Ренція «комплексне використанння природних ресурсів» (12 грудня 2011 року, м. Донецьк, Україна) збірка доповідей студентів та аспірантів донецьк, Доннту 2011

Вид материала

Содержание

Использование породных отвалов в дорожном строительстве
К вопросу использования шахтных пород для получения алюминийсодержащего сырья

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Скринецкая И.В., Романова В.Ю.

В настоящее время особо актуальной проблемой для Донбасса и в частности для столицы Донбасса – Донецка является утилизация промышленных отходов. Отвалы породы, количество которых достигает около 600 только по Донецкой области, занимают тысячи гектар земель, а из-за горения значительного их количества (Торез, Снежное, Димитров и др.) интенсивно загрязняют атмосферный воздух. Целый ряд шахт и обогатительных фабрик, которые имеют породные отвалы исчерпали свои мощности и некоторые из них вышли за границы отведенной земли и требуют отвода новых земель (шахта им. Засядько, шахта «Южнодонбасская № 1», шахта «Россия» и другие). Породные отвалы являются крупнотоннажными отходами - ежегодно в Донецкой области образуется около 21,2 млн. тонн золы отходов угледобычи и углеобогащения. Данные отходы являются ценным вторичным сырьем, которые используются неэффективно – только 0,7 млн.тонн.

Одним из наиболее перспективным направлением утилизации породных отвалов является применение породы в строительстве. Породу можно использовать в качестве дорожно-строительного материала или как исходный продукт для его получения. Именно в подстилающее основание будущих автобанов могут быть уложены миллионы тонн этих промотходов в виде так называемого «золо-шлако-породного гравия». Для этого необходимо лишь в условия подряда включать обязательный пункт о том, что не менее 50% дорожных стройматериалов будут составлять отгоревшие породные отвалы, металлургические шлаки и золошлаки ТЭС. При этом необходимо вспомнить, что согласно Закону Украины об отходах (ст. 16г и 38в), предприятия, утилизирующие отходы, имеют право на налоговые льготы.

Для дорожного строительства используют так называемый «золо-шлако-породный гравий» (требования к нему и его технология производства изложены в ГОСТ 8269.0-97). Важным документом, стандартизирующим применение отходов угольной и металлургической промышленности для дорожного строительства является ГОСТ 8269. 0-97 (Межгосударственный стандарт) «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ». Настоящий стандарт распространяется на щебень и гравий из плотных горных пород (в том числе попутно добываемых вскрышных и вмещающих пород и некондиционных отходов горных предприятий) и отходов промышленного производства (в том числе шлаков черной и цветной металлургии и тепловых электростанций) со средней плотностью зерен от 2,0 до 3,0 г/см³, применяемых в качестве заполнителей для тяжелого бетона, а также дорожных и других видов строительных работ.

Исследования показывают, что породы в зависимости от условий добычи угля (разные горизонты имеют различные по вещественному составу вмещающие породы), формы отсыпки террикона (конусная, овальная), степени термообработки имеют различные показатели физико-механических свойств. Так, марка по прочности щебня из горелых отвальных пород колеблется от 800 до 200 и менее, содержание мелкозема – от 0 до 60% по массе, пылеватых, илистых и глинистых частиц – до 30% и более. Значительно изменяется количество пирита, различны показатели потерь при прокаливании.

Проведенные исследования с целью сбора данных, подбора составов смесей на основе отобранных проб, изучение показателей физико-механических свойств смесей горелых пород позволяют определить следующие области применения материала в дорожном строительстве:

для отсыпки земляного полотна автомобильных дорог с учетом каркасности смеси без или с назначением комплекса противопучевых или изолирующих мероприятий;
для устройства оснований автомобильных дорог без или с обработкой минеральными вяжущими и получением материала всех трех классов прочности по СН 25-74;
для устройства покрытий автомобильных дорог с использованием асфальтобетона всех трех марок по ГОСТ 9128-84.

В данной работе исследуется опыт применения в качестве сырья для строительства дорожного покрытия отходов горно-промышленного комплекса. Ведущее место среди стран Западной Европы в решении проблемы использования топливных отходов ТЭС в дорожном строительстве занимает Франция. Золы уноса используются во всех элементах дорожных конструкций. В зависимости от их состава и свойств они могут входить в тело насыпи как техногенный грунт; как минеральный материал, укрепленный гидравлическим вяжущим, в нижних слоях основания; в верхних слоях основания как компонент смешанного вяжущего или в качестве самостоятельного вяжущего; в асфальтобетонных покрытиях как минеральный порошок, в цементобетонных –

как добавка, улучшающая состав бетона.

В нижних слоях оснований широко применяют смеси зол уноса с известью и гипсом, в верхних дробленую гравийно-песчаную смесь, укрепленную зольно-известковым вяжущим. Оптимальные результаты получены при соотношении извести и золы 1:4. Если установки для приготовления смесей размещены около отвалов зол уноса, то на территорию ТЭС завозят гравийно-песчаную смесь, известь и гипс, подводят водопровод; если они находятся на строительной площадке, то на нее завозят все материалы. Для приготовления смесей используют смесители с принудительным перемешиванием производительностью 300 т/ч. При укладке смесей особое внимание уделяют качеству уплотнения. Его осуществляют виброкатками, катками на пневматических шинах, пневмовиброкатками. На укрепленном слое основания устраивают защитный слой типа одиночной или двойной поверхностной обработки путем разлива 0,5-2 л/м² катионной битумной эмульсии и распределяют 0,5-6 л/м2 песка или щебня фракции 10-20 мм. Укладка асфальтобетонного покрытия непосредственно на гравийно-песчаную смесь, содержащую известь и золу, не допускается.

В Англии зола уноса от сжигания каменного угля была применена в начале 60-х годов как материал для возведения насыпей. Исследования показали, что зола уноса является материалом, пригодным для сооружения насыпей и устройства нижних слоев основания дорожной одежды, которые должны находиться на глубине не менее 40 см от поверхности покрытия в связи с их недостаточной морозоустойчивостью. Аналогичные исследования золошлаковых смесей из отвалов тепловых электростанций доказали их пригодность для сооружения насыпей и устройства оснований дорожных одежд. Из этого материала были отсыпаны две насыпи при реконструкции дороги А1, в которые уложено около 172800 м³ золошлаковой смеси. Рекомендовано не сооружать насыпи из мелкого и влажного материала.

В Польше проведены исследования и опытные работы по укреплению золы уноса как самостоятельным вяжущим не только песков, но и глинистых грунтов. Получены положительные результаты при устройстве однослойного основания из глины, укрепленной 85% золы уноса, и двухслойного основания с нижним слоем из пылеватых лессовых суглинков, укрепленных 8-12% золы уноса и верхним слоем из того же грунта, укрепленного 6% золы уноса и таким же количеством портландцемента. Установлено, что грунты (пылеватые пески, глины, суглинки), укрепленные 5-15% золы уноса, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к грунтам, укрепленным цементом или известью. Однако нарастание прочности протекает медленней.

В Китае при сооружении автомобильной дороги в качестве несущего слоя использовали смесь извести с каменноугольной золой в оптимальном соотношении компонентов: известь:зола = 1:4. При содержании извести 12% прочность образцов на 56-е сутки составила 33,2 кгс/см². На скоростной магистрали Nanjing-Yancheng в качестве основания дорожных покрытий применяли грунт, укрепленный комплексным вяжущим - цементом, известью и золой уноса.

В Украине данное направление утилизации породных отвалов в настоящее время не имеет широкого распространения, не смотря на наличие значительного объема сырья. Одним из наиболее удачным примером применения в качестве грунта при возведении земляного полотна отвальных пород шахтных терриконов со стабилизацией их цементом стала дорога от проспекта Мира до улицы Байдукова в г. Донецке. Генеральным подрядчиком при строительстве дороги стало ООО «Дорожное строительство «Альтком».

Строительство дороги дало городу ряд положительных моментов:

утилизация породного отвала и соответственно ликвидация его негативного влияния на окружающую природную среду;
снижение себестоимости строительства дороги за счет использования золо-шлако-породного гравия;
снижение выбросов от автотранспорта вследствии разгрузки центральных улиц города;
высвобождение территории, занимаемой породным отвалом;
создание эстетически благоустроенной территории.

В данной работе проанализирован мировой опыт применения отходов угледобычи и углеобогащения, которые нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В Украине разработки утилизации породных отвалов находятся на начальном этапе внедрения. Строительство автодороги в г. Донецке показало целесообразность применения подобных ресурсосберегающих технологий. Применение золо-шлако-породного гравия в дорожном строительстве имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными строительными материалами, что прежде всего обусловлено экономическим и экологическим эффектами. Экономический эффект заключается в снижении себестоимости строительства, а экологический – в ликвидации породного отвала как источника загрязнения окружающей среды. Cогласно формуле Дмитрия Ивановича Менделеева: «Отходов нет, есть сырье для других производств», породные отвалы являются ценным источником вторичного сырья, которое можно достаточно эффективно использовать в дорожном строительстве.

К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНЫХ ПОРОД ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Филиппова Я. В., Ефимов В. Г.

Главным сырьем для производства алюминия в Украине, как и во всем мире, служат бокситы с содержанием глинозема 48-60%. Как показала детально проведенная в 50-х годах геологоразведка, Украина не имеет такого высококачественного сырья, поэтому его приходится импортировать.
Основным производителем глинозема в стране является Николаевский глиноземный завод (НГЗ) и, в незначительных количествах, Запорожский производственный алюминиевый комбинат (ЗАлК). При этом Украина экспортирует глинозем (ежемесячно до 110,15 тыс. т).

Ранее ЗАлК производил около 100 тыс. тонн алюминия в год, в частности, в 2007 году было произведено 112 тыс. тонн алюминия, в 2008-м - 112,847 тыс. тонн, а в 2009-м – около 50 тыс. тонн, в 2010-м – 25 тыс. тонн. В последние годы ЗАлК ликвидировал глиноземное производство и прекратил выпуск глинозема. Партнеры комбината в области поставок импортного сырья: Aluminium Silicon Marketing GmbH (Швейцария), «Cytec Indastries» (Нидерланды). Имеющиеся в наличии потенциальные ресурсы (Днепропетровская область, Закарпатье, Приазовье) пока не имеют промышленного значения и неконкурентоспособны с завозимым сырьем.

Алюминий обладает амфотерными свойствами, т.е. реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, а при взаимодействии со щелочами — алюминаты. Эта особенность существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного состава. К основным алюминиевым рудам относятся бокситы, нефелины, алуниты и некоторые другие соединения, но важнейшей рудой являются бокситы, на которых практически полностью работают все зарубежные глиноземные заводы. Боксит — сложная горная порода, состоящая из оксидов и гидроксидов Al, Fe, Si и Ti и в качестве примесей присутствуют карбонаты кальция и магния, гидросиликаты (хлориты), сульфиды и сульфаты (в первую очередь, железа) и органические соединения. Основными глиноземосодержащими минералами бокситов являются гиббсит, бемит и диаспор. В природе мономинеральные бокситы чрезвычайно редки, гораздо чаще встречаются руды смешанного типа — гиббсит-бемитовые или бемит-диаспоровые.

Таблица 1 - Характеристика сырья

№	Вид отходов	Содержание Al₂O_3,%	Количество, тонн	Локализация по области
1	Шламы углеобогащения	29-31	10 млн	По всей области
2	Золошлаки ТЭС	26	6 млн	Курахово
3	Вскрышные глинистые породы	25-30	3 млн	Волноваха, Дружковка, Доброполье
4	Отвалы нефелиновых пород	30-35	8 млн	Пос. Донское
5	Шамотные пыли	30-40	1 млн	Пос. Владимировка
6	Породные отвалы угольных шахт	25-30	1 млрд	По всей области

Качество бокситов в основном определяется содержанием в них А1₂О₃ и SiO₂, и для оценки их качества на практике используют кремниевый модуль mSi — массовое отношение содержания А1₂О₃ к SiO₂. Чем больше модуль, тем выше качество боксита.

По данным Краснянского М.Е. в Донецкой области некоторая часть породы отвалов (а именно 1 млрд. тонн) содержит 25-30 % соединения Al₂O₃, что делает эту отвальную массу потенциальным источником сырья для производства алюминия. В настоящее время бокситы для алюминиевой промышленности Украины завозятся из-за рубежа, а при переработке 1 тонны бокситов образуется от 500 до 1000 кг отходов, так называемых «красных шламов». Также глинозем широко используется для получения технической керамики с различным функциональным назначением.

Различные виды безщелочного высококремнистого алюминиевого сырья могут быть переработаны на глинозем способом спекания с последующим выщелачиванием.

Краснянский М.Е. выделяет такие способы получения необходимых соединений алюминия:

1) Для связывания кремнезема (SiO₂) вышеперечисленные алюмосодержащие отходы спекают при температуре 1250-1300ºС с известняком. В результате реакции образуются алюминиевые спеки, которые cаморассыпаются, и двухкальциевый силикат (белит) - один из четырех основных клинкерных минералов цемента.

2)Для извлечения из спека алюминия он подвергается выщелачиванию растворами соды. Таким образом, получается раствор алюмината натрия.

Углекислый кальций вместе с белитом после помола, промывки и фильтрации направляют на производство цемента.

3) Для полного извлечения из раствора кремнезема он подвергается обработке в автоклавах. Количество автоклавов и интенсивность обработки в них подбираются таким образом, чтобы добиться конечного содержания SiO₂не более 0,02%. Обескремнивание основано на связывании кремния в малорастворимый гидроалюмосиликат натрия, который после осаждения («белый шлам») направляется на спекание основной сырьевой смеси с целью извлечения алюминия.

4) Для разложения алюмината натрия на гидрооксид алюминия и едкий натр его раствор подвергают карбонизации, т. е. производят барботирование через раствор смеси газов, содержащих CO_.После фильтрации гидрооксид алюминия направляют на кальцинацию (обжиг), а содовый раствор направляется на операцию выщелачивания.

5) Кальцинация – это завершающий этап передел производства глинозема: она заключается в обжиге гидрата алюминия при температуре 1150-1200 ºС для получения металлургического (производство алюминия) глинозема.

Доктор технических наук Мнухин А.Г. разработал уникальный проект, согласно которому на базе закрывающихся шахт будут построены мини-заводы по комплексной стопроцентной переработке накопленной породной массы.

Проектом Мнухина А.Г. предусмотрено совместное извлечение из терриконов стратегически важных для страны алюминия, германия, скандия, галлия, иттрия и циркония. Разделение сырья на фракции планируется проводить электростатическим методом, что в десятки раз дешевле и экологичнее, чем приминение традиционных технологий использования огромных сепараторов со специальными техническими жидкостями. Для измельчения горной массы предлагается использовать так называемый электровзрыв. Экскаватор будет нагружать породу на ленточный конвейер, доставлять в производственное помещение к дробилке и далее к железоотделителю (магнитная сепарация). Таким образом, сначала отделяется железо и его соединения, затем – сплав алюминия с кремнием, далее — редкоземельные элементы: германий, скандий, галлий. То, что остается в конце утилизационного цикла (15-20% общего количества породы), — сырье для стройматериалов. В конечном итоге на месте террикона появляется облагороженная территория, пригодная для строительства или сельского хозяйства. А перерабатывающий комплекс в составе нескольких мобильных блоков переезжает на новое место. Наличие на шахтах железнодорожных и автомобильных подъездных путей, помещений промышленного и бытового назначения, энергетического комплекса позволяет значительно сократить расходы и сроки ввода в работу такого мини-завода.

Помимо этого, создание предприятия обеспечит работой жителей заброшенных шахтных поселков. По оценке автора проекта, на оснащение мини-завода всем необходимым оборудованием (плавильные печи и электрогидравлические дробилки) и закупку химреактивов нужно $9.5 млн. Стоимость сырья, полученного из одного террикона среднего объема, составляет около $100 млн. Плюс ко всему, после ликвидации очередного террикона, появляются возможности выгодно реализовать квоты на выбросы парниковых газов в соответствии с Киотским протоколом. Несмотря на все преимущества метода, проект до сих пор так и остался лишь на бумаге.

Мнухиным А.Г. были проведены лабораторные исследования химического состава ряда породных отвалов шахт Донецкого региона (табл. 2), которые дают представления о химическом составе породных отвалов как об объекте предполагаемой разработки.

Таким образом, предлагаемый к разработке материал содержит повышенное количество угля - от 28 до 46%, а так же сырьё для производства алюминия - Аl₂О₃ (до 15%) и германия (до 55 г/т). Основную массу составляют оксиды кремния и железа (SiO₂ - 47%, Fе₂О₃ - 20%), щелочные же компоненты - СаО и MgO не превышают 5%.

Имеется и технология получения из породных отвалов алюминиевых сплавов. Для Запорожского алюминиевого комбината Украина за рубежом закупает руду, в которой глинозема (окиси алюминия) от общего состава до 50%. Так как в шахтных терриконах его меньше (от 15 до 30), имеется специальная технология, по которой достаточно именно этих 15%, но для производства не алюминия, а силуминов (сплава алюминия с кремнием) - очень нужного соединения, которое с успехом используется в самолетостроении, космической и химической промышленности. Ценен этот сплав тем, что отлично сваривается, анодируется, обрабатывается, не окисляется. Естественно, что отходы не такое хорошее сырье как бокситы. Но бокситы необходимо найти добыть, а отходы получаются бесплатно. Переработка отходов с целью получения ценного сырья уменьшит количество заскладированных отходов и позволит высвободить земельные площади для их дальнейшего использования.

Таблица 2 - Результаты анализа проб породы и угля

Наименование показаний	Порода	Уголь
Проба 1	Проба 2	Проба 3	Проба 4	Проба 5
Массовая доля золы, %	72,0	65,0	54,1	72,5	21,7
Выход летучих веществ, %	21,5	18,4	17,1	21,2	9,9
Массовая доля серы, %	1,09	0,67	1,75	2,07	2,3
Содержание германия (Ge), г/т	40,0	20,0	30,0	55,0	5,0
Массовая доля окислов в золе
SiO₂	47,00	47,00	47,00	47,00	42,20
Fe₂O₃	20,65	20,65	20,65	20,65	19,96
Аl₂O₃	14,90	14,90	14,90	14,90	18,30
СаО	3,40	3,40	3,40	3,40	4,15
МnО	0,14	0,14	0,14	0,14	0,13
MgO	1,45	1,45	1,45	1,45	2,06
Р₂O₅	0,28	0,28	0,28	0,28	0,86
FeO	0,32	0,32	0,32	0,32	0,32

Одной из важнейших отраслей производства в Украине является горнодобывающая промышленность. Это составная часть топливно-энергетического комплекса страны, которая удовлетворяет значительную часть потребности в энергетическом топливе и технологическом сырье. Однако отходы, образовавшиеся вместе с извлечением полезного ископаемого отрицательно влияют на результаты хозяйственной деятельности предприятий, поскольку требуют затрат на их сбор, транспортирование, хранение, кроме того осложняют экологическую ситуацию в районах размещения шахт. Переработка отвальной массы позволит решить экономические, социальные и экологические проблемы, которые возникают при добыче угля.

Blog

Ренція «комплексне використанння природних ресурсів» (12 грудня 2011 року, м. Донецьк, Україна) збірка доповідей студентів та аспірантів донецьк, Доннту 2011

Содержание