CC BY
413
iron content of 65% due to the almost complete extraction of magnesium oxide (99,9%) under laboratory conditions. When reducing the amount ofphosphoric acid, the degree of extraction can be reduced to the required magnesium oxide content in the metallurgical production.
By-products of a process can be used in the production of complex mineral fertilizers, building materials and reduce the metallurgical production costs.
Water used in the leaching process is recycled by returning to the manufacturing process.
Key words: siderite (sideroplezite) ore, isomorphous crystal lattice, acid leaching, chemical enrichment, phosphoric acid, magnesium oxide, iron ore concentrate, non - waste technology, complex processing.
УДК 662.741.3.022:622.765
Панишев Н.В., Бигеев В.А., Галиулина Е.С.
ПЕРСПЕКТИВЫ УТИЛИЗАЦИИ ХВОСТОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ И ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Аннотация. Утилизация золошлаковых отходов и отходов углеобогащения актуальна и занимает первоочередное место среди перспективных проблем во многих странах мира. В настоящее время в России эти отходы лишь на 10-15% используются в разных отраслях производства, но потенциал их использования намного шире. Ключевые слова: утилизация, хвосты, обогащение, зола, шлак.
В недрах России сосредоточена треть мировых ресурсов угля и пятая часть разведанных запасов -193,3 млрд т. Из них 101,2 млрд т бурого угля, 85,3 млрд т каменного угля (в том числе 39,8 млрд т коксующегося) и 6,8 млрд т антрацитов.
Промышленные запасы действующих предприятий составляют почти 19 млрд т, в том числе коксующихся углей - около 4 млрд т. Российская Федерация занимает второе место по запасам и пятое место по объему добычи угля. Существующая сырьевая база может обеспечить работу угольной промышленности с годовой добычей порядка 500 млн т на протяжении более чем на 550 лет. Что касается мощностей, то в настоящее время в угольной промышленности России действует 241 угледобывающее предприятие, включающее 104 шахты и 137 разрезов с годовой мощностью 370 млн т угля, в том числе 250 млн т энергетических углей. Подземным способом добывается 110 млн т. Около 220 млн т энергетических и коксующихся марок углей перерабатываются на 68 обогатительных фабриках и установках механизированной породовыборки. Угольная отрасль играет огромную роль в энергобалансе страны. Уголь широко используется в выработке электроэнергии, составляя более 25% в балансе топливно-энергетического комплекса. Но доля угля в работе тепловых электростанций продолжает увеличиваться. Согласно стратегическим планам развития отрасли она должна составить 31-38% к 2020 году. По расчетам, проведенным в Институте энергетических исследований РАН, для до-
© Панишев Н.В., Бигеев В.А., Галиулина Е.С., 2015
бычи угля в прогнозируемых объемах необходимо создать мощности к 2020 году - 430-440 млн т. При этом требуемые мощности для добычи угля в прогнозируемых объемах по сравнению с 2010 г. составят:
2010 2020
Энергетический уголь, млн т 245 325
Уголь для коксования, млн т 95 115
Всего, млн т 340 440
Учитывая ограниченность и невосполнимость ресурсов нефти и газа, можно предположить, что если не будет найдено новых месторождений или других альтернативных видов топлива, то уже к 2030-му году уголь может стать основным источником топливной энергии, и угольная промышленность станет ведущей отраслью ТЭК.
Утилизация отходов углеобогащения
В угледобывающих странах выход твердых отходов при открытой добыче составляет 3-5 т, при шахтной - 0,2-0,3 т на 1 т добываемого угля или сланца. При обогащении углей выход хвостов составляет 0,15-0,35 т/т угля [1-4]. По ориентировочным расчетам только с отходами обогащения в России ежегодно теряется до 4 млн т угля. Для обогащения углей применяют гравитационные и флотационные методы, причем в первом случае используют более крупный материал, что предопределяет значительное различие в гранулометрическом составе отходов этих
обогатительных процессов.
Содержание углерода в отходах обогащения составляет примерно от 3 до 25-26% (по другим источникам 5-20%). Зольная часть состоит преимущественно из оксидов SiO2, А1203 и Fe2Oз (>90%), и только отдельные месторождения углей и сланцев содержат повышенное количество оксида кальция. Зольность отходов обогатительных фабрик находится примерно в пределах от 70 до 88%, сернистость - от 1 до 4,5%. Сложность использования отходов обогащения не только в том, что они отличаются друг от друга по физико-химическим свойствам, но и тем, что они собираются в больших количествах в отвалах и трудно оттуда извлекаются.
Породы вскрыши, отличающиеся высоким содержанием минеральных веществ, могут быть использованы для энергетических целей после предварительного обогащения с получением кондиционного по зольности продукта, в небольших количествах в смеси с малозольными углями для получения водно -угольных суспензий или для сжигания в специальных топочных устройствах (топки с кипящим слоем). Породы вскрыши могут применяться как закладочный материал и для рекультивации земель, а шахтные -для закладки шахтного пространства. Так, вскрышные породы некоторых карьеров (Канско-Ачинского, Минусинского и др.) [4] могут применяться без селективной отработки слагающих литологических разностей как сырье для производства пористых заполнителей для легких бетонов, керамических стеновых материалов, при строительстве дамб и других инженерных сооружений.
Источниками образования отходов на углеобогатительных фабриках являются операции подготовки рядовых углей и сами обогатительные процессы, причем в результате последних образуется практически вся порода, выдаваемая фабрикой. По вещественному составу отходы представляют собой многокомпонентную смесь различных минеральных веществ и остаточного угля.
По данным [4], химический состав отходов на углеобогатительных фабриках основных угольных бассейнов России следующий (%):
А (зола на сухую массу) Са (аналитическая проба)
(общая сера на сухую массу) (БЮ2)А
(А120З)А
64-93 50-75 3-23 10-47 0,1-4,5 0,2-3,8 52-79 50-67 14-31 14-31 3-16 1-12
Отходы углеобогащения, содержащие значи-
тельное количество горючей массы, могут быть подвергнуты дополнительному обогащению с получением кондиционного по зольности твердого топлива или непосредственно использованы для сжигания или газификации. Для сжигания высокозольных топлив или отходов углеобогащения со значительным количеством горючей массы используют специальные топочные устройства с кипящим слоем, плазменные печи, печи для пылевидного сжигания и др. В ряде стран эксплуатируются крупные электростанции, на которых сжигаются высокозольные отходы углеобогащения в пылевидном состоянии. Опыт эксплуатации этих электростанций на низкокачественном сырье (зольность >60%, влажность >30-35%) показал, что при этом не только сокращаются затраты на топливо, но и заметно уменьшаются выбросы оксидов серы и азота в окружающую среду.
В России, Украине, Германии, Швеции, США, Канаде, Японии нашли применение различные плазменные печи для переплавки легированных отходов и восстановительной плавки. Для этой цели разработаны и используются различные генераторы плазмы и дуговые плазменные горелки мощностью до 6000 кВт и системы с передаваемой дугой для плазменных печей мощностью до 10 МВт. В одном из разработанных шведскими фирмами процессе исследуется возможность восстановления руд отходами углеобогащения в плазменных генераторах. Предполагают, что в этом процессе можно получить восстановленный рудный материал, а отходящие газы использовать для выработки электроэнергии, в количестве, достаточном для обеспечения потребности этого процесса.
При содержании золы до 40% хвосты флотации коксующихся углей (Чехия) можно использовать в смеси с энергетическими углями либо для непосредственного сжигания.
Имеются сведения об успешных работах по газификации углеродсодержащих отходов углеобогащения с получением энергетического газа (теплота сгорания 3,3-5,24 МДж/м3).
Горелые породы обнаружены на многих месторождениях как в России, так и за рубежом. Так, кроме части углей, выгорающих непосредственно в пластах, наблюдается самовозгорание и горение терриконов (>1000). В том и другом случаях происходит почти полное выгорание органической массы углей и дегидратация вмещающих пород. В настоящее время горелые породы могут быть использованы в качестве заполнителей различных бетонов, кислотостойких мастик, в строительстве дорог, дамб, в фильтровальных установках и др.
Применение шахтных пород может быть значительно шире. Так, установлено, что шахтные породы Донбасса являются ценным сырьем для получения удобрений, содержащих большое число микроэлементов, необходимых для питания растений (Мо, 2п, Мп, Ag, Си и др.). При обработке шахтных пород химическими реагентами получены эффективные ком-
плексные удобрения («Донбасс»), необходимые для минерального питания почв, разбалансировка которых происходит в результате интенсификации и химизации сельского хозяйства.
В результате гравитационной сепарации некоторых углей можно отделить высокозольные фракции (породные отходы), в которых содержание ряда микроэлементов (Ag, As, Cd, Мп, Мо, Ni, РЬ и др.) в 1,314 раза выше, чем в исходных углях.
Во многих странах при производстве различных строительных материалов в качестве добавок используют наряду с золами ТЭЦ отходы гравитационного и флотационного обогащения и шахтные породы. В Украине, например, для производства различных строительных материалов использовали 960 тыс. т отходов углеобогащения и угледобычи, 450 тыс. т зол и шлаков электростанций.
В Украине отходы обогащения используются более чем на 100 кирпичных заводах. Они находят применение в производстве керамических стеновых изделий (отходы отсадки и флотации угля), в качестве котельного топлива или добавки к нему, как материал для закладки выработанного пространства шахт, в производстве цемента, в сельском хозяйстве, для строительства низконапорных гидросооружений.
Наиболее перспективным присадочным материалом считаются отходы флотации углей, для которых не требуется дополнительное измельчение.
Наиболее освоенная область переработки отходов углеобогащения - производство стеновых керамических материалов и легких заполнителей бетона.
Одним из наиболее перспективных направлений утилизации и использования отходов углеобогащения является производство искусственных пористых заполнителей легких бетонов (аглопорита, керамзита и др.). Для этого же используются золы ТЭЦ, а иногда шлаки и горелые породы.
Аглопорит представляет собой легкий пористый материал, получаемый методом контактного спекания различного глинистого сырья на решетках агломерационных машин.
Необходимо отметить также разработки в области комплексного использования горючих сланцев. В настоящее время 50-70% общих затрат на производство различных продуктов из горючих сланцев составляют расходы на их добычу и транспортирование. В связи с этим в России и ряде стран за рубежом проводятся работы по получению из них жидкого синтетического топлива, сырья для химической и металлургической промышленности, материалов для строительной индустрии. Зольные отходы горючих сланцев широко применяются при производстве аглопорита, минеральная часть используется в качестве составного компонента при производстве цементов, теплоизоляционных материалов, вяжущих веществ; некоторые виды сланцевой золы с повышенным содержанием щелочноземельных металлов применяются для известкования кислых почв.
В Австралии разрабатываются крупные месторождения горючих сланцев, что позволит получать более 1 млрд м3 сланцевого масла, газолин, керосин и дизельное топливо.
Исследования показали, что экономика освоения месторождений горючих сланцев будет значительно улучшена, если они будут разрабатываться комплексно с одновременным извлечением редких химических металлов.
Важное значение имеет содержание микроэлементов в углях и сланцах. В настоящее время их обнаружено свыше 70, но общее содержание, как правило, не превышает 0,1%. Есть месторождения углей, в которых содержание микроэлементов в сотни - тысячи раз выше, чем в их кларках в осадочных породах.
В отдельных случаях целесообразно предварительно выделять и утилизировать некоторые микроэлементы, а затем использовать твердые горючие ископаемые. С этой точки зрения наибольшее значение имеют германий, уран, молибден, золото, серебро и др. Наиболее характерен в этом отношении германий. В ряде стран угли и углистые породы являются главным сырьевым источником получения германия. В углях России содержание германия находится в пределах от 1 до 2000 г/т сухого угля.
Переработка отходов сжигания угля
Твердые продукты, получаемые при сжигании или газификации ТГИ, можно разделить на две группы: шлаки и золы.
Зольность нормируется государственными стандартами. Наиболее высокий допустимый предел зольности рядовых углей, отсевов, штыбов, промпродукта и шламов обогащения установлен для условий пылевидного сжигания (Ad 45%, экибастузских углей -53%). Для слоевого сжигания используются угли с Ad не более 37,5%, для коксования - необогащённые спекающиеся угли и концентраты обогащения с Ad до 10,6%. Предельная зольность углей для коксования, направляемых на обогащение для различных бассейнов, - 25-36%. Зольность горючих сланцев колеблется в широких пределах (Ad 48-72%). Для условий потребления горючих сланцев зольность не нормируется; основным показателем качества служит удельная теплота их сгорания, на величине которой отражается зольность. Зольность торфа зависит от геологических условий его образования и различна для разных типов и видов торфа. По содержанию золы различают малозольные (менее 5%), среднезольные (5-10%) и высокозольные (более 10%) торфы.
Повышение зольности снижает тепловой эффект сжигания топлив, удорожает (как балласт) стоимость их транспортировки, отрицательно отражается на технологии процессов переработки и качестве получаемых продуктов (кокса, полукокса и др.).
Одним из перспективных видов сырья являются золы тепловых электростанций, которые имеются
практически во всех регионах страны. Золоотвалы занимают большие земельные площади, пригодные для использования в сельском хозяйстве. Относясь к отходам IV или III класса опасности, они часто располагаются вблизи жилых районов, что недопустимо санитарно-техническими нормами.
В отвалах тепловых электростанций мира скопилось более 0,7-1 млрд т золошлаковых отходов. В России ежегодно образуется более 85 млн т золошла-ковых отходов. При этом энергетики не заинтересованы в переработке своих отходов, так как плата за выбросы и захоронения отходов заложена в себестоимость электроэнергии и теплоносителя, их оплачивает население и при этом живёт в зоне интенсивного загрязнения от ТЭС и их золоотвалов, несёт на себе тяжесть последствий их влияния на здоровье. За рубежом перерабатывают до 80-100% от текущего образования золы и шлака. Там не закладывают в себестоимость электроэнергии затраты на захоронение отходов. Переработкой занимаются отдельные фирмы под контролем государства и местных властей.
Вместе с тем золы и шлаки по химическому и минералогическому составу во многом идентичны природному минеральному сырью. Использование их в промышленности, строительной индустрии и сельском хозяйстве - один из стратегических путей решения экологической проблемы в зоне работы ТЭС. Шлаки и золы имеют хорошую перспективу для широкого их использования с целью ресурсосбережения, то есть решения экономических проблем, связанных с сохранением природных ресурсов цветных, редких металлов и других материалов.
По зерновому составу твердые отходы принято делить на золу и шлаки. Условной границей между ними можно принять фракцию 0,25 мм: более мелкие отходы относят к золам, более крупные - к шлакам. При удалении мелкой и легкой фракций, которые уносятся дымовыми газами из топок и улавливаются фильтрами ТЭС, в золосборники получают золу сухого отбора. Она поступает либо непосредственно в транспортирующие средства, либо в хранилища потребителя. При очистке золосборников водой зола и шлак в виде пульпы удаляются в отвалы. На этих отвалах, имеющихся при каждой ТЭС, хранятся основные массы твердых отходов.
Состав и свойства отходов ТЭС зависят от минерального состава топлива и способа его сжигания. Угли разных месторождений и соответственно золы, образующиеся при их сжигании, существенно различаются по составу минеральной части - содержанию и соотношению основных элементов. Они содержат окислы ряда таких элементов, как кремний, алюминий, кальций, железо, магний, натрий, калий, редкоземельные металлы, содержание которых менее 0,1%. Роль редких металлов в современной технике все более возрастает. Редкие металлы в значительной мере определяют развитие таких важных отраслей промышленности, как производство специальных сталей,
твердых и жаропрочных сплавов, электротехники, электровакуумной техники и ряда отраслей новой техники. За последние десятилетия новые металлы вошли в орбиту промышленного использования, возросли масштабы и расширилась номенклатура продуктов производств редких металлов. Присутствие в золах комплексов этих ценных элементов позволяет рентабельно извлекать их при содержании даже более низком, чем в промышленных рудах, что в значительной степени снижает расходы на геологические поиски рудного сырья, разведку месторождений, добычу руды, ее дробление, обогащение, транспортировку. В процессе фракционирования ЗШМ выделяются магнитные микросферы, применяемые в металлурги, приборостроении, радиотехнике и электронике. Себестоимость получения редких металлов из зол на 60% ниже, чем их извлечение из промышленных руд. При этом кроме существенного экономического эффекта решаются многие экологические проблемы.
В настоящее время переработка зольных уносов в промышленности строительных материалов еще не носит массового характера. Количество используемых отходов составляет менее 10%. При современных высокотемпературных режимах сжигания углей находящееся в них железо частично восстанавливается, образуя мелкие сфероидальные выделения. В них свыше 70% железа, легированного марганцем, ванадием, никелем, титаном [5]. Зольные уносы и отходы обогащения могут найти широкое применение для производства некоторых видов цементов, вяжущих веществ, строительных растворов, микронаполнителей асфальтобетонов для аэродромных покрытий, полимерных пленок, стеклокристаллических материалов, для закладки выработанного пространства шахт, борьбы с шахтными пожарами, предотвращения выбросов метана из газообильных шахт и других целей. В Японии доказана целесообразность использования золы каменных углей в качестве наполнителя резины и резиновых изделий. Этот наполнитель повышает предел прочности, сопротивление разрыву и относительному удлинению резины, а также позволяет получать термостойкие высокопрочные пластики. Большая часть исследованных углей относится к категории труднообогатимых. В то же время сжигание таких углей в бытовых и промышленных топках весьма неэффективно. С целью снижения зольности этих углей, отсевов и отходов углеобогащения в разные годы проводились исследовательские и опытно-промышленные работы по их брикетированию с использованием крупнотоннажных углеродсодержащих малозольных отходов и малозольных, малосернистых торфов.
Зольность брикетов (не более 24-25%) соответствует требованиям, предъявляемым к топливу для бытового потребления.
Одним из источников получения скандия может быть зола некоторых каменных углей, в которой на 1 т золы содержится примерно 60-400 г скандия. Обо-
гащенность некоторых углей германием достигает таких размеров, что в ряде стран (Япония, Чехия, Великобритания) он производится преимущественно из продуктов переработки углей или их золы.
Твердые отходы тепловых электростанций - золы и шлаки - близки к металлургическим шлакам. Эти отходы на 80-90% состоят из SiO2, А1203, FеО, Fе20з, СаО, МgO со значительными колебаниями их содержания. Кроме того, в состав этих отходов входят остатки несгоревших частиц топлива (0,5-20%), соединения титана, ванадия, германия, галлия, серы, урана. Химический состав и свойства золошлаковых отходов определяют основные направления их использования.
В настоящее время основное количество золы используется в строительной индустрии (производство цемента, кирпича, изделий из ячеистого бетона, шлакоблоков, легких заполнителей, рубероида, керамзита), в строительстве дамб золошлакоотвалов, строительстве и ремонте дорог. Применение зол и шлаков ТЭС в качестве строительных материалов является наиболее масштабным направлением и может решить проблему дефицита стройматериалов в регионах Российской Федерации. За счет использования отходов экономится до 30% цемента и более половины природных заполнителей, снижается теплопроводность бетонов, снижается масса зданий и сооружений.
Одним из самых золоемких направлений в производстве строительных материалов является изготовление керамического кирпича, камней и блоков. Изготовление строительного кирпича из золы не требует разработки глиняных карьеров, перевозки, многомесячного выдерживания сырья в запасниках. И даже сейчас зола и шлаки используются как сырьевой компонент и в качестве добавки (5-20%) на многих кирпичных заводах. Характерно, что золошлаки системы гидрозолоудаления имеют при изготовлении керамического кирпича преимущество перед сухой золой благодаря равномерному распределению влаги в шихте. На кирпичных заводах за счет использования золы экономится до 20% топлива, повышается качество продукции.
Конкретные направления использования отходов в строительной индустрии определяются в зависимости от фазово-химического состава и свойств золы. Так, зола, содержащая 25-30% окислов алюминия (зола подмосковных, экибастузских, азейских углей), является прекрасным и практически неисчерпаемым сырьем для получения коагулянта на основе оксихло-рида алюминия, необходимого для очистки питьевых и сточных вод и глинозема. Шламы этого производства могут быть использованы для получения цемента и силикатного кирпича.
Технология сжигания угля на ТЭС построена так, что его минеральная часть, расплавляясь, образует золу, в составе которой, как правило, присутствует легкая фракция в виде микросфер, представляющих
собой полые шарики размером от 10 до 500 мкм, наполненные углекислым газом. Этой фракции в золе сравнительно немного - около 2-5%, но свойствами они обладают замечательными: объемная насыпная масса - 100-150 кг/м3. На основе легкой фракции получены кирпичи, стоимость которых почти в два раза меньше стоимости шамотного кирпича. По своим основным характеристикам легкие огнеупорные теплоизоляционные изделия с использованием микросфер с успехом могут заменить традиционный шамотный легковес. Область их применения весьма широка: строительство зданий и сооружений, теплоизоляция в холодильной промышленности, теплозвукоизоляция в судостроении, самолетостроении и других отраслях, где требуется легкий, теплоизоляционный, негорючий материал.
Основная масса используемой части шлаков и зол служит сырьём для производства строительных материалов, Так, золу ТЭС используют для производства искусственных пористых заполнителей - зольного и аглопоритового гравия. При этом для получения аглопоритового гравия используют золу, содержащую не больше 5-10% горючих, а для производства зольного гравия содержание в золе горючих не должно превышать 3%.
Золошлаковые отходы используют в дорожном строительстве. Они служат хорошим сырьём для производства минераловатных изделий. Высокое содержание СаО в золе сланцев и торфа позволяет использовать её для снижения кислотности - известкования почв. Растительная зола широко используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения ввиду значительного содержания калия и фосфора, а также других необходимых растениям макро- и микроэлементов. Отдельные виды золошлаковых отходов обладают свойствами, делающими перспективным их применение в качестве агентов очистки отходящих газов ТЭС и производственных сточных вод.
Возможности использования золы и шлаков ТЭС в производстве сельскохозяйственных продуктов не ограничиваются мелиорацией почв. Ведутся работы по использованию отходов для очистки водоемов и выращивания питательной массы для корма рыбам.
Зола углей содержит практически все металлы, которые можно извлекать. Концентрация Sr, 2п, V, Ge достигает 10 кг на 1 т золы. Содержание урана в золе бурых углей некоторых месторождений может достигать 1 кг/т.
В настоящее время для удаления золы и шлака в отвалы наиболее распространен способ гидроудаления. Пневматические системы удаления золы и шлака применяются крайне редко. Однако влажные золош-лаки, попадая в отвалы-накопители, быстро слеживаются и в значительной степени теряют свои потребительские свойства. По своим физико-химическим свойствам увлажненная зола в большинстве случаев не может быть использована в промышленности строительных материалов. На ТЭС, оборудованных
мокрыми золоулавливателями (скруббер, трубы Вен-тури и др.), необходимо осуществлять сгущение и обезвоживание золы до 10-15% влажности.
При определении роли ТЭС в формировании товарного рынка ЗШМ необходимо исходить из той предпосылки, что большинство их никогда не будет заниматься вопросами утилизации. Как правило, ТЭС не заинтересована в этом, поскольку ее основная задача - выработка тепла и электроэнергии. Помимо того, затраты на транспортирование, складирование и хранение отходов входят в себестоимость производства и оплачиваются потребителями энергоносителей, а реальные экономические стимулы для снижения подобных затрат отсутствуют.
Золы и шлаки, размещенные на золоотвале, как товарный продукт, сами по себе ничего не стоят, по-
скольку расходы на их производство, транспортировку и хранение входят в себестоимость электроэнер-В зольных отходах сконцентрировано большое количество соединений железа, алюминия, хрома, никеля, марганца, редких и рассеянных элементов: ванадия, германия, галлия. Согласно литературным данным при сжигании каменного угля на электростанциях вместе с золой выбрасывается больше металлов, чем их добывается в природе [6]. О необходимости использования зольных отходов опубликовано много работ, большинство из которых посвящено применению их в строительной индустрии. Очень мало работ рассматривает вопросы извлечения ценных микроэлементов [5].
Производство золошлаковых отходов в мире за 2012 год, млн т
гии, вырабатываемой ТЭС. Поэтому цена на них может колебаться от нуля до предела, субъективно установленного владельцем с учетом сложившейся на данный момент конъюнктуры.
Очень серьезная проблема заключается в преодолении сопротивления предприятий, работающих на природном сырье, и поставщиков природного сырья инновационным процессам, связанным с применением ЗШМ в традиционных технологиях.
В России и мире образуется огромное количество золошлаковых отходов (см. рисунок), которые требуют пристального внимания с целью утилизации или переработки для улучшения экологической ситуации в стране и решения производственных проблем с получением определенного вида сырья и материалов.
Важно отметить, что содержание железа в концентрате (см. таблицу) после магнитного обогащения золы и шлака значительно выше, чем в добываемой природной руде.
Содержание некоторых элементов в магнитном концентрате
Наименование компонента Содержание, % Содержание, г/кг (магнитного концентрата)
Рвз04 99,16 991,60
СГ2О3 0,17 1,70
МпО 0,34 3,40
У02 0,33 3,30
С помощью магнитной сепарацией можно извлечь из золошлаковых отходов ТЭС тысячи тонн железного концентрата для металлургической промышленности. Стоимость магнитного концентрата, полученного из золошлаковых отходов ТЭС методом магнитной сепарации, значительно ниже рудного
концентрата, полученного из природного сырья, что положительно скажется на упрощении технологии их получения в производстве, снижении энергозатрат и увеличении использования в металлургической и химической промышленности.
Прежде всего золошлаковые отходы служат заменой песка, применяемого в качестве заполнителя бетонов и строительных растворов. При достаточно высоком содержании извести их можно использовать вместо цемента. По масштабам возможного применения бетоны - главное направление, которое может решить проблему ликвидации золоотвалов путем их полной утилизации. Их можно использовать в качестве заполнителей при производстве «легких» бетонов, а также для тепло- и звукоизоляции.
Строительные материалы - наиболее очевидное, но далеко не единственное направление в утилизации золоотвалов. Зола и шлак могут стать ценным источником металлов. Металлы находятся в угле в составе различных минералов и металлоорганических соединений. При сжигании углей значительная их часть переходит в золу.
Железо в углях содержится главным образом в составе минералов пирита (FeS2) и сидерита ^еС03), при этом также значительная часть может встречаться в форме железоорганических соединений.
В процессе сжигания углей, при довольно высокой температуре - порядка 1500°С, происходит преобразование всех присутствующих соединений в минерал магнетит ^е304). Находясь в расплавленном, распыленном и взвешенном в струе дымовых газов состоянии, капли магнетита приобретают форму шариков. Возможные направления использования маг-нетитовых микрошариков - производство красителей, наполнитель бетонов, способных экранировать электромагнитные излучения, порошковая металлургия, природно-легированные концентраты железной руды [4, 8]. При дефиците воздуха и наличии несгоревших частиц угля в расплавленном шлаке образуется ферросилиций - сплав железа с кремнием. Соотношение между Fe и Si непостоянно, и поэтому химическая формула соединения записывается обычно FexSiy. Это сильный ферромагнетик.
Накопление твердых отходов (шлака и золы) достигло огромных размеров - сотни миллионов тонн, что, в свою очередь, нуждается в значительных земельных площадях для их хранения. Это приводит к нарушению экологической ситуации в регионах и в стране в целом. На данное время в России нет комплексной переработки золошлаковых отходов, лишь незначительное их количество (10-15%) используется в строительной отрасли как компонент при производстве кирпича и дорожного покрытия. Но потенциал золошлаковых отходов намного больше, это предопределено наличием большого количества ценных компонентов, которые содержат шлаки ТЭС (титан, марганец, кобальт, стронций, рубидий, иттрий, ванадий, железо, кремний и др.). При этом их использова-
ние в качестве оксидов внесет огромный вклад в производство промышленной продукции и материалов общего и индивидуального значения.
Диоксид титана можно применять в производстве лакокрасочных материалов, в частности титановых белил, производстве пластмасс и ламинированной бумаги. Диоксид титана может быть использован в производстве резиновых изделий, стекольном производстве (термостойкое и оптическое стекло) как огне-упор (обмазка сварочных электродов и покрытий литейных форм).
Диоксид марганца применяется как катализатор при дегидрогенизации пиперидина, для десульфури-зации металлов, компонент многих керамических материалов.
Оксид кобальта находит применение при изготовлении синих эмалей, для окраски в синий цвет расплавленного стекла, а также в производстве различных солей кобальта, красителей, керамики и керамической глазури, окислителя и катализатора.
Оксид стронция в основном применяется как компонент оксидных катодов вакуумных электронных приборов, стекла кинескопов цветных телевизоров (поглощает рентгеновское излучение), эмалей и глазурей, высокотемпературных сверхпроводников, пиротехнических составов.
Оксид иттрия широко используется в керамической промышленности. Одной из наиболее важных и ответственных областей применения оксида иттрия в качестве жаропрочного огнеупорного материала является производство наиболее долговечных и качественных сталеразливочных стаканов (устройство для дозированного выпуска жидкой стали).
Таким образом, разнообразие методов применения как чистых золошлаковых отходов, так и соединений ценных элементов, которые в них содержатся, позволяет надеяться на последующее перспективное извлечение ванадия, титана, кобальта, стронция, марганца, иттрия, ниобия и других цветных и редких элементов.
Утилизация золошлаковых отходов ТЭЦ позволит расширить минерально-сырьевую базу, а также сократить земельные площади под золоотвалы и улучшить экологическую обстановку в зоне золоотва-лов [7, 8].
С целью дальнейшего продвижения технологии утилизации отходов необходимо выполнить следующие научно-исследовательские и прикладные работы:
• определить основные технологические параметры переработки золошлаковых отходов;
• разработать перспективную технологическую схему переработки золошлаковых отходов для извлечения полезных компонентов и формирование ассортимента экономически перспективных продуктов и материалов;
• выдать техническое задание и исходные данные на проектирование производства переработки золошлаковых отходов;
• осуществить авторский надзор за проектированием и привязкой технологического оборудования для переработки золошлаковых отходов по месту.
Заключение
Причина низкого уровня утилизации твердых отходов переработки углей в России кроется в том, что, во-первых, энергетики не заинтересованы в переработке своих отходов, так как затраты на выбросы и захоронения заложены в себестоимость электроэнергии и теплоносителя или угольного концентрата, их оплачивает население или потребители концентратов. При этом население живет вблизи интенсивного загрязнения, несет на себе тяжесть последствий их влияния на здоровье. Во-вторых, россияне не используют практический опыт зарубежных стран, которые успешно перерабатывают отмеченные отходы на 80100% от их ежегодного выхода. Они смогли организовать производство так, что отходы дают большие прибыли.
Вместе с тем, несмотря на наличие разработанных процессов утилизации топливных золошлаковых отходов, уровень их использования все ещё остается низким по сравнению с имеющимися ресурсами. С другой стороны, современное технологическое использование энергии топлива (по сравнению, например, с его использованием на мощных ТЭС) является малоэффективным. При решении вопросов защиты окружающей среды, в частности от вредного влияния твёрдых и газообразных отходов ТЭС, перспективным может оказаться путь комплексного энерготехнологического использования топлив. Объединение крупных промышленных установок для получения металлов и других технологических продуктов (в частности, химических), а также технологических газов с мощными топками ТЭС может позволить полностью утилизировать как органическую, так и минеральную части топлива, увеличить степень использования тепла, резко сократить расход топлива.
Значительные перспективы в решении задач борьбы с отходами в энергетике и некоторых смежных отраслях обещает детальная отработка трёх наиболее важных способов получения жидких топлив из ископаемых углей: газификации (производства синтез-газа с последующим получением на его основе жидкого топлива), гидрогенизации (насыщение угля
водородом при температурах порядка 500°С и давлениях в несколько сот атмосфер) и пиролиза (высокотемпературное разложение угля в инертной среде).
Что же сдерживает широкое использование ЗШМ в промышленности, строительной индустрии и сельском хозяйстве? В числе главных причин, которые определяют низкий уровень утилизации ЗШМ и сдерживают дальнейшее повышение уровня их использования до среднеевропейского на всей территории России, является отсутствие в стране технической политики и системного подхода при решении указанной проблемы и, следовательно, отсутствие экономической заинтересованности отраслей народного хозяйства.
Список литературы
1. О кондиционировании угольной шихты для коксования / В.Н.Егоров, А.В.Анисимов, Н.А.Тарасов и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2007. №2(18). С.18-24.
2. Исследование флотируемостиуглей с различной минерализацией при использовании нового реагента-собирателя / В.Н. Петухов, А.В. Саблин, А.А. Лавриненко, А.А. Юнаш // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2008. №2(22). С.31-34.
3. Свечникова Н.Ю., Юдина С.В., Мамедалина Н.И. Анализ отходов флотационного обогащения угля // Теория и технология металлургического производства. 2015. №1(16). С.19-22.
4. Кизильштейн Л.Я., Дубов Н.В., Шпицглуз А.Л. Компоненты зол и шлаков ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1995. 176 с.
5. Ксинтарис В.Н., Рекитар Е.А. Использование вторичного сырья и отходов в производстве. М.: Экономика, 1983. 167 с.
6. Соловьев Л.П., Пронин В.А. Утилизация зольных отходов тепловых электростанций // Фундаментальные исследования. 2011. № 3. С. 40-42.
7. Федоров С.А. Экология энергетики. Дубна: Междунар. ун-т природы, общества и человека, 2003. 127 с.
8. Шпирт М.Я. Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. М.: Недра, 1986. 255 с.
Сведения об авторах
Бигеев Вахит Абдрашитович - д-р техн. наук, проф. кафедры МЧМ, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-85-59. Е-mail: v.bigeevl 1 @yandex.ru
Панишев Николай Васильевич - канд. техн. наук, доц. кафедры МЧМ, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-85-73. E-mail: [email protected]
Галиуллина Елена Сергеевна - магистрант 1 курса гр. ММСм-15, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-85-73. E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
PERSPECTIVES OF UTILIZATION OF COAL ENRICHMENT AS WELL AS THERMOELECTRIC PLANTS WASTES
Bigeev Vakhit Abdrashitovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519) 29-85-59. E-mail: v.bigeev! 1 @yandex.ru
Panishev Nikolay Vasilyevich - Ph.D. (Eng.), Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519) 29-85-73. E-mail: [email protected]
Galiullina Elena Sergeevna - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected]
Abstract. Between others utilization of coal enrichment and thermoelectric plants wastes is the key problem in the world. Present day in Russia only 10-15% of those wastes are utilized in industry, but the perspectives of utilization are more wider. Keywords: utilization, tailings, enrichment, slag, ash.
♦ ♦ ♦
