Применение отходов добычи угля при производстве портландцемента

РЕФЕРАТ. В статье описана разработка технологии изготовления портландцементного клинкера с использованием отходов добычи угля. В состав сырьевой смеси в качестве корректирующей добавки предлагается включать также железную охру. В клинкерах, полученных из данного сырья и обожженных при различных температурах, фиксируется наличие меньшего количества свободной извести по сравнению с клинкером из традиционного сырья. Предлагаемые сырьевые компоненты также выступают в качестве минерализаторов, повышают активность портланд­цементного клинкера, при их применении возможно снижение температуры обжига на 100—150 °C. В результате в теории можно сократить выбросы СО₂ в атмосферу при производстве клинкера на 12—15 %. Таким образом расширяется сырьевая база цементной промышленности и раскрываются дополнительные возможности перехода к зеленой экономике.

Ключевые слова: утилизация отходов, угольные отсевы, зеленая экономика, обжигаемость, свободная известь.

Keywords: waste utilization, coal screening, green economy, burnability, free lime.

Введение

Актуальные для цементной промышленности задачи — снижение температуры обжига клинкера, сокращение потребления тепловой энергии и выбросов CO₂ в атмосферу, экономии электроэнергии. Один из способов снижения температуры обжига клинкера и соответствующих энергозатрат — применение альтернативных видов сырья.

Глина и по сей день остается наиболее предпочтительным и широко используемым алю­мосиликатным сырьем в технологии порт­ландцемента. Природные глины имеют различные свойства и сложный состав. Для производства цемента подходят только их определенные виды. Состав некоторых из них способ­ствует снижению температуры спекания сырьевой смеси, иные же могут, наоборот, ухудшить обжигаемость и снизить качество получаемого цемента [1—7].

В работах [8—10] описано применение в составе цементного сырья керамических и мрамор-содержащих отходов, прокаленного диатомита и вольфрамитовой руды. Использование такого сырья из альтернативных источников позволяет цементным предприятиям снижать затраты на производство клинкера. Однако в опубликованных исследованиях не в полной мере изучено влияние минерального состава сырья на обжигаемость клинкеров, а также представлено недостаточно сведений о влиянии минералогического состава получаемого клинкера на качество цемента. Существующие исследования по этой теме довольно поверхностны.

В настоящей работе исследована возможность использования угольных отсевов, образующихся при грохочении угля при его добыче, в качестве альтернативного сырья в цементной промышленности. Как правило, в тра­диционном цементном сырье относительно низкое содержание соединений железа и алюминия. При этом в отсевах угледобычи велико содержание соединений алюминия, железа, низко содержание силикатных минералов, а в целом химический состав этих отсевов сопоставим с составом традиционного цементного сырья.

На практике грохочение угля выполняют непосредственно при его добыче. Например, в карьерах Ангренского угольного бассейна (Узбекистан) при добыче топливных ресурсов образуется большое количество отсевов (рис. 1). Этот материал пока еще не был оценен в качестве возможного сырья для предприятий цементной промышленности [11].

Рис. 1. Отвалы угледобычи Ангренского угольного бассейна

В настоящее время основная цель переработки отвалов угледобычи — отделение от них угольных остатков. По последним статистическим данным, в среднем от 10 % до 20 % отсева антрацита оседает в отвалах техногенных угольных отходов. Объемы отвалов только в Ангренском угольном бассейне составляют сотни миллионов тонн [11, 12].

В ходе исследований в настоящей работе изучены обжигаемость клинкера из сырьевой муки, содержащей отходы добычи угля (ОДУ) в сравнении с мукой «традиционного» состава, минералогический состав и свой­ства полученных образцов клинкера и цемента. Также для интенсификации обжига цемент­ной сырьевой муки (шихты) в нее добавляли определенное количество железной охры из Куйташского месторождения (рис. 2). Были изучены процессы гидратации, физико-механические свойства и микроструктура образцов портландцемента, полученных из сырьевой муки предложенного состава.

Рис. 2. Железная охра, добываемая на Куйташском месторождении

Материалы и методы исследования

В составе исследованного материала угольного отсева присутствуют зерна песчаника размером от 5—6 до 150 мм и углерод алевролита [13]. Данный материал можно использовать в качестве вспомогательного сырья при производстве строительной керамики или керамической плитки. Среднезернистая же фракция материала с размером зерен от 2 до 5—6 мм состоит из алевролита и глины, которые в значительной степени очищены от угольных частиц и могут служить сырьем для производства цементного клинкера.

По формулам Богга были рассчитаны две сырьевые смеси, в состав которых входили ОДУ, глины различного состава и железная охра Куйташского месторождения (табл. 1), для получения клинкера, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 34850—2022. Охра в составе сырьевой смеси позволяет обеспечить необходимую долю железа в клинкере, а ОДУ замещает природное алюмосиликатное сырье [12, 13].

Химический состав исходных сырьевых компонентов определяли по методикам ГОСТ 5382—2019.

Составы сырьевой муки (табл. 2) подбирали таким образом, чтобы обеспечить модульные характеристики, идентичные характеристикам традиционного портландцементного клинкера. Приготовленные шихты сырьевой муки обжигались при различных температурах в диапазоне 1200—1450 °C с шагом 50 °C. Модульные характеристики сырьевых смесей представлены в табл. 3.

Образцы сырьевой смеси слегка увлажняли и прессовали в виде брикетов на гидравлическим прессе. Полученные брикеты обжигали в лабораторной муфельной электропечи при установленной температуре, время термообработки составляло 3 ч. Образцы клинкера остывали с температуры спекания до температуры около 1200 °C со скоростью примерно 20 °C/мин, затем — ​резко на воздухе со скоростью около 200 °C/мин.

Клинкер размалывали  в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности 2500—3000 см2/г, остаток на сите № 008 при этом составлял не более 5 %. В зависимости от содержания C3A в клинкере, при его помоле вводили до 3,5 % масс. гипсового камня.

Структуру и минералогический состав клинкера (пористость, распределение и зернистость кристаллов силикатных фаз, эквивалентный диаметр зерна) изучали с помощью поляризационного микроскопа. Микроструктуру образцов цементного камня исследовали в возрасте 2, 7 и 28 сут методом сканирующей электронной микроскопии.

Кроме того, для полученных цементов были определены сроки схватывания и проч­ность при сжатии стандартных цементно-песчаных образцов.

Результаты и обсуждение

В результате минералогического анализа сырья на основе традиционной глины установлено наличие в нем полевых шпатов (альбита, анортита), а также кальцита и кварца; в состав ОДУ входят мусковит, хлориты и монт­мориллонит, алевролитовые углеродистые минералы и железная охра.

На рис. 3 приведены данные о содержании свободной извести в клинкере в зависимости от температуры обжига исследуемых образцов. Добавление в сырьевую смесь ОДУ и железной охры улучшает обжигаемость клинкера: содержание свободной извести составляет 1,60 % для образца, спеченного при 1450 °C. В аналогичном образце, изготовленном с применением традиционного глинистого компонента, содержание свободной извести — 2,87 %. Химический состав, а также расчетные модульные характеристики и содержание фаз в клинкерах, обожженных при температуре 1450 °C, представлены в табл. 4 и 5.

Рис. 3. Содержание свободной извести в клинкере в зависимости от температуры спекания: 1 — ​контрольный клинкер, 2 — ​клинкер ОДУ

Рис. 4. Предел прочности при сжатии образцов: 1— контрольный состав, 2 — ​цемент ОДУ

Из полученных образцов клинкера были изготовлены два вида цемента, физико-механические свойства которых были определены согласно ГОСТ 34850—2022. Установлено, что образцы цемента, изготовленные из сырьевой смеси с ОДУ, соответствуют требованиям стандарта. Кинетика набора прочности при сжатии образцов стандартного цементно-песчаного раствора показана на рис. 4. Физико-механические свойства образцов цементов представлены в табл. 6.

Выводы

Представляется перспективным использование отходов угледобычи Ангренского угольного бассейна вместо традиционного алюмосиликатного сырья при производстве портландцементного клинкера.

При добавлении отходов угледобычи Ангренского угольного бассейна и железной охры Куйташского месторождения в состав сырьевой муки снижается количество свободной извести в получаемом клинкере.

Температура спекания цементной сырьевой муки, обогащенной отходами угледобычи и железной охрой, ниже, чем у сырьевой муки из традиционного сырья.

При использовании отходов угледобычи и железной охры нет необходимости дополнительно вводить в состав сырьевой смеси бокситы и железную руду, что снижает себестоимость производства клинкера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Her S., Park J., Li P., Bae S. Feasibility study on utilization of pulverized eggshell waste as an alternative to limestone in raw materials for Portland cement clinker production // Constr. Build. Mater. 2022. Vol. 324. P. 126589.

2. Her S., Park T., Zalnezhad E., Bae S. Synthesis and characterization of cement clinker using recycled pulverized oyster and scallop shell as limestone substitutes // J. Clean. Prod. 2021. Vol. 278. P. 123987.

3. Ishak K.E.H.K., Hashim S.F.S., Azizli K.A.M., Palaniandy S., et al. Effect of quartz in clay on grindability of raw mixes for cement production // J. Phys. Sci. 2022. Vol. 33, N 2. P. 45—59.

4. Katte A.R., Mwero J., Gibigaye M., Koteng D.O. Recycling palm oil wastes for the production of a pozzolanic cement replacement material for concrete // Results Eng. 2023. Vol. 17. P. 100903.

5. Luo L., Zhang Y., Bao S., Chen T. Utilization of iron ore tailings as raw material for Portland cement clinker production // Adv. Mater. Sci. Eng. 2016. P. 1—6.

6. Jiang X., Xiao R., Bai Y., Huang B., et al. Influence of waste glass powder as a supplementary cementations material (SCM) on physical and mechanical properties of cement paste under high temperatures // J. Clean. Prod. 2022. Vol. 340. P. 130778.

7. Dippenaar R. Industrial uses of slag (the use and re-use of iron and steelmaking slags) // Ironmak. Steelmak. 2005. Vol. 32, N. 1. P. 35—46.

8. Gharissah M.S., Ardiansyah A., Pauziah S.R., Muhamma  N.A., et al. Composites cement BaSO4/Fe3O4/CuO for improving X‑ray absorption characteristics and structural properties // Sci. Rep. 2022. Vol. 12, N. 1. P. 19169.

9. Salati A., Isfahani H.S., Rowshanzamir M.A., Azhari A. Effect of red mud additive on the performance of clay barriers for radioactive waste disposals: an experimental study // Arab. J. Geosci. 2022. Vol. 15, N. 17. P. 1467.

10. Rodríguez N.H., Martinez Ramirez S., Blanco-Varela M.T., Guillemin M., et al. Evaluation of spray-dried sludge from drinking water treatment plants as a prime material for clinker manufacture // Cem. Concr. Compos. 2011. Vol. 33, N. 2. P. 267—275.

11. Bakhriev N.F., Nurmatov G.Y. Wide format ceramic stones based on coal mining screenings // Res. and Developments in Engin. Res. 2023. Vol. 3. P. 1—14.

12. Хурсанов Х.П. Угольная промышленность Узбекистана: этапы становления, пути развития и перспективы // Горный вестник Узбекистана. 2008. № 1 (32). С. 4—9.

13. Андреева Д. Хранители «Горючего камня»: у истоков производства // Глобус: геология и бизнес. 2021. [Электронный ресурс]. URL: https://www.vnedra.ru/geologorazvedka/hraniteli-goryuchego-kamnya-u-istokov-proizvodstva‑25499/ (дата обращения 13.05.2025).