Перспективы отечественного производства керамического кирпича на основе отходов углеобогащения Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 666.7:658.567.1:622.7

Г.И. СТОРОЖЕНКО, д-р техн. наук, директор ООО «Баскей» (Новосибирск);

А.Ю. СТОЛБОУШКИН, канд. техн. наук, Сибирский государственный индустриальный

университет; М.П. МИШИН, директор ЗАО «Новокузнецкремстрой-Н» (г. Новокузнецк)

G.I. STOROZHENKO, Doctor of Technical Sciences, director «Baskey LTD» (Novosibirsk); AYU. STOLBOUSHKIN, Candidates of Technical Sciences, Siberian State Industrial university; МР. MISHIN, CEO of JSC «Novokuznetzkremstroj-N» (Novokuznetzk)

Перспективы отечественного производства керамического кирпича на основе отходов углеобогащения

Prospects of domestic production of ceramic brick on the base of coal washing waste

_Порода

HS^Rock) _ Класс+13 мм

gszszszgsrtciass + 13 mm)

Бережное отношение к природным ресурсам государства в период интенсивного развития промышленного производства является не только обязательным с точки зрения экологической безопасности нынешнего и будущих поколений, но и экономически целесообразным. Поэтому в цивилизованных обществах не вырубают бездумно леса в своей стране, не извлекают без надобности нерудное сырье, а осознанно используют промышленные и бытовые отходы, образующиеся в процессе деятельности человека.

Примером такого отношения к собственным природным ресурсам является Китай, где законодательно запрещено использовать для производства керамического кирпича глинистое сырье в местах, имеющих промышленные запасы техногенных отходов. Правительство Китая с 1999 г. поощряет с помощью налоговых льгот применение отходов промышленности вместо глин при производстве кирпича. В настоящее время для производства кирпича и черепицы там широко используются отходы углеобогащения, зола-унос, сланцы, речной и озерный ил [1].

Наша страна в 80-е гг. прошлого столетия являлась передовой в области технологических разработок по вовлечению отходов в производство керамического кирпича. Однако в настоящее время редкие примеры использования промышленных отходов и растущие их объемы заставляют снова обращаться к этой проблеме, эффективному решению которой может помочь изучение опыта наших предшественников.

Статья посвящена новой технологии производства керамического кирпича из отходов обогащения углей, разработанной с учетом опыта работы единствен-

Careful attitude toward national natural resources in the period of intensive industrial progress is not only necessary from viewpoint of environmental safety of present and future generations, but also economically advisable. That is why in civilized societies they do not practice inconsiderate deforestation, nor raise nonmetallic feed, but consciously utilize industrial and city waste resulting from human's activity.

China is an example of such attitude to their own natural resources; there it is prohibited by law to utilize argillous raw material for ceramic brick production in the areas where man-made waste is stored. Since 1999, the government of China has been supporting (with the aid of tax advantages) the utilization of industrial waste for brick production instead

В атмосферу t\

Рис. 1. Технологическая схема производства кирпича из отходов обогащения углей Абашевской ЦОФ: 1 - грохот; 2 - бункер; 3 - качающийся питатель; 4 - ленточный конвейер; 5 - узел перегрузки; 6 - щековая дробилка; 7 - молотковая мельница; 8 - скоростной промыватель; 9 - двух-вальный смеситель; 10 - стержневой смеситель; 11 - мешалка-питатель; 12 - пресс; 13 - туннельная печь-сушилка

Fig. 1. Technological flow chart of brick production from coal-washing waste from «Abashevskaya» concentration plant: 1 - grate; 2 - tank; 3 - swinging feeder; 4 - belt-type conveyor; 5 - overload unit; 6 - jaw breaker; 7 - hammer mill; 8 - high-speed washer; 9 - twin-shaft mixer; 10 - mixing rod; 11 - mixing feeder; 12 - press; 13 - tunnel-type dryer

rj научно-технический и производственный журнал

v.-Jy^Arb:® апрель 2013 57

ного в СССР и Российской Федерации завода по производству керамического кирпича на основе 100% отходов углеобогащения Абашевской ЦОФ (г. Новокузнецк). Завод был построен в Новокузнецке по проекту Института горючих ископаемых и ВНИИстром им. П.П. Будникова в 1986 г. Проектная мощность, которая была достигнута на третий год работы предприятия, составляла 10 млн шт. кирпича в год, из которых 50% занимал лицевой кирпич марок 125—150.

Технологическая схема производства (рис. 1) включала в себя отбор с обогатительной фабрики отходов класса +13 мм влажностью 13% и их дробление на щеко-вой дробилке. Последующее измельчение отходов в шахтной молотковой мельнице позволяло получить высушенный до 4% порошок полифракционного состава (остаток на сите 1 мм не более 4%, на 0,5 мм — 18—22%, менее 0,25 мм — 65—73%). Для обеспечения плотной прессовки кирпича-сырца требовался постоянный контроль фракционного состава отходов после помола в шахтной мельнице, который регулировался изменением аэродинамики потока теплоносителя в шахте. Порошок поступал на увлажнение в двухвальный смеситель СМ-1238 для получения однородной массы влажностью 6—8%, а затем в стержневом смесителе СК-08 происходила окончательная гомогенизация и уплотнение пресс-порошка.

Прессование кирпича-сырца с 17 сквозными пустотами осуществлялось на прессах СМ-1085Б, сушка и обжиг — в туннельной печи Ленингипрострома длиной 129 м. Печь вмещала 56 вагонеток, из них 12 вагонеток находилось в зоне сушки, которая отделялась от печи отдельной промежуточной шторной дверью. Режим обжига рассчитывался с учетом протекания реакции горения угля в теле кирпича-сырца, поэтому в зоне подготовки (позиции 1—15) не было горелочных устройств, так как нужная температура обеспечивалась за счет «самообжига» кирпича. Для полного выгорания углерода требовался длительный обжиг, поэтому его продолжительность составляла 56 ч. Температура обжига в зоне выдержки (позиции 26—28) — 950—1000оС. Трудности в процессе обжига возникали как при избытке угля в шихте, так и при его недостатке, когда нечем было поддерживать требуемую температуру в зоне подготовки.

Для обеспечения полного выгорания углерода в кирпиче потребовалось кардинально поменять садку кирпича-сырца на вагонетки. По проекту весь кирпич укладывался на ребро, однако в тех местах, где кирпичи соприкасались друг с другом, оставались черные пятна (невыгоревший коксовый остаток), поэтому специалисты завода разработали новую схему садки (рис. 2). По новой разреженной схеме первый ряд кирпича укладывался на ребро, а в последующих рядах все кирпичи укладывались на плашок с зазором 50 мм для хорошего обдува.

За 20 лет работы предприятия был накоплен огромный опыт работы с отходами углеобогащения, выработаны четкие требования к их вещественному составу, который обеспечивал получение керамического кирпи-

Рис. 2. Схема садки на вагонетку кирпича из отходов обогащения Fig. 2. Schematic of brick setting on a carriage

of clay. Today, they extensively use the waste of coal-washing, fly ash, slate stones, river and lake mud [1].

In the 1980-ies, Russia was a leader in the field of technological achievements for waste utilization in ceramic brick production. Nowadays, however, just rare cases of usage of industrial waste and their increasing amount lead us to refer again to this challenge; careful analysis of the background experience can help to solve it successfully.

This paper is devoted to the new technology of production of ceramic brick from the coal-washing waste, with due regard to the experience of the plant for ceramic brick production from 100% waste from «Abashevskaya» concentration plant (Novokuznetzk). The plant is the only one in the USSR and Russian Federation; it was designed in the Institute of Fossil Fuels and P.P. Budnikov VNIIStrom (All-Soviet Union Researching Institute of Construction Materials) and built in Novokuznetzk in 1986. The design capacity was reached three years later and made up to 10 million units of brick per year; 50% of it was ashlar brick of rank 125-150.

Technological path of production (Fig. 1) included the extraction of waste of class +13 mm, humidity of 13% from the washing factory; the waste was crushed in a jaw breaker. Further milling of the waste in a shaft-type hammer mill resulted in the poly-fraction powder up to 4% (maximum 4% of 1 mm oversize,18-22% — of 0.5 mm, 65-73% — below 0.25 mm). In order to provide dense compaction of air brick, continuous monitoring of the grain-size distribution of the waste after milling in the shaft mill was needed; the grain-0size distribution was controlled by varied aerodynamics of a heat carrier flow in the shaft. The powder was directed for watering in a twin-shaft mixer SM-1238 to obtain a uniform mass with the humidity rate of 6 — 8%; then the mold powder underwent the final homogenization and compaction in a mixing rod SK-08.

Compaction of perforated air brick with 17 pinholes was realized in presses SM-1085B, drying and burning — in a tunnel Leningiprostrom furnace of 129 m in length. The furnace contained 56 carriages; twelve of them were inside the drying area which was separated from the furnace with an individual rolling shutter. The burning mode was calculated with due regard to the coal combustion reaction inside the air brick

научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS 58 апрель 2013 Ы *

Таблица 1 Table1

Наименование отходов Waste description Массовая доля компонентов на высушенное вещество, % Mass content of the component in the dried substance, %

SiO2 AI2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO R2O SO3 ППП Loss after annealing

Абашевская ЦОФ «Abashevskaya» concentration plant 54,9 16,9 0,72 3,68 3,4 8 1,99 3,68 0,13 13,6

То же после обогащения The same after washing 60,4 16,8 0,66 5,21 3,87 1,89 3,88 0,13 7,12

Коркинские аргиллиты Korkino blacks 40,87 16,74 0,84 16,47 2,12 2,51 1,91 0,25 17,81

То же после обогащения The same after washing 48,13 16,81 0,76 17,21 2,01 2,44 1,9 0,2 11,42

ча марок 150—175. Прежде всего это содержание угля в отходах: оно должно быть 5—6%; зольность — 85±5%; SiO2 — не менее 54%; А1203 — 19—21%. Повышение содержания карбонатов в отходах (более 6%) приводило к разрушению кирпича после обжига; снижение содержания оксидов железа ниже 5—6% — к ухудшению цвета изделий.

Созданная в 1980-е гг. технология производства кирпича была рассчитана только на определенный вещественный и химический состав отходов, изменения которых в результате износа оборудования на обогатительной фабрике привели к остановке кирпичного завода.

Авторами разработана новая технология производства керамического кирпича, основанная на концепции рационального использования отходов углеобогащения и учитывающая нестабильность их вещественного состава. Предлагаемая технология заключается в организации глубокой переработки отходов обогащения углей непосредственно на кирпичном заводе, где необходимо проводить их вто-

body, thus in the preparation area (pos. 1—15), there were no burners, since the needed temperature was provided by the brick "self-burning". Complete burn-out of carbon took a long-time burning, of 56 hours. The burning temperature in the soaking area (pos. 26-28) was 950-1000oC. Both coal overcharge and undercharge, when the needed temperature in the preparation area could not be provided, caused problems for the burning process.

In order to guarantee complete burn-out of carbon from brick, the load of air brick on carriages had to be totally modified. The initial design presumed the brick setting on edge, but there were black spots (underburnt coke residual) on the bricks in the points of contact. Engineers designed a new method of brick setting (Fig. 2). According to this new rarefied method, the first line of bricks set on edge, and in the following lines, all bricks were laid on flats, with the gap of 50 mm for good airflow.

During 20-year period of the plant work, they accumulated vast experience in working with the coal-washing waste, formulated clear requirements to the waste material composition which would guarantee the production of ceramic brick

Углеотходы класс +40 мм Coal waste, class + 40 mm

=Fm

Плавень ОМП

Рис. 3. Технологическая схема нового производства керамического кирпича из отходов обогащения углей: 1 - молотковая дробилка;

2 - инерционный виброгрохот; 3 - пневмосепаратор; 4 - ленточный конвейер; 5 - силос; 6 - ящичный питатель; 7 - измельчительно-сушильная установка; 8 - рукавный фильтр; 9 - весовой дозатор; 10 - турболопастной смеситель-гранулятор; 11 - тарельчатый гранулятор; 12 - мешалка-питатель; 13 - пресс; 14 - туннельная печь-сушилка

Fig. 3. Process flow chart of the new technology of ceramic brick production from coal-washing waste: 1 - hammer mill; 2 - inertia wobbler feeder;

3 - pneumatic separator; 4 - belt-type conveyor; 5 - silo; 6 - box feeder; 7 - crushing and milling plant; 8 - bag filter; 9 - weight feeder; 10 - turbo-blade granulating mixer; 11 - disk granulator; 12 - mixing feeder; 13 - press; 14 - tunnel-type dryer

rj научно-технический и производственный журнал

¡¡»s

Y/JyAAlb:® апрель 2013 59

Таблица 2 Table2

Состав шихты, мас. % Burden composition, mass % Предел прочности Maximum strength Средняя плотность, кг/м3 Mean density, kg/m3 Водопогло-щение, % Water absorption ability, % Морозостойкость, цикл Frost resistance, cycles

при сжатии МПа compressive, MPa при изгибе МПа Bending, MPa

Коркинские аргиллиты - 60; Суглинок - 25; Стеклобой - 10; Гематитсодержащие отходы - 5 Korkino blacks - 60; Clay loam - 25; Broken glass - 10; Hematite-containing waste - 5 12,2 3,04 1549 17,28 25

Отходы Абашевской ЦОФ -85; Суглинок -15 Waste from «Abashevskaya» concentration plant - 85; Clay loam - 15 15,5 3,49 1589 14,1 50

ричное обогащение с целью выделения излишков угля и получения энергетического угольного топлива для основного производства. Образующиеся в процессе обогащения хвосты стабильного состава с содержанием угля 3—8% являются основным сырьем для производства керамического кирпича. В качестве корректирующей добавки, обеспечивающей постоянство состава шихты, используется глинистое сырье, количество которого в зависимости от содержания угля в отходах после вторичного обогащения колеблется от 15 до 30%.

Схемой производства стеновых керамических материалов (рис. 3) из отходов углеобогащения предусматривается:

— доставка на завод, первичная переработка отходов углеобогащения (дробление, грохочение, классификация, выделение углистой части);

— добыча, доставка на завод, первичная переработка (дробление, выделение каменистых включений) глинистого сырья;

— вторичная переработка отходов углеобогащения и глинистого сырья (сушка, помол, механоактивация), их хранение в силосах запаса;

— получение пресс-порошка (грануляция, опудри-вание);

— прессование кирпича-сырца, сушка и обжиг изделий.

Исследовательские работы и полузаводские испытания новой технологии проводились на отходах обогащения Абашевской ЦОФ (г. Новокузнецк) и углистых аргиллитах Коркинского угольного разреза (Челябинская обл.). Отходы имеют повышенное содержание углерода, о чем свидетельствует высокое значение потерь при прокаливании, поэтому предварительно проводилось вторичное обогащение, что привело к изменению их химического состава (табл. 1).

Технология получения керамического кирпича состояла в следующем. Основное по составу сырье — отходы обогащения ЦОФ Абашевская и углистые аргиллиты Коркинского месторождения после дробления, грохочения и выделения пневмосепарацией углистой части сушились и измельчались в измельчительно-сепарационной установке до класса -0,25 мм. Полученный порошок гранулировался на турболо-пастном смесителе-грануляторе и опудривался порошком новокузнецкого суглинка. Для улучшения декоративных свойств изделий в качестве окрашивающей добавки вместе с суглинком вводились гематитсо-

of rank 150—175. Above all, coal content in the waste is important: it must be of 5—6%; ash content should be of 85±5%; SiO2 — minimum 54%; Al2O3 — 19—21%. Increased content of carbonates in the waste (above 6%) caused brick rupture after the burning, decreased content of iron oxides (below 5—6%) resulted in the color degradation.

The technology of brick production developed in the 1980-ies was designed for certain material and chemical compositions of the waste; when these compositions changed because of the washing equipment deterioration, the brick plant was stopped.

The authors developed a new technology of ceramic brick production; it is based on the concept of the reasonable utilization of the coal-washing waste and takes into account its unstable material composition. The proposed technology consists of the advanced processing of the coal-washing waste directly in the brick plant, where secondary washing is necessary in order to extract excessive coal and produce powergenerating coal fuel for the main production. Stable-composition washing discard with coal content of 3—8% is the main raw material for ceramic brick. Argillous raw material is used as a corrective admixture to provide the stable content of the burden; the quantity of the admixture varies from 15 to 30% regarding the coal content in the waste.

The scheme of production of wall ceramic materials (Fig. 3) from coal-washing waste consists of the following:

— delivery to the plant, primary processing of the coal-washing waste (crushing, grating, classification, extraction of carbon substances);

— extraction, delivery to the plant, primary treatment (crushing, separation of stony substances) of argillous raw materials;

— secondary treatment of the coal-washing waste and argillous raw materials (drying, millimg, mechanical activation), their storage in silos;

— production of a mold powder (granulation, powdering);

— compaction of air brick, during and burning of products. Researches and pilot tests of the new technology were

performed on the waste from «Abashevskaya» concentration plant (Novokuznetzk) and blacks from Korkino open coal mine (Chelyabinsk region). The waste had the increased content of carbon, which is proven by the high loss after annealing, thus the material underwent secondary washing which changed their chemical composition (Table 1).

The technology of ceramic brick production lies in the following. The major raw material is the waste from «Abashevskaya» concentration plant and blacks from Korkino open coal mine were crushed, grated, the carbon substance

60

научно-технический и производственный журнал

апрель 2013

jVJ ®

держащие отходы — пыль рукавных фильтров газоочистки от сталеплавильных печей (ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», г. Новокузнецк).

Составы шихт и результаты опытно-промышленных испытаний, проведенных на Бердском и Шарыповском кирпичных заводах, представлены в табл. 2. Влажность гранулированного пресс-порошка составляла в среднем 9,8-9,9%.

Результаты испытаний кирпича, проведенные в заводских лабораториях, показали, что керамический кирпич на основе техногенных отходов, полученный путем их грануляции с последующим опудриванием глинистым сырьем, имеет четкие грани, геометрические размеры и соответствует требованиям ГОСТ 5302007 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия» для марок 100-150 в зависимости от состава шихты.

Таким образом, проведенные исследования показывают реальную возможность и насущную необходимость использования в угольных районах нашей страны отходов углеобогащения как в качестве основного сырья, так и в качестве источника энергии для энергоемкого производства изделий стеновой керамики.

was separated by means of pneumatic separation; then the stuff was dried and milled in a milling and separation plant down to the class -0.25 mm. The resulting powder was granulated in a turbo-blade granulating mixer and then was powdered by the powder of Novokuznetzk clay loam. In order to improve decorative properties of the brick, hematite-containing waste (the dust from bag filters of steel-making furnaces, JSC «EVRAZ ZSMK», Novokuznetzk) were admixed together with the clay loam.

Table 2 presents the burden compositions and results of pilot tests in Berdsk and Sharypov brick plants. Average humidity of the mold powder was 9,8—9,9%.

The results of brick tests in plant laboratories showed that the ceramic brick made from man-made waste which was granulated and then powdered with argillous raw material, has clear edges, geometrical sizes, and corresponds to the requirements of GOST (State Standard) 530—2007 «Ceramic brick and stone. General technical conditions» for the ranks of 100—150, regarding the burden composition.

Hence, the performed researches demonstrate the real possibility and primary need to utilize the coal-washing waste in coal districts of Russia, both as the main raw material and as an energy source for the energy-consuming production of wall ceramics.

Ключевые слова: керамический кирпич, отходы углеобогащения, техногенные отходы.

Литература

Кройчук Л.А. Использование нетрадиционного сырья для производства кирпича и черепицы в Китае // Строительные материалы. 2003. № 7. С. 8-9.

Keywords: ceramic brick, coal preparation waste, techno-genic waste.

References

1. Kroychuk L.A. Utilization of unconventional raw materials for brick and roof tile production in China // (2003), Stroitel'nye Materialy (Construction materials) (7). Pp. 8—9. (in Russian)

Основная специализация - разработка технологий сушки, помола, активации и обогащения различных видов минерального сырья.

Производственная деятельность

- изготовление технологического оборудования для сушки, тонкого помола и обогащения различных видов минерального и техногенного сырья;

- агрегатов по эффективному помолу глинистого сырья в жидкой среде;

- установок пылевидного сжигания твердого топлива в кольцевых и туннельных печах кирпичных заводов.

Практический опыт переработки сырья:

Каолины и бентониты Глины и суглинки Пески и супеси Тальк и мел Диатомиты и опоки Известняки и доломиты

Вермикулитовые руды

Гематитовые руды Кварц-топазовые руды Шлаки доменные Зола уноса Хвосты обогащения железных руд

630090, г. Новосибирск , ул. Инженерная, д.4 а, оф. 814 www.baskey.ru E-mail: baskey_ltd@mail.ru Тел./факс: +7 (383) 328-32-47

rj научно-технический и производственный журнал

J^J ® апрель 2013 6?