Панова, С.А. Панов Поступила 20 марта 2015 г.
