CC BY
63
ЗИБОРОВ АП., БОР ДИЙ А П., ДЕНИСЕНКО А И., НИПИОкеанмаш ФРАНЧУ К В.П., ШЛОМИН АН.
ГГАУ
Разработка рациональной и экологически безопасной технологии очистки /
шламовых отстойников угольных шахт
Шламовые отстойники и отстойники для осветления шахтных вод технологически связаны с добычей угля подземным способом. Это определяется наличием в шахтных водах взвешенных и растворенных веществ больше предельно допустимых норм (ПДК), что не позволяет сбрасывать их в открытые и закрытые водоемы. Благодаря простоте устройства и эксплуатации, отсутствию энергопотребления, отстойники и осветлители получили широкое распространение на шахтах Донбасса. Отстойников же и шламонакопителей значительное количество. Так, на промплощад-ках объединения «Октябрьуголь» имеется более 20 прудов-отстойников и шламонакопителей, в которые более 10 лет сбрасываются шахтные воды, содержащие достаточно большое количество угля и вмещающих пород. Такое же положение и в других производственных объединениях. Накопление шламов приводит к необходимости увеличения объемов отстойников и занимаемой ими территории, которая исключается из хозяйственного пользования.А также приводит к потерям добытого и поднятого на поверхность угля, к сбросу в водоемы недостаточно очищенных вод. Разработка экологически безопасных технологии по эксплуатации отстойников и шламонакопителей и использованию шламов требует рассмотрения вопросов их неблагоприятного влияния на окружающую среду. Источниками неблагоприятного влияния на окружающую среду, сопрово-ждающи-ми добычу угля подземным способом являются:
• большие объемы грунта, вынимаемые из недр земли и частично складируемые на поверхности в виде отвалов,
хвостохранилищ и шламов в отстойниках;
• наличие в вынимаемых грунтах вредных веществ в том числе тяжелых металлов, радиоактивных элементов и
др.;
• подъем на поверхность минерализированных подземных вод и сброс ее в естественные надземные водоемы и реки.
Это приводит к следующим неблагоприятным последствиям:
• изымаются из хозяйственного пользования значительные площади земли в т.ч. под отвалы, отстойники, хвосто- и шламохранилища;
■ загрязняются водоемы и реки, нарушается речная флора, фауна и как следствие, страдает рыбное хозяйство, в том числе морское;
• за1рязнение водоемов приводит к увеличению затрат на очистку воды на питьевое и техническое водоснабжение;
• ветровая эрозия осушенных хвостохранилищ и отвалов приводит к загрязнению атмосферы.
Все вместе приводит к глобальным изменениям экологической обстановки в регионах, повышению заболеваемости, увеличению расходов на лечение и оздоровление, сокращению продолжительности жизни населения, потерям рабочего времени по болезни и увеличению выплат по больничным листам.
Существенно упрощенная схема взаимодействия шахтного производства с окружающей средой, которая дополняет ска-
занное приведена на рис.1, воздействие по отдельным элементам биосферы — в табл.1.
а т •/*✓«? с фэа/эа
Рис. 1 Схема взаимодействия шахтного производства с окружающей средой
Таблица 1
Воздействие шахтного производства на элементы биосферы
ЭЛЕМЕНТЫ БИОСФЕРЫ ВОЗДЕЙСТВИЕ 1 РЕЗУЛЬТАТЫ
ВОДНЫЙ БАССЕЙН:
ПОДЗЕМНЫЙ Осушение месторождения Уменьшение запасав подземных, грунтовых и поверхностных вод, нарушение гидрологического режима
ПОВЕРХНОСТНЫЙ Сброс сточных и дренажных вод, водозабор для нужд предприятия Загрязнение водного бассейна сбрасываемыми водами, изменение качественных характеристик поверхностных вод, отчуждение площадей для очистки (ос> нетления) дренажных вод
ЗЕМЛЯ Сооружение отвалов и шламо-, водо-, хвостохра нил ищ Деформация земной поверхности, нарушение почвенного покрова, сокращение площади продуктивных угодий, изменение объема территории, эрозионные процессы
ФЛОРА И ФАУНА Нарушение почвенного покрова, изменение состояния водного бассейна, за-пыление и загазовывание атмосферы Ухудшение условий обитания степной и водной фауны, снижение продуктивности хозяйства
ВОЗДУХ Выбросы в атмосферу пыли и газов Загрязнение атмосферы
Следует отметить, что в проблеме охраны окружающей среды от вредного воздействия горного производства еще много нерешенных вопросов и настоящее время характеризуется усиливающейся тенденцией государственного управления проблемой. Это прявляется в ужесточении требований по охране окружающей среды и восстановлению земель, нарушенных гор-
ными работами. Требования предъявляются к горнодобывающим предприятиям и за невыполнеие их приходиться платить значительные штрафы. К сожалению полученные за счет штрафов средства очень редко поступают на осуществление меро-пиятий по улучшению экологической ситуации, как это было задумано.
В рамках данной работы невозможно выполнить соответствующие выкладки и показать, что затраты на улучшение экологии весьма оправданы. Это большая и трудоемкая работа, связанная со сбором и обработкой больших объемов статистических материалов. Более того, проведение.^ такой работы нецелесообразно, поскольку подобные исследования, выполненные западными и североамериканскими специалистами убедительно показали, что окупаемость затарат на экологию составляет 1:5 -1:10. Причем, для таких густонаселенных районов, как Донецкий промышленный регион, более вероятно последнее соотношение. Экономия на эколонических мероприятиях в рамках страны и народа является экономическим бескультурьем и преступлением перед согражданами и своими детьми.
Отстойники и жламонакопители отличаются разнообразием по устройству, условиям размещения и эксплуатации, геометрии и др.
По устройству отстойники можно разделить на следующие группы: естественные водоемы, искусственно созданные водоемы, специальные сооружения. В первом случае использовались существовавшие естественные закрытые водоемы с минимальной реконструкцией. Во втором -такие водоемы организовывались специально, например, путем сооружения дамб в оврагах или приспособления других особенностей рельефа. При этом, вопросам эксплуатации таких сооружений, как отстойников, уделялось недостаточно внимания.
К третьей группе относятся сооружения, которые в большей или меньшей степени приспособлены для эксплуатации. Например, бетонированные отстойники с размерами, позволяющими использовать для их очистки строительно-дорожную технику. К первым двум относятся большинство (порядка 90%) сооружений для отчистки шахтных вод.
Шахтные отстойники и шламонакопи-тели представляют собой водоемы, как правило, заполненные минерализованной водой, в донных осадках которой содер-
жится угольный шлам, глина, могут быть в небольших количествах другие минералы, в том числе пригодные для промышленного использования, нефтепродукты, остатки растительного происхождения. Для оценки степени влияния конкретного водоема на окружающую среду необходимо знать:
• химический состав минерализованных вод, сбрасываемых в отстойники и их расход;
• химический состав взвешенных частиц, находящихся в сбрасываемой воде;
• химический состав шламов, накопленных в отстойниках.
В настоящей работе приведены результаты исследований, направленные в первую очередь на определение экономической целесообразности и технической возможности извлечения из шламов горючего (угольного) компонента. Вместе с тем, с целью определения целесообразности и направления развития работ выполнен более глубокий анализ взятых проб.
Для предварительной оценки шламов отстойников ПО «Октябрьушль» были отработаны пробы массой 3-5 кг каждая. Определен их гранулометрический и химический составы и содержание горючего компонента. Пробы отбирались в 2 м от берега вблизи слива в отстойник, в центральной части и в конце отстойника.
Предварительные исследования 15 проб шламов шахтных отстойников позволили установить, что зольность продуктов, отобранных в различных местах отстойников изменяется от 31,7% до 90,4%. Это определено процессом гидравлической кла-ссифи-кации, которая протекает в отстойнике. Зерна (частицы), имеющие большую гидравлическую крупность (предположительно угольные частицы) выделяются из потока (гидровзвеси) в начале отстойника, а тонко-диспергированные глинистые частицы - в середине и в конце отстойника.
Содержание серы в пробах шламов составило 0,1-2,14 %, Р2О5 — 0,148-0,249 %.
Представленные пробы были подвергнуты ситовому анализу по узким классам
крупности, а именно: +5; -5+3; -3+2; -2+1; -1+0,5; -0,5+0,25; -0,25+0; 1 и -0,1 мм. В узких классах крупности определялось содержание золы. В малозольнистых пробах, например, содержание золы составляет 37,6; 36,8; 40,3; 34,5; 27,6; 36,6%, в узких классах крупности ( от 5 до 0,1 мм) концентрируются угольные частицы, их золь-ность находится в пределах 4-38 %, а в классах крупности менне 0,1 мм — более 45 %.
В высокозольных шламах (от 65,4% до 90,4%) в узкие классы крупности низкозольные продукты не выделяются. Это свидетельствует, что в пробах шламов содержатся в основном глинистые составля-ющие.Таким образом, утилизация шламов отстойников в виде угольного энергетического (а может быть и для коксования) шлама целесообразна.
С целью более надежной оценки качества шламов, разработки более полной технологии и ее аппаратурного оформления необходимо осуществить картирование хранилища (отстойника). Вместе с тем, используя разработанный принцип предварительного обогащения росыпных месторождений полезного ископаемого, подвергнутого естественной классификации по гидравлической крупности, предлагается упрощенная технологическая схема с ап-
паратным обеспечением, которое можно расположить на плавсредствах. Нарис. 2,3 и 4 приведены схемы цепи отстойников шламов шахтных отстойников.
Согласно варианту 1 (ряс. 2) подре-шетные продукты грохота сгущаются в гидроциклонах. Сгущенный продукт гидроциклонов обезвоживается на ленточных вакуумфильтрах или прессфильтрах, осадок которых смешивается с высокозольной крупной породой и складируется в плоские отвалы, овраги и т.п. Если же отстойники шахт расположены вблизи обогатительной фабрики, эта твердая фаза (осадок вакуум-или прессфилыра) смешивается с породой тяжелосредних сепараторов и отсадочных машин с последующим складированием в отвалах обогатительных фабрик. При наличии технологий и возможностей утилизации твердая фаза отстойников может быть использована для приготовления строительных материалов.
Сливные продукты гидроциклонов, фильтрат вакуумфильтров или прессфиль-тров сіущаются с добавлением флокулян-тов, сгущеный продукт обезвоживается на тех же фильтрах, а осветленная вода используется по назначению.
Рис. 2 Схемы цепи аппаратов обработки шламов шахтных отстойников, вариант 1: 1-отстойник N>1; 2-отстойники; 3-эем-снаряд; 4-гидроциклон; 5-грохот двухситный; 6-гидроциклон; 7-сборник с насосом; 8-ленточный вакуумфильтр; 9-првссфильтр; 10-сгуститель
Вариант. 2 (рис 3). Подрешетные продукты сгущаются в осадительных или осади тел ьно-фильтрующих цеятрифу гах. Сгущенный (обезвоженный) продукт (твердая фаза) смешивается с твердыми фазами породы отстойников или обогатительной фабрики с последующим складированием по той же технологии, что и но варианту 1. Сливной продукт центрифуг сгущается с добавлением коагулянта в одной из секций отстойника, сливной продукт отстойников (осветленная вода) используется по назначению. Обработка сливных продуктов центрифуг по этому варианту возможна при наличии двух- или трехсекционных отстойников.
В этом случае один отстойник загружается сливными продуктами центрифуг, а второй, после прекращения подачи исходного продукта, уплотнения коагулированного осадка и удаления воды через специальное устройство, освобождается грейферным краном; обезвоженная (уплотненная) тонкодисперсная фаза смешивается с крупной породой и складируется совместно со спущенным продуктом центрифуг. С целью оолее интенсивного сгущения (обезвоживания) твердой фазы в осадительных
или осадительно-фильтрующих центрифугах можно подавать флохулянты в исходный продукт центрифуг.
В этом случае можно использовать опыт эксплуатации центробежно-флокул-яционной установки Октябрьской ЦОФ (г.Белецкое) и Дзержинской ЦОФ (г.Дзержинск). На установках этих фабрик обрабатываются отходы флотационных отделений (отходы флотации) с использованием в качестве флокулянта полиакриламида (ПАА) и осадительных центрифуг типа УЦМ-1. Предварительное сгущение отходов флотации осуществляется в радиальном сгустителе.
Если же подрешетные продукты грохотов имеют большую степень разжиженности, то тогда предварительное сгущение можно осуществлять в гидроциклонах, полочных сгустителях и других компактных машинах и аппаратах, т.к. радиальные сгустители представляют собой достаточно большие сооружения.
Если же порода отстойников или обогатительных фабрик утилизируется, то технология обработки крупнозернистой и тонкодисперсной фаз та же.
Рис. 3 Схема цепи аппаратов обработки шламов шахтных отстойников. Вариант 2: 1- шахтный отстойник; 2-отстойник для осветления воды; 3-грохот для обработки высокозольного продукта; 4-грохот для выделения угольного шлама; 5-осадительная центрифуга.
Вариант 3 (рис.4). при одновременной выемке малозольных угольных и тонко-дисперсных глинистых шламов из различных карт хранилища (отстойника) наиболее целесообразно продукты на грохоты (или гидроциклоны) подавать раздельно с целью удаления крупной породы (надре-
шетные продукты верхних сит грохотов) . После выделения угольного шлама на одном из грохотов (надрешетный продукт нажнего сита грохота) подрешетные продукты грохотов обработываются совместно по вариантам 1 или 2.
Рис. 4 Схема цели аппаратов обработки шламов шахтных отстойников. Вариант 3: 1-отстойник №1; 2-отстойник №2; 3-
земснаряд 0-500м/час; 4-гидроциклон 0-1000 мм; 5-грохот трехситный; 5-гидроциклон 0-600 мм; 7 и 8- сборники с насосами; 9-заборное устройство
Технология по варианту 2 более рациональная, не требует установок для получения вакуума или сжатого воздуха, применения более сложного оборудования (вакуумфильтров, прессфильтров, вакуумных насосов, воздуходувок и др.).
Высокозольный надрешетный продукт второго сита грохота смешивается с надре-шетным продуктом верхних сит грохотов и складируется. На рисунках пунктирные линии означают возможные варианты технологии и оборудования для обработки продуктов, а также возможные способы утилизации при переработке шламов и высокозольных продуктов хранилищ (отстойников) шахт.
Учитывая целесообразность поэжтап-ной отработки технологии по использованию отстойников на первом этапе, когда предполагается извлечение только угольного компонента, могут быть предложены следующие схемы отработки отстойников (рис. 5).
Общая часть отработки включает в себя следующие операции и средства: выемка
шлама из отстойника с помощью малогабо-ритного земснаряда специальной конструкции с учетом картирования отстойника; разделение на фракции с помощью технологического комплекса гидроциклон-грохота; получение горючего продукта — высокозольного и низкозольного; получение твердого надрешетного продукта и мелкодисперсной фракции в виде пульпы.
Дальнейшие операции по использованию негорючих компонентов могут быть следующими.
1. Надрешетный твердый продукт направлять в отвал, мелкодисперсную фракцию в виде пульпы отправлять в отстойник в выходную его часть, где находятся без-угольные компоненты. В дальнейшем, по мере заполнения части отстойника без-угольным компонентом возможна его рекультивация с нанесением поверх глины плодородной фракции или восстановлению отстойника с помощью грейфера (в том числе и плавучего) или ковшовых землеройных машин.
2. Надрешетный продукт направляется
в отвал. Мелкодисперсная фракция нап-рав-ляется в специально подготовленные на берегу отстойника карты обезвоживания, после чего грузятся на транспортные средства и также направляются в отвал. Карты могут быть организованы путем обваловки их землей или, что лучше, материалом типа гравия, песка с организацией преимущественного стока жидкой фазы в отстойник.
3. Материал как надрешетньш, так и подрешешый после его обезвоживания по схеме (рис.5) может использоваться для засыпки оврагов с последующим нанесе-
Зел/снарлд
нием плодородного слоя или без него. Для нанесения плодородного слоя НИПИОке-анмаш может предложить навесное оборудование для любого типа самосвалов производства СНГ. Оборудование позволяет наносить плодородный слой заданной толщины в процессе разгрузки самосвалов. В случае отсутствия операции нанесения плодородного слоя, для предотвращения размывания и восстановления оврага, целесообразно укрепление нанесенного слоя путем посадки соответствующей растительности.
го
( ъу/гьпа)
Рис. 5 Схема отработки продуктов шахтных отстойников на
Одновременно с очисткой отстойников от шламов возможно проведение очистки отстойников от нефтепродуктов. Для осуществления этой операции в институте НИПИОкеанмаш разработана установка для выделения нефтепродуктов из воды производительностью по грязной воде 10 м/ч при содержании нефте продуктов в исходной воде до 100 кг/м. Установка имеет модульную конструкцию, масса одного модуля — 1,5 т. Модули могут набираться параллельно, что приводит к повышению производительности. Для повышения степени очистки применяется последовательная установка модулей.
первом этапе
Рассмотрим более подробно схему цепи аппаратов установки по очистке шахтных отстойников представленную на рис.4.
Земснаряд располагается в выбранном районе отстойника №1. От земснаряда с объемным расходом 500 м/ч (данные ориентировочные и будут уточнены в процессе проектирования установки) пульпа подается в гидроциклон диаметром 1000 мм, где выделяется тонкодисперсный продукт в слив, который направляется в отстойник (секцию) N62. Песковый продукт этого гидроциклона направляется на грохот для разделения на классы крупности +3; -3+1; -1-К),3; мм.
<Ш>
Надрешетньш продукт грохота +3 (+5) мм (скарп) может быть направлен в отвал, малозольные классы крупности угольного шлама -3+1 и -1-Ю,3 мм могут быть использованы отдельно или в смеси как энергетическое топливо. Раздельное использование угольного шлама более рационально, т.к. их отпускная цена будет выше.
Подрешетный продукт грохота поступает в зумпф и насосом подается для дальнейшей переработки в гидроциклон диаметром 500 мм, сливной продукт которого, представленный тонкодисперсной глиной, совместно со сливом гидроциклона 1000 мм направляется в конец отстойника №2, а песковый (крупный) продукт — в отстойник №1 с целью замыкания цикла (предположительно этот продукт содержит тонкодисперсный угольный шлам) или на переработку другими методами (например, флотацией).
Глинистая составляющая отстойников может быть утилизированна для приготовления строительных материалов. Предложения по таким технологиям имеются. Утилизация глинистой составляющей позволит более рационально использовать минеральное сырье, увеличить срок службы хранилищ без дополнительных отводов земли для отстойников, увеличить объем реализации продукции, уменьшить капитальные затраты. Для более полной оценки предложения по комплексному использованию продуктов отстойников требуется проведение экономического анализа.
Разработку технологии и оборудования целесообразно осуществлять поэтапно. Вначале рационально восстановить эффективность отстойников, извлечение и реализацию угольных шламов. Ввиду селективности осаждения шламов можно воспользоваться достаточно простыми аппаратами. На втором этапе решаются вопросы комплексного использования шламов и улучшения состояния окружающей среды.
После анализа условий применения определены требования и средства реализации технологии для извлечения из шламов горючего компонента. Простота оборудования и его относительно малая масса обеспечивают мобильность установки и
возможность размещения на берегу отстойника. Это может быть малогабаритный земснаряд, разработанный в институте НИПИОкеанмаш; виброгрохоты и гидро-циклоны, серийно выпускаются промышленностью.
В технологичекой схеме работ по первому этапу (рис. 6а) надрешетньш материал, представленный в основном продуктами растительного происхождения и крупными (более 1мм) зернами, может быть легко разделен и использован для сжигания, минеральная часть в качестве заполнителя. При технологической схеме процесса по второму этапу (рис. 6б) дополнительно к первой схеме предусмотрено выделение из воды нефтепродуктов, ценных компонентов и использования их в качестве сырья для специальных производств, например, для получения редких металлов. Тонкодисперсные продукты могут вовлекаться в производство строительных материалов различного назначения.
После извлечения угля высокозольные крупные, мелкие и тонко дисперсные продукты мо1ут быть использованы в строительстве дорог, ограждающих дамб, хранилищ отходов производства шлакоблоков, красного (обожженного) кирпича, в качестве заполнителя бетонов, при изготовлении цементов, стеновых керамических материалов, при производстве стеновых изделий, низконапорных труб, пористых керамических изделий, аглопарита и др.
Как следует из изложенного, при реализации технологии выемки и обработки шламов шахтных отстойников может быть применено, в основном, серийное оборудование или опытнопромышленные образцы известного оборудования, доведенного для работы при очистке отстойников. Вовлечение в хозяйственный оборот технических отходов — важная экономическая, технологическая, техническая и экологическая задача, которая имеет как минимум отраслевое значение.
С2-,
Выделение *ор*с<*е9о
‘¿¿2^7"
6&дгягш* &О&0
//оС^Оеи/е/7М’й/(/ /уО0^!&Г?
¿/ел*?о&испе/усноа <)орагяги<У'Я ( & оЬ/оае)
„ /Авс^о&с&елмыи /у30О^Х?/~г? ■•Ч Л/е/г^одисле/осмоЯ ^оа^^сля
7^у/ЫГЛС/^Ои С/Ю
ЛлЯйллимр
це*»/Ь/к
*лжтсу/£лт?6
Ценные /еаляюне**™« (утилм^ОаиЛ)
Сл/рле Зяя ст/эой/чогггериОЛоЬ
'VI/
35557^
хо&ого помк/емиЛ >л%лгьгх
С'гроител* лктгхлмое оами*~ мои НОМе#ОЛСЯпу0Ъ/
Рис. 6 Технологические схемы процессов выделения продуктов при переработке отходов шахтных отстойников
© Авторов
