Отходы переработки угольных отвалов — перспективная добавка при помоле цемента

РЕФЕРАТ. В статье приводятся результаты изучения возможности использовать термообработанные отходы переработки угольных отвалов. Приведены данные о влиянии указанных отходов на свойства композиционных цементов и результаты проведенной термообработки отвальных пород угледобывающей промышленности в заводских условиях. Показано влияние полученного материала на свойства шлакосодержащих цементов.

Ключевые слова: отвальные породы угледобычи, термообработка, композиционный цемент.

Keywords: coal mining wastes, thermal treatment, composite cement.

Развитие цивилизации связано с увеличением накопления различных видов отходов. Одной из отраслей, деятельность которой приводит к росту их количества, является угольная промышленность.

Все существующие способы подземной добычи угля связаны с образованием отвалов на поверхности земли. Количество терриконов (на самом деле правильное название терриконик (от фр. Terri — отвал породы, Conique — конический) постоянно растет. По разным оценкам, только в Украине объем отвальных пород ежегодно увеличивается на 30—40 млн м3 [1, 2]. Отвалы образуют конусообразные холмы (см. фото). Так как отвальная порода находится на открытом простран­стве и занимает весьма большие площади, это приводит к значительным экологическим проблемам: из оборота выводятся плодородные земли, а в окружающую среду выделяются вредные вещества, особенно при естественном возгорании терриконов [3, 4]. Утилизация отвалов позволяет одновременно решить целый ряд экономических, социальных и экологических проблем. С экономической точки зрения отвальными породами можно заменить часть традиционных видов сырья, которые постоянно дорожают, а также тех сырьевых материалов, запасы которых постепенно уменьшаются. К разработке терриконов можно привлекать персонал, который освобождается в связи с постепенным закрытием шахт.


Однако самым главным является то, что переработка отвальных пород позволит снизить выбросы вредных веществ из терриконов, уменьшить риск ухудшения качества прилегающих земель и освободить земли, которые заняты отвалами.

Сейчас в мире существует несколько вариантов использования отвальных пород в качестве сырья и топлива для различных отраслей промышленности, и разработаны программы их утилизации [5, 6]. Тем не менее в мировой практике чаще всего используются горелые породы, которые образуются в старых терриконах в результате природного возгорания, с минимальным содержанием углистой части и наличием частично обожженной глинистой составляющей.

Отметим, что породная масса «свежих» терриконов не является «пустой», как ее ино­гда называют. Она представлена в основном глинистыми минералами; кроме того, в ней содержится значительное количество угля, которое может достигать 20—40 масс. %, и соединений железа (не менее 7 масс. %). Типичные пределы содержания составляю­щих, которые содержатся в отвальных породах в наибольшем количестве, приведены в табл. 1. Наличие угля и железа представляет коммерческий интерес, однако переработка сдерживается тем, что после их извлечения остается около 80 % породы. Утилизация такого количества отходов возможна только при их использовании в крупнотоннажном производстве, например в цементной промышленности.


В последнее время постояно увеличивается выпуск композиционных цементов. Это приводит к дефициту традиционных минеральных добавок, которые используются при выпуске таких цементов. Поэтому все актуаль­нее становится поиск альтернативных силикатсодержащих добавок. Однако при наличии достаточно большого количе­ства природных добавок такого типа у них есть один весьма существенный недостаток: при их введении в композиционный цемент суще­ственно снижается скорость набора прочности в ранние сроки твердения.

Одной из добавок, которые позволяют расширить сырьевую базу производства композиционных цементов и частично нивелировать эффект снижения прочности цементов в ранние сроки твердения, могут быть отходы обогащения отвальных пород при комплекс­ной переработке терриконов.

Технология переработки угольных отвалов, разработанная в Донбасском государственном техническом университете, предусматривает в первую очередь извлечение из них остатков угля, которое целесо­образно проводить методом флотации. При наличии достаточно большого количества железосодержащих соединений извлекают и их. При этом породу подвергают умеренному обжигу (при температуре 500—800 °С) с целью перевода Fe3+ в Fe2+, что позволяет извлечь соединения железа с помощью магнитной сепарации. Расчеты подтверждают экономическую целесообразность данной технологии.

После извлечения угля и соединений железа в качестве отходов остается довольно большое количество термообработанной породы (до 80 % исходной массы). При этом происходит выгорание неизвлеченных угольных остатков, присутствие которых могло бы негативно сказаться на прочности бетонов.

Химический состав отходов обогащения приведен в табл. 2. Для сравнения указаны химические составы гранулированного доменного шлака и золы-уноса, которые использовались при проведении настоящих исследований.


Отметим, что по содержанию оксидов кремния и алюминия химический состав отходов переработки приближается к химическому составу золы-уноса. Результаты рентгенографических исследований термообработанных отходов обогащения указывают на наличие в них кварца, слюды и полевого шпата. Дифракционных максимумов, характерных для глинистих минералов, не наблюдается, что свидетель­ствует об их разложении и, возможно, частичной аморфизации. Этот вывод подверждается и результатами определения пуццолановой активности исследуемых добавок (табл. 3).


Было изучено влияние отходов угледобычи, обожженных при температуре 600 °С, и традиционных добавок (гранулированного доменного шлака и золы-уноса) на свойства смешанных цементов с 50 масс. % соответствующих добавок. Испытания проводили на малых образцах в форме куба с длиной ребра 20 мм. Результаты приведены в табл. 4.


Отметим, что введение термообработаных отходов угледобычи приводит к увеличению нормальной густоты теста. Скорее всего оно связано с частичной аморфизацией глинистой составляющей. Косвенно это подтверж­дается и ускорением сроков схватывания, что можно объяснить образованием активных алюминатов.

Полученные результаты свидетельствуют, что образцы цементов с добавкой термоактивированных отходов в возрасте 1 и 3 сут твердения имеют несколько более высокую прочность, чем образцы с добавкой золы-уноса, а в возрасте 28 сут твердения — несколько меньшую. В целом можно утверждать, что набор прочности в ранние сроки твердения в образцах с добавкой отходов протекает несколько интенсивнее, чем в образцах с добавкой золы-уноса.

На опытном цементном заводе (г. Харьков) была выпущена опытная партия добавки с использованием шахтной породы отвала № 1 шахты им. Ф.Э. Дзержинского ГХК «Ровенькиантрацит», содержащей 3,1 масс. % угля. Химический состав породы приведен в табл. 5. Материал обжигали при температуре 800 °С, чтобы добиться максимального разложения глинистых минералов.


Так как целью работы было определение возможности использовать отходы переработки в качестве добавки при производстве композиционных цементов, были изучены свойства цементов, содержащих 25 масс. % клинкера и гранулированный доменный шлак, в которых часть шлака постепенно заменяли на термообработанные отходы переработки при суммарном содержании минеральных добавок, равном 75 масс. % (табл. 6).


Отметим, что при введении отхода обогащения весьма существенно увеличилась удельная поверхность цемента. Этим подтверждается предположение о протекании процессов аморфизации глинистой составляю­щей отходов.

Результатами испытаний цементов, выпущенных в виде опытных партий, подтверж­дается и вывод об ускорении процессов твердения при использовании термообработанных отходов переработки. Прослеживается монотонное сокращение начала сроков схватывания с увеличением количества добавки в цементе (табл. 7).


При замене части шлака на термообработанные отходы существенно увеличилась прочность цементов (испытания проводили в заводской лаборатории по стандартной методике из раствора с песком на образцах размерами 40 × 40 × 160 мм). Замена отходами 20 масс. % шлака позволила повысить проч­ность образцов в возрасте 7 сут твердения практически на 35 %.

Таким образом, целесообразно рассмат­ривать термообработанные отходы переработки отвальных пород в качестве минеральной добавки при производстве композиционных цементов. Это позволит не только расширить ассортимент минеральных добавок, но и улучить экологическую обстановку в угледобывающих регионах.



ЛИТЕРАТУРА

1. Бусыгин Б.С., Сергеева Е.Л. Мониторинг состояния терриконов Донбасса по данным мультиспектральных космических съемок // Науковий вісник НГУ. 2011. № 2. С. 39—44.

2. Панов Б.С., Проскурня Ю.А. О техногенной минерализации породных отвалов угольных шахт Донбасса // Межвуз. научн. тематич. сб. «Геология угольных месторождений». Екатеринбург, 1999. С. 241—249.

3. Алехин В.И., Мигуля П.С., Проскурня Ю.А. Минералого-петрографические и эколого-геохимические особенности пород терриконов Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района) // Сб. научн. тр. НГА Украины. Днепропетровск, 1998. Т. 5, № 3. С. 35—39.

4. Busygin B., Garkusha I., Sergieieva K. Using the space survey data for fire objects monitoring of the Donetsk coal basin // 12th Intern. Symp. on Environmental Issues and Waste Management in Energy and Mineral Production SWEMP 2010. Prague. P. 25—30.

5. Prakash A., Vekerdy Z. Design and implementation of a dedicated prototype GIS for coal fire investigations in North China // Intern. J. of Coal Geology. 2004. Vol. 59. P. 107—119.

6. Kuenzer C., Zhang., Li J., Voight S., Mehl H., Wagner W. Detecting unknown coal fires: synergy of automated coal fire risk area delineation and improved thermal anomaly extraction // Intern. J. of Remote Sensing. 2007. Vol. 28, N 20. P. 4561—4585.



Автор: В.В. Токарчук, В.А. Свидерский, В.Ю. Сокольцов, С.В. Семирягин

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.