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

Вид материалаДокументы

Содержание


О возможности использования отходов горнодобівающей промішленности для получения вяжущих материалов
Использование шахтной породы ап «шахта им. м. и.калинина» для производства стройматериалов
Современные тенденции утилизации горных отвалов
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ГОРНОДОБІВАЮЩЕЙ ПРОМІШЛЕННОСТИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ


КиншоваА.Л., Клименко А.А., Шаповалова В.В.


В наше время цемент является самым востребованным строительным материалом. Он широко используется для изготовления архитектурных и декоративных изделий,для отделки зданий и сооружений, при строительстве гидроэлектростанций, морских и океанских сооружений, в промышленном производстве железобетонных конструкций, для автомобильных и аэродромных покрытий, при бурении нефтяных и газовых скважин, для производства асбестоцементных изделий, для строительства металлургических, химических и других тепловых агрегатов.

На территории Донецкой области сосредоточено огромное количество отходов угольных шахт, из которых можно извлекать не только ценные компоненты, но и непосредственно использовать их в качестве исходного сырья при производстве цемента. Проведенный нами химический анализ ряда техногенных отходов угольной промышленности показывает, что они содержат в большинстве случаев около 50-60% SiO2, 15-18% Al2O3, 5-10% Fe2O3, 1-2% CaOи, по сути, являются пригодными для использования в качестве глинистого сырья для производства цементных вяжущих материалов. Решение проблемы утилизации отходов являются важнейшими для нашего региона, так как, с одной стороны – это поможет нормализовать экологическую обстановку в регионе, а, с другой, – снизить материальные затраты на производство готовой продукции. По нашим оценкам технология использования отходов горнодобывающей промышленности в качестве сырья при производстве цементов позволит сэкономить как материальные затраты на сырье (в 2-3 раза дешевле природного сырья), так и снизить расход топлива (на 10-40%), что позволит снизить себестоимость продукта.

Нами были предложены два направления получения цемента с использованием отходов, в качестве исходного сырья (рис.1).
  • прямой способ получения цемента;
  • способ получения цемента через стадию извлечения Al2O3

Р
исунок 1 – Схема получения цемента с использованием отходов горнодобывающей промышленности


Первый способ заключается в следующем.В качестве отхода для получения цементного клинкера, было взято сырье со следующим составом основных компонентов: 55% SiO2, 30% Al2O3, 5% Fe2O3. Согласно проведенным расчетам, на одну тонну отхода необходимо использовать около 3,9 тонн CaCO3. В качестве источника CaCO3 известкового компонента могут быть использованы различные горные породы с повышенным содержанием карбоната кальция, а также кальцийсодержащие отходы химической и металлургической промышленности. Такие горные породы и отходы в значительных количествах имеются на территории Донецкой области. В данном способе нагрев смеси техногенного отхода и карбонатного компонента должен производиться до достаточно высокой температуры – 1450ºС, с целью получения основного компонента цементного клинкера – алита (3CaO·SiO2).Вместе с тем, добавление в исходную шихту хлорида кальция значительно понижает температуру клинкерообразования до 1050-1250оС. Причиной понижения температуры является образование в процессе спекания алинита Ca21Mg[(Si0,75Al0,25)O4]8O4Cl2, который обладает высокими вяжущими свойствами. Установлено, что оптимальным составом для образования алинита является смесь содержащая, % по массе: CaO - 64.62, SiO2 - 20.77, Al2O3 - 5.88, MgO - 2.33 и 6,4 CaCl2. CaCl2–в большом количестве находится в так называемых «белых морях» - отходах содового производства. Полученный нами алинитовый клинкер после печи подвергался резкому охлаждению, вследствие чего он характеризовался не высокой прочностью и твердостью. В условиях производства этот факт облегчает технологию получения цемента и позволяет уменьшить энергозатраты на измельчение клинкера. В зависимости от температуры спекания и содержанияCaCl2– полученные спеки отличаются цветом и фракционным составом.

Второй способ реализуется в два этапа.На первом этапе осуществляется нагрев отхода угледобывающей промышленности и карбоната кальция до температуры 1250-1300ºС. При этом соотношение между компонентами рассчитывается таким образом, чтобы в результате обжига образовался спек содержащий белит (2CaO·SiO2) и кальциевый алюминат. Полученный спек после охлаждения выщелачивают раствором соды с переходом глинозема(Al2O3) в содовый раствор из которого он извлекается известными методами. Оставшийся после извлечения шлам смешивается с карбонатом кальция и обжигается при температуре 1450 ºС с получением алита. В качестве необходимого тепла частично можно использовать тепло отходящих газов, полученное в процессе первого обжига. Согласно проведенному расчету, можно сделать вывод, что количество тепла, необходимое для проведения повторного нагрева, компенсируется стоимостью полученного Al2O3.

При использовании данной технологии появится возможность не только получать цемент высоких марок, но и утилизировать отходы горнодобывающей промышленности, что в свою очередь поможет улучшить экологическую обстановку региона.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШАХТНОЙ ПОРОДЫ АП «ШАХТА ИМ. М. И.КАЛИНИНА» ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОЙМАТЕРИАЛОВ


Ныцюк И.И., Завьялова Е.Л.


Донецкая область является регионом Украины, где экологическая обстановка достигла кризисного состояния. Огромное количество предприятий коксохимической, металлургической, горной и других видов промышленности насыщают воздух, землю и воду Донбасса всевозможными отходами производства. При том, что область занимает всего лишь 5% территории страны, на ее долю приходится 40% вредных выбросов Украины. В атмосфере городов Донбасса присутствуют в высоких концентрациях окись углерода, фенолы, аммиак, соединения серы и другие опасные вещества, к которым добавляется также и повышенный радиоактивный фон. Ощутимый урон окружающей среде наносят отвалы угольной промышленности — терриконы, особенно горящие. В угольных отвалах Донбасса накопились тысячи тонн породы, которые занимают огромные территории. Большинство отвалов Донбасса являются горящими, но даже те терриконы, которые кажутся потухшими, на самом деле продолжают тлеть. В их недрах держится высокая температура, к тому же там в избытке накоплен мышьяк, ртуть, цианиды, сера и другие вредные вещества и их соединения. Огромное количество отвалов в Донбассе (1257) обусловлено как большой глубиной залегания угольных пластов, при которой велик объем горно-капитальных работ, так и преобладающей мощностью пластов в пределах 0,6-1,5м, при их отработке породы при проведении подготовительных, а также очистных горных выработок практически полностью выдаются на поверхность. Отвалы принимают породу от отдельной шахты, обогатительной фабрики или от группы угольных предприятий. Наибольший вред природному ландшафту наносится отсыпкой конических и хребтовых отвалов, высота которых в отдельных случаях достигает 110–120 м. Размер и форма отвалов влияют на интенсивность теплообмена в глубинных зонах, определяют фильтрующие свойства отвалов и способствуют или препятствуют генерации и аккумуляции тепла. Наиболее интенсивные процессы протекают на гребнях плоских и на вершинах конических отвалов, которые легко обдуваются потоками атмосферного воздуха. Вместе с тем, имеет место очаговое горение породы на поверхности отвалов различной конфигурации. Проведенные на территории Донбасса исследования показали, что отвалы с высотой менее 30 м практически не горят, с высотой до 50 м горят 60% отвалов, до 90 м – 87%, свыше 90 м – горят практически все отвалы.

В результате проведенного анализа влияния горно-перерабатывающего предприятия АП «Шахта им. Калинина» на окружающую среду, можно сделать вывод, что экологическая ситуация на шахте неблагоприятна, так как вызвана загрязнением воздуха, воды и почвы производственными отходами. Поэтому необходимо как можно скорее внедрять новые технологии по предотвращению загрязнения окружающей среды. Основное негативное воздействие на атмосферу оказывает породный отвал шахты.

Отвал АП «Шахта им. Калинина» имеет коническую форму (рис.1). За период эксплуатации на отвале заскладирована порода в объеме 1282 тыс.м3. Поскольку породный отвал классифицируется как горящий, то он должен пройти стадию тушения в соответствии с «Инструкцией по предупреждению самовозгорания, тушению и разборке породных отвалов». В результате снизится негативное воздействие отвала на окружающую среду, произойдет общее улучшение микроклимата.

Исследованием МакНИИ установлено, что породы в отвале распределяются примерно в следующем порядке. В нижней зоне располагается преимущественно крупные куски породы (90%), в средней части террикона (средняя зона) доля крупных кусков уменьшается до 20-35%. Вершина же состоит в основном из мелкокусковой породы.

С распределением породы по фракциям тесно связан процесс горения, так как воздух более интенсивно проходит через пустоты между большими кусками, в результате очаги самонагревания чаще формируются в средней части террикона. При осадках пород пустоты могут заполняться мелочью, а часть их может увеличиваться в размерах. Такой процесс горения, протекающего на глубине 0,5-3,0 м от поверхности, изменяет состав пород. В очаге горения образуется зола. В отвальных породах уменьшается содержание углистых веществ, удаляется из них влага. Порода спекается в монолит, изменяются структура пород, их цвет, состав, угол внутреннего трения, величина сил сцепления и другие свойства.



Рис.1. Схема породного отвала АП «Шахта им. Калинина »

Результаты ситового анализа выветренной и перегоревшей породы отвала АП «Шахта им. Калинина » представлены в табл. 1.

Из этих данных видно, что влажность породы с породного отвала составляет от 7,6% до 16,3%; зольность 88,9% - 98,1%. Породный отвал является одним из основных источников опасности в Калининском районе г. Донецка.

Направлений использования породы много. Промышленность строительных материалов является наиболее емкой отраслью по использованию промышленных отходов. Это обусловлено большими масштабами производства строительных материалов. Основная масса отходов в своем составе и по свойствам близка к природному сырью, используемому различными отраслями промышленности строительных материалов. Кроме того использование отходов горнодобывающей промышленности значительно дешевле, чем производство стройматериалов из природного сырья.


Таблица 1.1 - Ситовой анализ выветренной и перегоревшей породы отвала АП «Шахта им. Калинина ».


Фракция,мм

Характеристики выветренной породы

Характеристики перегоревшей породы

Выход, %

Зольность, %

Влажность, %

Выход, %

Зольность,%

Влажность,

%

> 100

6,1

88,9

10,9

3,1

98,1

7,6

100-25

11,1

92,2

9,0

14,7

98,0

16,3

13-25

13,9

90,3

9,2

20,6

97,5

6,9

6-13

20,3

91,2

9,0

14,4

97,4

8,0

1-3

19,7

90,9

11,0

23,6

96,5

8,6

< 1

28,9

90,8

13,8

10,8

93,6

16,3


Горелые породы являются ценным минеральным сырьем для производства строительных материалов. Их химический состав полностью соответствует условиям использования твердых отходов угольной промышленности в производстве строительных материалов. Горелые породы являются специфическим видом отходов промышленности угледобывающих районов и могут служить сырьем для получения строительных материалов. Горелые породы, особенно их твердые разновидности, могут использоваться как материал для покрытия дорог, из них можно получить бут, щебень и песок, которые могут быть применены в качестве заполнителей для бетонов и растворов. Тонкомолотые горелые породы является активной гидравлической добавкой, что позволяет экономить тысячи тонн клинкерного цемента, а смесь тонкомолотых горелых пород с известью и с доменным шлаком является самостоятельным местным вязким материалом. Применение сверхтонкого помола на вибромельницах открывает возможности получения из горелых пород дешевых безклинкерних цементов высоких марок. При термической обработке материалов из смеси горелых пород с известью можно получить строительные материалы самого разного назначения в зависимости от их физико-химических свойств. Из горелых пород можно изготавливать стеновые блоки и кирпич (как сплошные так и пустотелые), панели для наружной облицовки зданий, различные архитектурные детали и украшения, термоизоляционный и конструктивный пиносиликат, мозаичные плиты, ступени и подоконники, черепицу для кровли, плитки для пола и т. д.

В нашем случае наиболее рентабельным и выгодным будет использование породы для строительства перегородок. Оборудованием для данного производства будет служить линия Рифей – Луч/Варяг (рис.2). Это высокопроизводительная компактная механизированная линия для изготовления стеновых материалов и элементов благоустройства. Механизм основан на методе полусухого вибропрессования. Линия специально разработана для эксплуатации в условиях использования породы в качестве сырья.

Линия «Рифей Луч» выпускает полный набор материалов для возведения стен домов и современного благоустройства. Это и стеновые, опалубочные и облицовачные камни, бордюры, лотки, решетки для укрепления откосов, камни для забора, 20 видов тротуарной плитки, лестничные проступи. Создана уникальная и экономическая технология бетонирования колонн и ригелей без деревянной опалубки. Достигнута архитектурная выразительность за счет создания рельефов на стенах и углах дома. Отпадает необходимость штукатурки фасада.

Линия «Рифей Луч» — наиболее производительная из всех линий «Рифей», отличается улучшенным качеством изготавливаемых изделий.

На линии «Рифей Луч» изготавливаются стеновые камни, в том числе пустотелые, полнотелые и перегородочные, декоративные и облицовочные камни, элементы благоустройства, тротуарная плитка различной конфигурации, бордюрные камни и газонные решетки.

Одной из актуальных задач для Украины на сегодняшний день является строительство автомобильных дорог. При этом порода может использоваться в качестве дорожных оснований, для укрепления грунтов и накопителя асфальтобетона. Это строительство дает Украине уникальную возможность реализовать масштабную программу утилизации многих миллионов тонн промышленных отходов восточного промышленного пояса Украины, причем без существенных финансовых расходов.





Рис 2. Механизированная линия производства стеновых материалов и элементов благоустройства «Рифей Варяг»


На рисунке 3 предлагается конструкция дорожной одежды с применением горелой породы.



Рис. 3 – Конструкция дорожной одежды с применением горелой породы (толщина): 1- асфальтобетон; 2- щебень; 3- горелая порода, обработанная цементом; 4 -горелая порода; 5- битум.


Успешное решение задач по вопросам использования породы в условиях ОП «Шахта им. М.И.Калинина» приведёт к решению экологических проблем. Снизится загрязнение воздуха пылью, ядовитыми газами, стоками вод с отвала в водные объекты, уменьшится деформация поверхности (провалы почв, домов, появление оврагов). В результате этого произойдёт снижение уровня заболеваемости населения, таким образом, предлагаемые мероприятия дадут определенный социальный эффект. Кроме того, утилизация породы позволит получить значительный экономический эффект за счет уменьшения платы за загрязнение окружающей среды, а также за счёт освобождения земельного участка в центре г. Донецка.


СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ УТИЛИЗАЦИИ ГОРНЫХ ОТВАЛОВ


Захарченко Н.А., Ефимов В.Г.


По территории Донецка разбросаны около 130 терриконов, примерно 1000 га занято породными отвалами. Огромные горы, созданные из отработанной горной породы уже давно являются предметом спора местных ученых, промышленников и политиков.

Если вы когда-либо видели Донецкие терриконы своими глазами, то наверняка посчитали их романтичным символом Донбасса, величественным и внушительным подобно вулкану. Те же, кто живет в непосредственной близости, знают, что рукотворные «вулканы» иногда просыпаются и тлеют, выделяя сероводород, а если их оставить без присмотра, могут и извергаться не хуже природных или проседать, так как почва не всегда выдерживает их вес. И те и другие сходятся во мнении, что с рукотворными горами надо что-то делать. Вопрос в том, куда именно девать терриконы и как с ними бороться?!

В мире существуют три способа ликвидации терриконов: закладка выработанного пространства шахт породой, сокращение санитарной зоны за счет озеленения примыкающей территории, а также разборка и вывоз за пределы города. Компания «Герц» изобрела четвертый: использовать породу в качестве грунта и стройматериала. И взялась за реализацию проекта «под ключ». Практика показала, что терриконы не так уж и бесполезны. Один из самых удачных примеров — утилизация 30-метрового террикона на границе Донецка и Макеевки. Еще недавно, взобравшись на тридцатиметровую кручу, можно было увидеть панораму сразу двух городов - Донецка и Макеевки. Справа - Червоногвардейка, слева - микрорайон Донской, рядом - объездная дорога. Террикон принадлежал давно ликвидированной шахте «Ганзовка-1» и не эксплуатировался с шестидесятых годов. Подобной площади в Донецке нет и генеральный директор группы компаний «Герц» посчитал экономически целесообразным его разобрать.

В 2008 году чуть больше месяца понадобилось, чтобы сравнять с землей 900 тыс. тонн породы. Сейчас на этом месте стоит гипермаркет «Metro Cash & Carry» . На весь проект ушло около 20 млн. евро. Подобная стройплощадка может появиться и в районе шахты Засядько. Но на Засядько решили не «строить» очередной террикон, а засыпать породой большую балку, как бы выравнивая рельеф. Таким образом, появится площадка в несколько гектаров, на которой можно вести промышленное строительство. А при соответствующей рекультивации отвала там можно строить и жилье.

Ещё один из самых целесообразных проектов 21 века по утилизации терриконов – строительство небольших ветряков, которые позволят обеспечивать электроэнергией небольшие поселки, расположенные у подножия рукотворных гор. По предложению одного из авторов идеи заведующего кафедрой природоохранной деятельности ДонНТУ Костенко В.К. ветрогенератор устанавливается на плато на высоте около 40 м, которое образуется в результате снятия вершины породного отвала и проведения рекультивации. Если просто поставить ветрогенератор, то он будет работать неэффективно, ведь средняя скорость ветрового потока у нас около 6 м/с. А нужна скорость 12—15 м/с. Для этого необходимо сделать гидродинамические каналы, которые захватывают потоки ветра. Эта идея уже запатентована, весь вопрос — в инвестициях. По его словам, терриконные ветряки с использованием местных подстанций и электросетей помогут обеспечить недорогой электроэнергией депрессивные шахтерские районы.

Страна тратит огромные средства на то, чтобы ликвидировать терриконы, а они могут сыграть в развитии углепрома важную роль. В принципе, конечно, в получении электроэнергии, таким образом есть смысл, ведь высота рукотворных холмов достигает восьмидесяти метров, что очень неплохо для ветряка, однако позволю себе высказать несколько сомнений на этот счет.

Предполагается, что ветрогенераторы, прежде всего, будут обслуживать шахты. Их автономность привлекает горняков тем, что не придется больше зависеть от перебоев питания, которые часто приводят к авариям. Да и дешевизна получаемого электричества никого не оставит равнодушным - нужно только установить ветряки и своевременно их обслуживать. Хотя поначалу денег на это уйдет немало. Планируемая общая мощность ветрогенераторов составит 1500 мегаватт. Если учесть, что средняя стоимость одного киловатта, в которую входят оборудование и расходы на установку ветрогенераторов, составляет 1000-1500 евро, то весь проект может потребовать от 1 500 000 000 до 2 250 000 000 евро. Но где достать такие средства?

Как оказалось, некая зарубежная компания, название которой не указывается, согласна инвестировать средства в доставку ветровых агрегатов, их монтаж и эксплуатацию. От украинской стороны ожидается лишь предоставление места, а также гарантии, что дешевая электроэнергия будет потребляться на правах альтернативной. Предполагаемые инвесторы обещают, что альтернативный киловатт будет стоить дешевле, чем полученный традиционным способом.

Существует еще один альтернативный способ использования терриконов — разобрать их до основания, применив в промышленности все, без исключения, составляющие породного отвала. Так, заместитель директора по научной работе МакНИИ Анатолий Мнухин разработал уникальный проект, согласно которому на базе закрывающихся шахт будут построены мини-заводы по комплексной стопроцентной переработке накопленной породной массы.

Проектом предусматривается извлечение из терриконов стратегически важных для страны алюминия, германия, скандия, галлия, иттрия и даже циркония. Разделение сырья на фракции планируется проводить электростатическим методом, что в десятки раз дешевле и экологически безопаснее, чем применение 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, дальше — редкоземельные элементы: германий, скандий, галлий.

Оставшиеся в конце утилизационного цикла 15-20% общего количества породы могут служить сырьем 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 необходимо около $9.5 млн. Стоимость сырья, полученного из одного террикона среднего объема, составляет около $100 млн. Кроме того, после ликвидации очередного террикона, появляются возможности выгодно реализовать квоты на выбросы парниковых газов в соответствии с Киотским протоколом.

К сожалению, по словам автора, несмотря на все преимущества метода, проект до сих пор так и остался лишь на бумаге. Все чем помогло государство — это разрешило заниматься работой за счет собственных средств.

Пока что самый оправданный и надежный способ найти хоть какое-то применение терриконам – постепенно использовать их для дорожного строительства. В Донецкой области была изложена мысль использовать материал терриконов как балансировочный слой для строительства автодорог к Евро-2012. Высокопоставленный чиновник заявил, что рекомендовал проектировщикам, занимающимся строительством объездной дороги, максимально использовать сгоревшую породу городских терриконов.

Свою многофункциональность донецкие терриконы доказали не раз. Так, возвышение у стадиона «Шахтер» многие годы служило дополнительной трибуной для фанов. Еще во времена Советского Союза люди спокойно могли взобраться на холм и совершенно бесплатно наблюдать за футбольными баталиями на стадионе.

А на терриконе у бывшей фабрики игрушек несколько лет работало кафе. Власти региона также обсуждают к Евро-2012 идею смотровой площадки на вершине одного из терриконов в центре. Правда, как сообщили в горсовете, это станет возможным, если найдется частный инвестор.
Терриконы порождают такие основные проблемы: загрязняют воздух продуктами горения, создают угрозу проседания почвы в районе шахтных выработок и под терриконами. Сейчас все это сильно усугубилось бездумным развалом угольной отрасли.

Почему на Западе нет и не было подобных проблем? Почему терриконы не стали визитной карточкой Европы? В Америке, Польше и Германии пустая порода от проведения выработок перерабатывается, смешивается с добавками (например, с песком), а затем закладывается обратно в выработанное пространство, земля рекультивируется. Но прежде чем убрать отвалы, оценивают, все ли полезные элементы из них извлечены. Происходит это по такому сценарию, поскольку правительство выдает лицензию на добычу ископаемых через экологические службы. Экологи изучают, насколько деятельность человека нарушит биологическое равновесие на месте добычи.

Ведется учет даже количества гнездовий птиц, животных, обитающих на этой территории. Но лицензия на разработку выдается только с условием, что после отработки все будет восстановлено в первоначальном виде. Естественно, ни о каких терриконах с их взрывами и токсичностью речь не идет.

Мы всё тешим себя мыслью: «Сейчас и так нормально, а потом накопим денег и сделаем как следует». Но время не ждет! Ничего не решится само собой. Накопить деньги на спасение области от экологической катастрофы у государства не получается. Десятилетиями длятся споры о том, что делать с породными отвалами. Больше ждать нельзя. Нужно действовать! Нужно что-то делать, предпринимать! Так, как это делают на западе! Ведь вариантов масса!

Пока ученые рассказывают о миллионах долларов, хранящихся в тлеющей породе терриконов, о том, что из отвальной породы нужно добывать глинозем, — мы все медленно умираем…

Легкие требуют чистого воздуха. Глаза — прекрасных пейзажей. Сердце — спокойствия за будущее детей и нашей планеты.

Кто, если не мы? Когда, если не сейчас?