CC BY
117
ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
© Набоко Е.П.*
Карагандинский государственный технический университет,
Казахстан
© Ульева Г .А.**, Чалая О.В.***
Карагандинский государственный индустриальный университет,
Казахстан
В статье рассмотрены основные характеристики техногенных образований: состав, пути образования, особенности и пути использования. Техногенные месторождения представляют собой новый источник минерального сырья, образованный в результате промышленного производства. Подобные месторождения часто обладают необычным минеральным составом и могут служить крупным потенциальным источником.
Ключевые слова: Техногенные образования; доменный шлак; горно-металлургический комплекс; комплексное использование; экосистема; промышленные отходы; утилизация отходов; экологическая безопасность; силикатная продукция; техногенное сырье.
Стремительный прогресс во всех сферах материального производства вынуждает интенсивно эксплуатировать природные ресурсы, оказывая этим существенное влияние на окружающую среду. По данным мировой статистики, потребление минерального сырья повышается такими темпами, что опережает рост численности населения. Для обеспечения материального производства полезными ископаемыми не менее важно более полно и комплексно использовать не только недра и добытое сырье, но и многочисленные отходы. Появившиеся в последние десятилетия техногенные месторождения являются результатом интенсивного развития горнодобывающей и перерабатывающей промышленности. Техногенные месторождения - это скопления минеральных веществ на поверхности земли или в горных выработках, представляющие собой отходы горного, обогатительного, металлургического и других производств и пригодные по количеству и качеству для промышленного использования, которое становится возможным по мере развития технологии его переработки и изменения экономических условий.
* Старший преподаватель кафедра металлургии, материаловедения и нано-технологии», кандидат технических наук.
** Старший преподаватель кафедры металлургии и материаловедения, кандидат технических наук.
*** Начальник учебно-методического отдела, кандидат технических наук.
Для последних десятилетий характерен гигантский рост потребления энергетических и минеральных ресурсов: угля, нефти, газа, рудных и нерудных полезных ископаемых. При этом создается масса отходов, что существенно сказывается на экологическом состоянии отдельных регионов. Кроме того, эти отходы могут быть использованы в будущем, а частью и в настоящее время как дополнительный источник минерального сырья. Суммарное содержание полезных компонентов, которые накапливаются в техногенных месторождениях за 20-30 лет, сопоставимо, а иногда и превышает их количество в ежегодно добываемых рудах.
Особенностями техногенных месторождений являются:
1) расположение в промышленно развитых районах;
2) месторождения находятся на поверхности и материал в них преимущественно раздроблен;
3) количество искусственных минеральных форм, которые образуются в техногенных месторождениях, превышает 30000, что значительно превосходит число известных в настоящее время природных минералов, составляющее около 3300.
Правительство Республики Казахстан подняло проблему комплексного использования сырья на государственный уровень. Большое социальное значение проблемы комплексного использования объясняется как необходимостью охраны недр и рационального использования природных богатств, так и требованиями законодательства Республики Казахстан о защите окружающей среды - воздушного и водного бассейна и земной поверхности [1].
На сегодняшний день в Казахстане накоплено более 20 миллиардов тонн техногенных отходов горно-металлургического комплекса. Их необходимо рассматривать как самостоятельную сырьевую базу металлургии. Вместе с тем, в настоящее время в республике перерабатывается не более 2 % всех накопленных твердых отходов. Это сдерживает повышение эффективности функционирования отрасли, а также не снижает остроту связанных с отходами производства экологических проблем.
Вовлечение в переработку техногенного сырья позволит [2]:
1) сократить расходы на поиски новых и разведку эксплуатируемых месторождений,
2) сохранить истощающиеся минеральные ресурсы в недрах, так как запасов полезных компонентов, накопившихся в отходах, достаточно чтобы удовлетворить потребности на многие десятилетия вперед,
3) повысить производительность труда за счет рентабельной переработки уже добытого сырья, являющегося, по существу, готовым полупродуктом и находящегося вблизи действующих предприятий, что особенно важно для тех предприятий, для которых вследствие истощения сырьевой базы оказываются незагруженными производственные мощности, и высвобождается рабочая сила,
4) улучшить условия труда, так как техногенные месторождения расположены на поверхности земли в отличие от все более глубокозалегаю-щих обычных месторождений полезных ископаемых,
5) производить дешевые строительные материалы (песок, щебень, гравий, цемент, абразивы, материал для отсыпки дорожного полотна, строительства плотин, дамб, и т. д.), а из шлаков - шлаковаты, шлакового литья (брусчатка, тюбинги, плитки, бордюрный камень и т. д.), литого шлакового щебня, стеклокерамических изделий, вяжущих добавок в цемент, минеральных добавок для улучшения почв, удобрений для сельского хозяйства и др.,
6) высвободить занимаемых (отчужденные) земли, рекультивировать их и ликвидировать источники загрязнения окружающей среды, улучшая тем самым экологическую обстановку вокруг действующих предприятий. Это относится к тем техногенным месторождениям, освоение которых сопровождается производством стройматериалов. Если же осуществляется только добыча металлов (цветных, редких и благородных), то из-за низкого их содержания количество техногенных отходов практически не уменьшается.
Известны примеры успешного вовлечения техногенных месторождений в эксплуатацию. Так еще в 70-80-е годы ХХ века Хрустальненский Солнечный, Алмалыкский и Зыряновский комбинаты приступили к ревизии отвалов прошлых лет, добыче и использованию некондиционных руд для получения дополнительной продукции (олова, свинца, цинка и др.). Однако до настоящего времени техногенные месторождения используются в незначительных масштабах. Основной причиной этого является то, что для широкого вовлечения их в переработку требуется строительство практически новых производств, реализующих новые технологические принципы и решения, которые разработаны, как правило, на уровне научных открытий, лабораторных или полупромышленных исследований и редко доведены до промышленного производства. Отсюда высокая капиталоемкость нового строительства и реконструкции с последовательной заменой действующих технологических линий на новые производства.
Переработка и утилизация техногенных отходов важны не только с точки зрения их использования как альтернативного источника сырья, но и с точки зрения охраны окружающей среды. Однако, несмотря на огромный ресурсный потенциал, горнопромышленные отходы используются, в основном, как сырье для стройиндустрии, но и здесь перерабатывается не более 10 % годового объема их образования.
В последние десятилетия наблюдается некоторое снижение содержания металлов в рудах большинства месторождений. Для увеличения производства цветных, редких и драгоценных металлов приходится разрабатывать более сложные в горно-геологическом отношении рудные залежи; вовлекать в переработку труднообогатимые руды с низким содержанием металлов; использовать отвалы длительно хранящихся полупродуктов и отходов
металлургического производства; разрабатывать и внедрять новые технологические процессы; осуществлять многие технические мероприятия для уменьшения потерь руды в недрах и при ее добыче, повышения извлечения металлов при обогащении руд и металлургической переработке концентратов. Еще больший экономический эффект дает организация переработки шлаков, кеков, шламов и других полупродуктов и отходов металлургического производства. В настоящее время наибольший эффект от переработки шлаков получается в свинцово-цинковой и оловянной промышленности, где объемы переработки шлаков из года в год непрерывно увеличиваются.
Разработка техногенных месторождений, представленных отвалами металлургического производства, связана с определенными трудностями из-за сложности состава шлаков и часто значительной неоднородностью отвалов, особенно тех, которые накапливаются при электрометаллургическом производстве ферросплавов.
Запасы металлов в отходах металлургического производства, преимущественно в шлаках, значительны. Шлак представляет собой затвердевший металлургический расплав, который покрывал поверхность жидкого металла. Формируется шлак при плавлении пустой породы, флюсов и т. д. Он является ценным вторичным сырьем и широко применяется в строительстве. Гранулированные шлаки используют для получения шла-копортландцемента, в качестве заполнителя для бетонов, в дорожном строительстве; из шлаковых расплавов вырабатывают минеральную вату, шлаковую пемзу, шлаковое литье.
Среди различных видов промышленных отходов одно из первых мест по объему занимают шлаки, образующиеся при выплавке металла. Химический состав металлургических шлаков зависит от марки выплавляемой стали, состава используемой руды и флюсов. Они содержат от 35 до 47 % оксида кремния, 9-16 % оксида алюминия, 30-50 % оксида кальция, 2-14 % оксида магния, ~ 3 % оксида марганца и до 0,7 % оксида железа. Шлаки цветной металлургии помимо этих веществ содержат оксиды меди, кобальта, никеля, цинка, свинца, кадмия и редких металлов. Металлургические шлаки, образующиеся при выплавке цветных металлов, отличаются по химическому составу и свойствам. Ежегодно в цветной металлургии образуется до 10 миллионов тонн шлаков, уровень использования которых не превышает 15 %. В шлаках медной промышленности содержится от 0,3 до 1,1 % меди, около 5 % цинка, свинец, золото, серебро и другие ценные металлы.
Средний уровень использования промышленных отходов по стране равен всего лишь 53 %. Доля использования отходов производства в качестве вторичного сырья не превышает 11 %. В настоящее время в большинстве высокоразвитых стран использование силикатной продукции металлургических предприятий достигает 90 %. В строительной индустрии используются главным образом их вяжущие свойства.
Способов извлечения металла из жидких шлаков, опробованных в промышленных условиях, нет, поэтому металл на предприятиях извлекается только из твердых шлаков при первичной переработке их в шлаковых отделениях и при вторичной - на дробильно-сортировочных установках. Переработка жидких шлаков с точки зрения возможности максимального извлечения металла имеет неоспоримые преимущества перед технологией переработки твердых шлаков.
Экологическая безопасность производства определятся сочетанием многих факторов. Прежде всего, это количество и токсичность отходов производства, их физическое состояние, химический состав и наличие экотокси-кантов. Техногенные отходы металлургии часто содержат элементы, опасные для человека и экосистемы. Это мышьяк, сера, фосфор, тяжелые цветные металлы - цинк, свинец, кадмий. Экологическая опасность таких отходов резко возрастает из-за их дисперсности. Наибольшую угрозу представляют пыли и шламы, которые рассеиваются ветром при хранении. Малые размеры частиц способствуют переходу элементов в водорастворимые соединения. Вредные вещества и ионы тяжелых металлов попадают в воду и почву. Очень токсичны пыли электросталеплавильных печей, в которых также содержатся хлор и фтор (в США плата за их хранение составляет десятки долларов за 1 т). Концентрация вредных компонентов в пылях и шламах в десятки и сотни раз больше, чем в шлаках, что связано с летучестью многих примесей. Поэтому уже простой перевод пыли в компактное состояние (спекание, сплавление) дает значительный экологический эффект. Вредные примеси содержатся и в шлаках цветной металлургии, однако здесь они находятся в компактном состоянии шлакового монолита, что существенно снижает экологическую опасность. Таким образом, отходы металлургии включают и высокотоксичные материалы (пыли), и относительно инертные (доменные шлаки). К этому добавляется тот факт, что складирование сотен миллионов тонн отходов требует отторжения больших площадей.
Главными факторами, определяющими возможность экологически безопасной утилизации отходов, являются их физическое состояние и химический состав. Можно выделить три подхода к утилизации отходов: прямое использование, переработка с извлечением полезных компонентов, уничтожение. Наиболее рациональны первые два, но не все отходы можно переработать. Несмотря на наличие полезных компонентов, на настоящем этапе может не существовать эффективных технологий их извлечения. Такие отходы дешевле и безопаснее уничтожить.
Прямое использование - наиболее простой и эффективный путь утилизации отходов, предполагающий минимальные затраты на их переработку. Этот путь рационален, если отходы экологически безопасны и не содержат извлекаемых компонентов или, наоборот, в них преобладает полезный компонент, как в скрапе. Без какой-либо подготовки, кроме сорти-
ровки по составу, его используют при выплавке стали. Аналогично используют окалину (в качестве добавки при выплавке стали, производстве агломерата). Так же примером отходов первого типа может служить доменный шлак. Он не содержит извлекаемых компонентов и экологически безопасен. Его выход составляет более 150 млн. т в год. Существующие технологии переработки даже позволяют утверждать, что доменный шлак - это не отход, а промышленное сырье, которое в индустриально развитых странах используется практически полностью. Его наиболее крупными потребителями являются цементная промышленность (в Японии - 70 % доменного шлака, в Германии - 55 %) и дорожное строительство (в Японии - 20 %, в Германии - 40 %).
Основные составляющие доменного шлака - кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 95 % всего состава шлака. Остальные 15 % - марганец, соединения железа и серы и следовое количество других элементов. Однако следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав шлака не встречаются в свободной форме. В доменном шлаке, охлажденном воздухом, оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как мелилит, мервинит, волла-стонит и др., которые также существуют в виде природных пород. В дробленом и молотом шлаке данные элементы присутствуют в виде стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и смешивается.
Типичный химический состав доменного шлака: кварц (БЮ2) 32-42 %, оксид алюминия (А1203) 7-16 %, оксид кальция (СаО) 32-45 %, окись магния (Mg0) 5-15 %, сера (Б) (в основном в виде сульфида кальция) 1-2 %, оксид железа (Ре203) 1-1,5 %, оксид марганца (МпО) 0,2-1,0 %. Физические характеристики шлака, такие как вес, размер частиц, структурные свойства и т. д. различаются в зависимости от метода обработки расплавленного шлака. Соответственно, конечное применение обработанного шлака также различается в зависимости от метода обработки.
Основу шлака составляют СаО и БЮ2. При кристаллизации расплава образуется двухкальциевый силикат 2Са0 8Ю2, который при охлаждении претерпевает полиморфное превращение, сопровождающееся увеличением объема. Это вызывает саморассыпаемость шлака. Предотвращение са-морассыпаемости достигается увеличением скорости охлаждения расплава при его грануляции, например, распылением в воду. Гранулированный шлак имеет много преимуществ, и его производство непрерывно увеличивается (в странах ЕС гранулируют до 70 % шлака). При определенных составах и большой скорости охлаждения шлак затвердевает без кристаллизации и приобретает стекловидную аморфную структуру. Из шлака делают отливки (каменное литье), производят техническое стекло и стеклова-
ту. Большое содержание железа в сталеплавильных шлаках (до 20 %) затрудняет их использование в цементной промышленности. Основное применение - изготовление щебня для дорог.
В результате деятельности предприятий горно-металлургического комплекса на территории Казахстана скопилось более 20 млрд. т промышленных отходов при ежегодном поступлении около 1 млрд. т, в том числе 230 миллионов тонн радиоактивных; 95 % от общего объема добываемой руды попадает в отходы, зачастую чрезвычайно токсичные и размещенные в неприспособленных для хранения местах. Имеющаяся статистика отмечает рост токсичных отходов. За последние четыре года их ежегодное образование возросло с 92 до 150 миллионов тонн.
Основные принципы комплексного использования техногенных отходов заключаются в следующем:
- управление материальными и энергетическими потоками между компонентами техноэкосистемы и окружающей средой должно быть организовано таким образом, чтобы количество транспортируемых материалов и энергии, а, следовательно, и количество образующихся отходов, постоянно снижалось, приближаясь к минимально необходимому для каждого конкретного технологического процесса;
- образующееся в результате производственных процессов минимально возможное количество отходов подвергается рециклингу в своей техноэкосистеме, обеспечивая ее максимальную замкнутость, или при невозможности этого в соседних техноэкосистемах, включая их в материальный и энергетический круговорот в биосфере;
- выводимые из техноэкосистемы отходы перед попаданием в природные экосистемы должны быть переведены в привычную для данных экосистем форму;
- размещение отходов техноэкосистем в природных экосистемах должно быть организовано таким образом, чтобы не нарушать существующее динамическое равновесие экосистем.
В мировой практике нет единого направления в применении шлаков, что объясняется специфическими условиями каждой страны. Организация переработки шлаков по странам неодинакова. В Великобритании и Германии шлаковую продукцию получают непосредственно на металлургических заводах, в других странах шлак в жидком состоянии или частично обработанный передают подрядным организациям - компаниям по производству строительных материалов и специальным фирмам. Так в США шлак перерабатывают 36 компаний, которым принадлежит 18 установок по производству пемзы, 17 - по получению гранулированного шлака, 39 -по изготовлению воздушноохлажденного шлака.
Доменные, сталеплавильные и ферросплавные шлаки являются ценным сырьем для производства широкого ассортимента материалов для
промышленности, жилищного и дорожного строительства, а также для применения в качестве удобрений в сельском хозяйстве. Продукция, получаемая из шлаков, по своим физико-механическим свойствам не только не уступает, но в ряде случаев и превосходит качество заменяемых ею природных материалов. За последние годы спрос на продукцию, изготовленную из металлургических шлаков, начал опережать ее производство.
Известно, что до 80-85 % энергоносителей в промышленно развитых странах расходуется при эксплуатации промышленных печей, термического и энергетического оборудования. Поэтому в настоящее время задача экономии энергоресурсов, особенно, в энергоемких отраслях промышленности: металлургии, машиностроении, химической промышленности, на предприятиях, производящих строительные материалы, в энергетике стоит необычайно остро и актуально. Одним из комплексных направлений решения задачи энергосбережения, позволяющего существенно снизить энергопотребление при эксплуатации парка печей и термического оборудования, является использование высокотемпературного «бросового» тепла отходов черной металлургии, в том числе металлургических.
Выход доменного шлака, его состав и свойства зависят от химического и минералогического состава пустой породы железных руд, золы кокса, содержания серы в шихте, характера процесса восстановления и теплового состояния печи, а также от марки выплавляемого чугуна. При производстве чугунов определенного вида и постоянстве состава сырья для данного завода, а также при ровном ходе печи химический состав шлака остается сравнительно стабильным. Большинство доменных шлаков характеризуется основностью (СаО/БЮг) в пределах 1,0-1,2 % и содержанием Mg0 и А12О 3 соответственно 3-20 % и 5-15 %; содержанием Б 0,5-3 %; содержанием Бе 0,1-1 % и МпО 0,2-3 %. В жидких шлаках содержится некоторое количество растворенных газов. Температура шлака при выходе из доменной печи составляет 1450-1550 оС.
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что проще всего перерабатывать жидкие доменные шлаки на литой щебень. Этот материал применяется для изготовления минеральной ваты, но при отсутствии в нем металлических и посторонних включений. Качество щебня зависит от способа его производства, за счет управления скоростью охлаждения шлакового расплава из него можно получать литой щебень высокого качества. Наиболее эффективно производство литого щебня траншейным способом, который обеспечивает однородность и прочность материала.
Получение шлакового щебня из ковшевых остатков является технологическим завершением полного использования шлака. Количество щебня, получаемого при этом способе производства, зависит в основном от времени пребывания расплава в ковше и, как правило, составляет 25-30 % от общего количества шлака, поступающего на переработку. Этот щебень по ка-
честву несколько уступает литому, но на большинстве заводов он также отвечает требованиям ГОСТ на щебень из доменного шлака для бетона [3].
Доменные жидкие шлаки являются ценным сырьем для изготовления легкого пористого заполнителя - шлаковой пемзы. Шлак перерабатывается на шлаковую пемзу четырьмя способами: траншейно-брызгальный, водоструйный, производство пемзы в опрокидном бассейне, гидроэкранный. Существующие ранее способы изготовления шлаковой пемзы: ямный, в стационарном бассейне, на центробежных машинах, на каскадных лотках -оказывались либо экономически неэффективными, либо технологически несовершенными.
Шлаковое литье является эффективным искусственным кристаллическим материалом, формируемым из расплава с последующей кристаллизацией и термообработкой. Изделия из шлакового литья обладают рядом ценных свойств: высокой абразивной и химической стойкостью, механической прочностью, жаропрочностью и малым водопоглощением. Для производства литья пригодны кислые и нейтральные доменные шлаки.
Шлаковое литье частично может заменять каменное, потребность в котором очень велика. Так как шлаковое литье обладает крупнокристаллической и неравномерной структурой, что ухудшает его физико-механические характеристики, из него рекомендуется отливать изделия небольших размеров и простые по конфигурации. Наиболее перспективным направлением получения литых фасонных изделий на базе доменных шлаков является производство шлакоситаллов.
Цементная промышленность является наиболее крупным потребителем доменного гранулированного шлака, который используется как активная минеральная добавка при производстве шлакопортландцемента и в меньшей мере как сырьевой компонент при производстве цементного клинкера, при этом экономится топливо и минеральное сырье, добываемое в карьерах. Обладая высокой гидравлической активностью, гранулированный шлак служит ценной минеральной добавкой к портландцементу и многих другим видам цементов и является одним из основных компонентов шлакопортландцемента. Из бетонов на основе шлакопортландце-мента возводятся массивные наземные и подводные сооружения, взлетно-посадочные площадки аэродромов и автомобильные дороги. Шлакопорт-ландцемент является самым дешевым и наиболее доступным вяжущим веществом для изготовления жаростойких бетонов, при его применении отпадает потребность в молотом шамоте, упрощается и удешевляется приготовление жаростойкого бетона, улучшаются его качества [4].
Доменные гранулированные шлаки используются для изготовления малоклинкерных вяжущих веществ, строительных растворов и бетонов бесклинкерного цемента, водостойкого гипсобетона, блоков неавтоклавного газошлакобетона, крупных стеновых панелей из автоклавного бес-
клинкерного газошлакобетона, сборных несущих железобетонных конструкций на известковом вяжущем веществе.
Рост промышленного производства, увеличение энергозатрат, увеличение добычи полезных ископаемых и энергоресурсов, увеличение населения планеты, увеличение необработанных отходов, изменяет состояние окружающей среды. Высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха городов и промышленных центров может привести к потеплению климата нарушению озонового слоя, выпадению кислотных дождей и загрязнению природных сред за счет антропогенного распространения диоксида серы и оксидов азота, фотохимическому смогу. Казахстан, являясь полноправным участником мирового сообщества, и культурным, экономическим мостом между Европой и Азией, также играет особую роль в обеспечении экологической стабильности Евразийского континента.
Техногенные месторождения представляют собой новый источник минерального сырья, образованный в результате промышленного производства. Подобные месторождения часто обладают необычным минеральным составом и могут служить крупным потенциальным источником разнообразных полезных компонентов, в частности редкоземельных и благородных металлов. В настоящее время идет их детальное изучение с применением современных аналитических методов и созданием информационно-аналитической базы данных.
Список литературы
1. Концепция экологической безопасности Республики Казахстан на 20042015 годы от 3 декабря 2003 года.
2. Комплексное использование минерального сырья : уч. пос. / сост. С.Ж. Кен-беилова, А.Ж. Таскарина. - Павлодар, 2008. - 80 с.
3. Муканов, Д. Инновационное развитие металлургического комплекса республики Казахстан : науч. журн. «Промышленность Казахстана» / Д.Муканов. - Алматы, 2014. -№ 1(28).
4. Абдулива, А.А. Техногенное минеральное сырье рудных месторождений Казахстана / под ред. проф. А.А. Абдулива. - Алматы : Институт геологических наук, 2002. - 122 с.
