Возможности обеспечения экологической безопасности при разработке месторождений мягкого мела Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 577.4:666.973.6

ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МЯГКОГО МЕЛА

© 2009 г. К.С. Форопонов, Г.А. Ткаченко

Ростовский государственный строительный университет, Rostov State Building University,

ул. Социалистическая, 162, г. Ростов н/Д, 344022, Socialisticheskaya St., 162, Rostov-on-Don, 344022,

rgsu@rgsu.donpac.ru rgsu@rgsu.donpac.ru

Оценена ситуация в области утилизации и хранения промышленные отходов, в частности отходов добычи мела и мелоподобных горных пород. Предложены решения поставленной проблемы путем малоотходного и безотходного производства. Показана физико-механическая способность материалов из цементно-меловых композиций в производстве мелкоштучных стеновых материалов.

Ключевые слова: малоотходное и безотходное производство, использование отходов производства, производство строительных материалов.

It is estimated recycling and storage situations in the region industrial a waste, in particular a waste of extraction of a chalk rocks. Decisions put about-blemy a way with not enough waste and without waste are offered. Physicomechanical ability a floor-mat-rials from cement-cretaceous compositions in manufacture small brickwall materials is shown.

Keywords: manufacture without waste, using waste products, manufacture of building materials.

Каждый день промышленность производит огромное количество отходов производства, которые ухудшают состояние окружающей среды как твердыми пылевыми загрязнениями, так и летучими, зачастую токсичными выбросами. За последние годы объем промышленных отходов значительно возрос, а площадей для их утилизации и хранения постоянно не хватает.

Структура образования отходов производства в Ростовской области включает [1]:

- промышленные отходы (минеральные - до 75 % от общего количества образующихся отходов, химического происхождения - 11);

- твердые бытовые отходы (около 3 %);

- отходы сельскохозяйственного производства, в том числе животноводства (до 10 %);

- накопленные, пришедшие в негодность удобрения и ядохимикаты (до 5 %);

- медицинские отходы (не учитываются).

В объёме образующихся в области промышленных отходов около половины составляют неутилизируе-мые отходы угледобычи, углеобогащения и добычи других нерудных материалов, которые, как правило, вывозятся на породные отвалы, общая площадь которых достигает 1 тыс. га, на которых накоплено более 400 млн т породы. Образующиеся на предприятиях топливно-энергетического комплекса золошлаковые отходы (ЗШО) размещаются на золоотвалах общей площадью до 250 га, на которых находится более 40 млн т отходов.

Наибольший вклад в накопление ЗШО вносит Новочеркасская ГРЭС. Она производит более 10 % от объёмов ежегодно образующихся промотходов и лишь 1,2 % из них утилизируются, т.е. используются в качестве вторичных ресурсов на предприятиях стройиндустрии. На 3-секционном золоотвале предприятия площадью 196 га уже накоплено 41,645 млн т отходов.

Наиболее опасным видом отходов, практически повсеместно образующимся на территории области,

являются ртутьсодержащие отходы, основная масса которых представлена отработавшими люминесцентными лампами. С 1994 г. решен вопрос по демеркуризации этих отходов в ОАО «Донецкая мануфактура» (г. Донецк, Ростовская область) и в ООО НПП «Про-мэкология» (г. Ростов-на-Дону). Однако вопросы сбора, временного складирования, транспортировки, особенно учреждениями образования, здравоохранения, жилищно-коммунальной сферы, торговли и общественного питания, не упорядочены, что ведет к неорганизованному, несанкционированному размещению этих отходов совместно с твердыми бытовыми отходами.

Основная масса отходов 2 и 3 классов опасности, образующихся на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, представлена нефтеотходами, нефтешламами, отработавшими эмульсиями, смазоч-но-охлаждающими жидкостями, отходами лакокрасочных материалов, шламами гальванических производств.

Вопросы по утилизации нефтеотходов уже частично решены: на промышленных предприятиях, крупных нефтебазах, транспортных подстанциях действуют установки регенерации отработавших индустриальных, моторных, трансформаторных масел; на предприятиях, использующих жидкое топливо, неф-теотходы применяются в качестве добавок или используются как печное топливо. Однако технология, обеспечивающая утилизацию и обезвреживание неф-теотходов различных производств в промышленном режиме, на территории области отсутствует.

Достаточно остро стоит проблема утилизации гальваношламов, осадков очистных сооружений гальванических производств, где основным загрязняющим веществом являются хромсодержащие отходы и тяжелые металлы.

Медленно реализуются подготовленные технические решения по утилизации осадков очистных сооружений водопровода и канализации, что ведет к нагруженности иловых карт, накопителей шламовых

вод, которые являются площадными источниками загрязнения природной среды.

Для решения вопросов утилизации и обезвреживания технологических опасных отходов на промышленных предприятиях Ростовской области действуют:

- установки регенерации отходов пленки полиамидной, отходов медно-висмутового катализатора, отработавших индустриальных и трансформаторных масел (Новочеркасский завод синтетических продуктов);

- установка гранулирования сульфата натрия производительностью 14 300 т/год готового продукта, что позволит ежегодно перерабатывать до 30 тыс. т сульфатных отходов химического производства в г. Волгодонске;

- установка обезвреживания особо опасных смолистых отходов обжиговых печей, эксплуатируемая с 1998 г. на Новочеркасском электродном заводе, производительностью до 300 т/год отходов 1 класса опасности, содержащих бензопирен;

- установка переработки отходов спекшегося кирпичного щебня, образующегося при ремонте обжиговых печей и печей графитации на Новочеркасском электродном заводе.

Большие проблемы возникают при разработке карьеров мягких горных пород (известняка ракушечника, мела, опок и т.п.). Характерная особенность таких отходов - легкая размокаемость горной породы, поэтому отвалы легко размываются ливневыми потоками, загрязняя реки и водоемы. Например, такая проблема возникла при разработке карьеров мягкого мела Лысогорского и Кульбякинского месторождений (Ростовская область). Эти месторождения в течение многих лет используются как источники сырья для производства воздушной извести в пересыпных шахтных печах, а также в сельскохозяйственных целях. В результате отсева непригодных для обжига мелких фракций и невостребованных в сельском хозяйстве мела категорий В и С на их территории накоплены значительные отвалы дробленного мела, настоятельно требующие их утилизации.

Некоторые виды перечисленных промышленных отходов могли бы применяться в дальнейшем производстве. Отходы - нежелательные, но неизбежные продукты. Важность экономного и рационального использования природных ресурсов не требует обоснований. В мире непрерывно растет потребность в сырье, производство которого обходится всё дороже. Будучи межотраслевой проблемой, разработка малоотходных и безотходных технологий и рациональное использование вторичных ресурсов требует принятия межотраслевых решений. Вторичные материалы и ресурсы - отходы производства и потребления, которые на данном этапе развития науки и техники могут быть использованы в народном хозяйстве как на предприятии, где они были образованы, так и за его пределами.

Побочные продукты и отходы - возможное сырье для других производств, в частности строительных материалов. Побочные продукты могут быть планируемыми и давать прибыль с их продажи или использования.

Вторичные материалы и ресурсы могут быть использованы в местах своего образования или в других отраслях хозяйства. Малоотходные и безотходные технологии (МБТ), как правило, ориентированы на наиболее важные отрасли народного хозяйства: производство и рациональное использование металлов, стройматериалов, древесины, полезных ископаемых.

Существует несколько основных направлений по осуществлению МБТ:

1) создание и внедрение процессов комплексной переработки сырья без образования отходов;

2) переработка всех видов отходов производства и потребления с получением товарной продукции;

3) выпуск новых видов продукции с учетом требований ее повторного использования;

4) применение замкнутых систем промышленного водоснабжения с использованием осадков очистных сооружений;

5) организация безотходных территориально-промышленных комплексов и экономических регионов.

Многостороннее и глубокое освоение безотходных производств - долговременное и кропотливое дело, которым предстоит заниматься ряду поколений ученых, инженеров, техников, экологов, экономистов, рабочих разного профиля и многих других специалистов. Полностью безотходное производство - далекая перспектива, но необходимо уже сейчас решать эту задачу как на общеэкономическом уровне, так и в отдельных отраслях хозяйства.

До настоящего временя значительные залежи меловых отложений Кульбякинского и Лысогорского месторождений (Ростовская область) остаются невостребованными в строительстве, тогда как именно в этих регионах ощущается острейший дефицит строительных материалов. По данным геологоразведки в них сосредоточено до 5557 (Кульбякинское месторождение) и 4548 тыс. т (Лысогорское месторождение) мягкого мела различных категорий (от А до С по [2]). Пласты этой осадочной горной породы достаточно хаотично располагаются в обнажениях, что затрудняет отбор необходимой категории мела.

Мягкий мел - обычно порошковато-кокколитовый, реже сферовый. Использование мягкого мела и мело-подобных горных пород в безотходном производстве строительных материалов является важным шагом в вопросах развития стройиндустрии северо-западных районов Ростовской области.

Обширная область применения природного мягкого мела предопределяет особенности организации производств его переработки в сырье или готовый продукт. Практически каждая разновидность добытого в карьере мела может быть полностью использована, т.е. эксплуатация уже разработанных месторождений природного мела предполагает получение большого экономического эффекта вследствие применения технологии безотходной переработки.

Как уже было отмечено, в отвалах Лысогорского и Кульбякинского месторождений накоплено огромное количество неиспользуемого мела, в том числе и отходов от его переработки, загрязняющих окружающую среду.

Частично решение этой проблемы должно прийти со строительством в этом районе цементного завода

французской фирмы «Lafarge» с производственной мощностью от 2 (первая очередь) до 4 млн т в год (вторая очередь). Завод будет использовать карбонатное сырье Кульбакинского участка недр (Матвеево-Курганский район Ростовской области). Однако это не сможет полностью решить проблему утилизации отходов добычи мела в этом регионе.

До настоящего времени разработка указанных месторождений осуществлялась эпизодически. Результаты многолетних исследований показывают на возможность комплексного использования мягкого мела в производстве широкой номенклатуры строительных материалов, имеющих потенциально большой рынок сбыта в Матвеево-Курганском и Куйбышевском районах [1].

Наличие легкоразрабатываемых месторождений и возможности полного использования добываемых горных пород делают мягкий мел достаточно эффективным сырьем. С экономической точки зрения следует учитывать и близость этих месторождений от крупных городов (Таганрога и Ростова-на-Дону), что повышает привлекательность организации производства строительных материалов из мягкого мела.

Основными показателями качества исходного мела является не только суммарное содержание карбонатов кальция и магния, белизна, содержание влаги, наличие нерастворимого в соляной кислоте осадка, но и структурные особенности. На примере мягкого мела Лысогорского месторождения был выполнен его химический анализ, определены минеральный состав и физико-механические свойства (табл. 1).

Таблица 1

Основные физико-механические свойства мела

Свойства горной породы Категории мела

А В С

Средняя плотность, г/см3 1,6 1,64 1,76

Пористость, % 41,2 39,7 35,1

Водопоглощение по массе, % 25,5 22,6 18,6

Прочность при сжатии в сухом состоянии, МПа 4,7 4,9 6,5

Коэффициент размягчения 0,5 0,52 0,6

В настоящее время продолжаются исследования с целью получения качественного мелкоштучного стенового материала из цементно-меловой композиции (ЦМК). В изготовлении стеновых изделий из ЦМК предлагается использовать метод жесткого прессования, суть которого заключается в приготовлении полусухой композиции, содержащей 7-9 % воды затво-рения, и последующем одностадийном прессовании при удельном давлении 20-40 МПа в течение 3...6 с. Полученный полуфабрикат, как правило, имеет достаточную распалубочную прочность (не менее 0,60,8 МПа), может быть уложен в штабель (пакет) и передан на твердение.

Преимущество такого метода формования заключается в отсутствии потребности в опалубке, а сама технология существенно упрощается. Требуется лишь подготовка мелового сырья, дозирование компонентов формовочной смеси, собственно прессование и площади для выдержки отформованных изделий до приобретения ими отпускной прочности.

Подготовка мелового сырья не представляет особых проблем и заключается в дроблении на валково-зубчатой дробилке до крупности зерен не более 10 мм. Для изготовления ЦМК может быть использован любой портландцемент, если к ее морозостойкости не предъявляют повышенные требования. Само дозирование лучше осуществлять по массе, но и при аккуратном объемном дозировании можно обеспечить качественное изготовление изделий.

Отдельно следует остановиться на особенностях перемешивания формовочной смеси и ее прессовании. Ограниченное содержание воды затворения приводит к значительной агрегации и образованию це-ментно-меловых гранул, в объемах которых находится защемленный воздух. Уменьшить агрегацию и тем самым улучшить перемешивание смеси можно за счет использования смесительных бегунов и введения воды затворения путем орошения. В этом случае получается не только более однородная смесь, но и увеличивается доля тонкодисперсных частиц (часть зерен мела домалываются), что приводит к росту плотности и прочности уплотненной композиции.

Содержание воды затворения должно быть оптимальным. При недостатке воды не удается должным образом уплотнить смесь, а избыток воды вызывает налипание формовочной смеси на рабочие органы смесителя и транспортные устройства. Нормально приготовленная формовочная смесь должна легко комковаться и не выделять воду затворения. В проведенных исследованиях композиций на основе мягкого мела всех четырех категорий оптимальное водосо-держание составило 7,5-8 %.

Специфика жесткого прессования состоит в кратковременном практически ударном воздействии на формовочную смесь (в течение 2.3 с), что вызывает сложности в организации процессов массопереноса при уплотнении, требует тщательного подбора зернового состава формовочной смеси и корректного назначения водосодержания. При избытке воды затворения происходит «запрессовка» воздуха и появление формовочных трещин в отформованном изделии. Сам процесс уплотнения характеризуется большим разнообразием элементарных процессов, умение управлять которыми позволяет получать изделия высокого качества.

В проводимых исследованиях решаются следующие проблемы: оценка влияния категории мягкого мела и его зернового состава на свойства жесткопрес-сованых ЦМК и увеличение водостойкости получаемых композиций за счет гидрофобизации с помощью различных химических добавок.

Результаты оценки физико-механических свойств свежеотформованных и затвердевших ЦМК приведены в табл. 2.

Анализ приведенных результатов показал, что между жесткопрессованными композициями из мела категорий Л, B и С, составляющими основной массив месторождения, значительной разницы в физико-механических свойствах нет, и этот вывод имеет важное практическое значение, так как в изготовлении стеновых материалов могут быть востребованы и многотонные меловые отвалы. Мел категории Б, показавший лучшие результаты, в основном находится в осыпях и может представлять интерес лишь для предприятий малой мощности.

Таблица 2

Влияние вида мела на свойства ЦМК

Категория мела Свежеотфо рмованные В возрасте 28 сут

Плотность, кг/м3 Прочность, МПа Сухие Водонасыщенные Коэфициент насыщения Снижение прочности водонасыщенных композиций, %

Средняя плотность, кг/м3 Средняя прочность, МПа Средняя прочность, МПа Водопогло- щение по массе, %

A 1810 1,48 1850 10,05 6,67 15,8 0,86 35

B 1820 1,35 1850 11,32 7,42 16,0 0,86 35

C 1810 1,52 1840 11,74 7,65 15,8 0,85 30

D 1890 2,10 1940 15,10 11,2 14,3 0,88 29

Возможность повышения водостойкости ЦМК была исследована с использованием мела категории B при уже приведенных параметрах технологического процесса. В экспериментах в состав композиций вводили различные добавки, а именно химические добавки немецкого производства MC-Bauchemie: пластифицирующие Muraplast FK-48, FK-63, FK-88 и модифицирующие добавки для сухого и полусухого прессования Murasan BWA-16 и BWA-21. Все перечисленные добавки повышали формуемость, связанность и уплотняемость жестких смесей. При этом Mu-rasan BWA-21 помимо всего придавал гидрофо-

Влияние вида хими

бизирующий эффект отформованному материалу. В табл. 3 приведены результаты этих испытаний, выполненных по единой методике.

Положительные результаты были получены в композициях с добавками МР-88, MP-48 и BWA-16. Хотя их введение и не приводило к росту прочности затвердевших композиций, зато снижение прочности водонасыщенных композиций оказывалось несколько меньшим. О повышении водостойкости ЦМК с этими добавками можно судить и по результатам снижения водопоглощения по массе практически до 2 %.

Таблица 3

:кой добавки на свойства ЦМК

Добавка, % Свежеотформованные В возрасте 28 сут

Плотность, кг/м3 Прочность, Мпа Сухие Водонасыщенные Коэфи-циент насыщения Снижение прочности водонасыщенных композиций %

Средняя плотность, кг/м3 Средняя прочность, МПа Средняя прочность, МПа Водопогло-щение по массе, %

Без добавки 1830 1,26 1870 10,7 7,0 14,8 0,87 36

MP-88 1,0 1890 1,46 1910 10,7 7,8 13,5 0,88 27

MP-63 1,5 1900 1,40 1930 10,9 7,3 12,7 0,89 33

MP-48 1,0 1890 1,45 1920 10,0 7,3 13,0 0,89 28

BWA-16 0,5 1860 1,47 1905 10,1 7,0 12,6 0,89 30

BWA-21 1,0 1860 1,36 1890 9,8 6,8 13,8 0,88 30

BWA-21 1,0 (на бегунах) 1870 1,10 1890 20,0 14,6 9,3 0,92 27

Отдельно следует обратить внимание на результаты испытания ЦМК с добавкой BWA-21 (1 % от массы цемента), где подготовка сырьевой массы осуществлялась на смесительных бегунах. Существенный рост прочности и снижение водопоглощения убедительно доказывают преимущества тщательного принудительного перемешивания формовочной смеси.

О возможности дальнейшего повышения показателей назначения ЦМК можно судить по результатам специально поставленного опыта с использованием мела категории А, но при его помоле до удельной поверхности около 6500 см2/г. Результаты этого испытания приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты испытания ЦМК на тонкоизмельченном меле

Давление Средняя Предел прочности Предел прочности Водопо- Снижение

прессования, плотность при сжа- при сжатии глощение прочности

наличие добавки ЦМК, кг/м3 тии ЦМК, МПа водона-сыщенного ЦМК, МПа по массе, % при водона-сыщении, %

25 МПа, без добавки 1820 18,7 16,5 16,5 11,5

25 МПа,

BWA-21 1800 20,3 17,6 15,7 13,5

(1 %)

40 МПа,

BWA-21 1885 21,7 18,7 15,4 13,9

(1 %)

Значительное увеличение удельной поверхности меловых частиц привело к существенному росту прочности (почти в 2 раза) затвердевших ЦМК и их водостойкости, а вот повышение удельного давления прессования до 40 МПа не дало особых преимуществ в свойствах, что, видимо, связано с низкой прочностью самих меловых частиц.

На основании проведенных экспериментов можно отметить важную особенность меловой горной породы: все разновидности мела, в том числе и накопленные в отвалах меловых пород, могут быть использо-

Поступила в редакцию_

ваны в производстве достаточно качественных стеновых материалов и тем самым обеспечить экологическую безопасность в районе разработки месторождения.

Литература

1. Измалкова Е.В., Ткаченко Г.А. Пути решения утилизации отходов методами стройиндустрии // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 1997. № 2. С. 76-78.

2. Паус К. Ф., Евтушенко И.С. Химия и технология мела. М., 1977. 138 с.

18 марта 2009 г.