Утилизация промышленных отходов. Утилизация отходов топливно-энергетического комплекса.
В связи с большим разнообразием промышленных отходов для систематизированного рассмотрения, в данном разделе отходы сгруппированы по промышленным комплексам и источникам образования.
Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли. Преобладающая часть угля в Украине добывается подземным способом. Отходы образуются при добыче, обогащении и сжигании угля.
Отходы добычи называют вскрышными или шахтными отходами в зависимости от способа разработки. При подземном способе добычи извлекается меньше попутных пород, чем при открытом, но и они составляют значительные объемы. Так, например, на 1 т угля при открытой добыче образуется до 3 — 5 т вскрышных пород, при подземной — до 0,2 — 0,3 т шахтных.
Вскрышные и шахтные породы имеют неоднородный химический и минералогический состав и представляют осадочные породы:
- глины,
- суглинки,
- супеси,
- аргилиты,
- алевролиты,
- песчаники,
- глинистые и песчанистые сланцы,
- известняки.
Дольше всего в их составе аргилитов (до 60%). Кроме того, они содержат в своем составе уголь до 20%, серу, содержание которой пропорционально содержанию угля, в небольших количествах цветные, редкие металлы, в следовых количествах радионуклиды — уран, торий.
Отвалы занимают большие площади земель, подвергаются водной и ветровой эрозии, загрязняя прилегающую территорию.
Значительный урон природной среде приносит самовозгорание терриконов. Основной причиной самовозгорания является окисление угля, сопровождающееся выделением большого количества тепла, которое аккумулируется в порах пород и обеспечивает возгорание горючих материалов. В отдельных отвалах эти процессы проходят настолько интенсивно, что отвальные породы разогреваются до высоких температур и горят с выделением значительного количества углеводородов, сажи, оксидов азота, серы, углерода и др. Поэтому вокруг отвалов устраивают защитные зоны, что приводит к увеличению площади отчуждаемых земель. Основными мероприятиями по предупреждению самовозгорания породных отвалов является ограничение притока кислорода и уменьшение количества горючих компонентов в складируемой породе.
С этой целью в некоторых странах проводят дополнительное извлечение угля с помощью специальных установок на групповых отвалах. Для снижения притока кислорода отвалы уплотняют. Этого можно достичь путем дробления породы, уплотнением ее при складировании с помощью автотранспорта, катков, вибраторов, затоплением водой, устройством глинистых экранов, обработкой пород суспензиями извести, известняка, глины. Такие отвалы рекомендуется устраивать плоскими. Породы в них уплотняют слоями толщиной 1,0 — 1,5 м, а по периметру устраивают дамбы из инертных материалов или перегоревших пород.
Твердые отходы угледобычи используют в качестве низкосортного топлива (при определенном содержании горючих составляющих), как компоненты, повышающие плодородие почв, и как сырье при производстве строительных материалов. Однако из-за неоднородности состава утилизация их сложна и не всегда экономически оправдана.
Перспективным направлением утилизации пород, содержащих углеродистое вещество, является их газификация.
Газификации целесообразно подвергать свежую породу, содержащую 20% и более горючих веществ. При этом дополнительно получают энергетическое топливо, а зольный остаток можно использовать для производства строительных материалов.
В мировой практике отходы угледобычи используют для закладки выработанных шахтных пространств. Разработаны технологии закладки без подъема породы наверх.
Особую группу отходов угледобычи представляют горелые породы, обожженные в недрах земли при естественных подземных пожарах в угольных пластах и аналогичные им перегоревшие отвальные шахтные породы. По основным физико-химическим свойствам они близки к глинам, обожженным при температуре 800 — 1000° С, истинная плотность их составляет 2400 — 2700 кг/м3, плотность куска — 1300 — 2500 кг/м3. Содержание топлива в естественных горелых породах достигает 2 — 3%, в отвальных горелых породах его может быть значительно больше. Горелые породы могут широко использоваться при производстве строительных материалов. Они, как и другие обожженные глинистые материалы, обладают гидравлической активностью и могут использоваться как активные минеральные добавки для бесклинкерных известково-глинитных и сульфатно-глинитных вяжущих. Известково-глинитные вяжущие получают совместным тонким помолом горелых пород и извести с небольшой добавкой гипса. Они содержат в своем составе 10 — 30% извести в зависимости от активности горелой породы, до 5% гипса, остальное — горелая порода.
Сульфатно-глинитные вяжущие получают совместным помолом:
- двуводного гипса (50 — 65%),
- горелой породы (15 — 40%),
- портландцементного клинкера (10 — 20%).
Такие вяжущие применяют для производства низкомарочных бетонов и растворов.
Горелые породы применяют как гидравлические добавки в количестве до 20% к портландцементу и 25 — 40% к пуццолановому портландцементу.
В бетонах и растворах горелые породы используют в качестве крупных и мелких заполнителей. Горелые породы также используют для производства щебня, пористых заполнителей (аглопорита и керамзита), асфальтобетона, для устройства дорожных оснований под покрытия, насыпей и т.д.
- Аглопорит — искусственный пористый заполнитель, получаемый спеканием глинистых пород или различных отходов на решетках агломерационных машин и последующим дроблением спекшегося коржа. Получают аглопорит в виде щебня.
- Керамзит — это искусственный пористый заполнитель, получаемый вспучиванием и спеканием гранул, сформованных из вспучивающихся глин или различных отходов, во вращающейся печи.
Широкое использование горелых пород затрудняется их неоднородностью и содержанием несгоревшего топлива.
Отходы углеобогащения образуются при обогащении угля для коксования, энергетических и других целей и представляют собой смесь осадочных пород, частиц угля и угольно-минеральных сростков. В их состав входят в различных соотношениях в зависимости от района добычи:
- глины,
- аргилиты,
- сланцы,
- алевролиты,
- песчаники,
- известняки,
- кальциты.
Содержание органической массы может достигать 15% и более. Кроме того, в отходах содержатся сера, микроэлементы — свинец, цинк, молибден, галлий, германий и др.
По зерновому составу отходы обогащения разделяют не породы обогащения крупностью от 200 до 0,5 мм, образуемые при гравитационном обогащении угля (преимущественное содержание фракций 5 — 40 мм), и хвосты флотации крупностью <0,5 мм, образуемые при флотационном обогащении. Породы обогащения составляют основную массу отходов (до 90%). Складируют их в гидроотвалы или механическим способом в отвалы, отходы (хвосты) флотации — в хвостохранилища.
Отходы углеобогащения используют как энергетическое сырье путем сжигания или газификации, направляют на переобогащение, получают серу и ее соединения, строительные материалы, сырье для цветной и черной металлургии, используют в сельском хозяйстве, производстве ферросплавов, для извлечения редких рассеянных элементов, при устройстве насыпей, закладке подземных выработок, рекультивации земель.
Перспективным направлением является применение отходов углеобогащения в качестве отощающей и выгорающей добавки к сырью и в качестве основного сырья при производстве керамических изделий (кирпича, плитки, черепицы), пористых заполнителей.
Хвосты флотации в сравнении с породами обогащения, угледобычи более однородны по составу, содержат до 20% органического вещества, микроэлементы.
Это дает возможность их использовать в качестве удобрений в сельском хозяйстве.
Несмотря на многолетние исследования, длительные эксперименты и экономические расчеты, подтверждающие целесообразность утилизации отходов углеобогащения, в нашей стране они используются незначительно.
Золошлаковые отходы образуются при сжигании твердого топлива в топках тепловых электростанций при температуре в топочной камере 1200 — 1700° С. Выход золошлаковых отходов зависит от вида топлива и составляет в:
- бурых углях 10 — 15%,
- в каменных 3 — 40%,
- в горючих сланцах 50 — 80%,
- мазуте 0,15 — 0,20%.
Топливо сжигают в виде мелких кусков или в пылевидном состоянии, отходы образуются соответственно в виде шлака или золы. Золу улавливают с помощью воды в специальных бункерах и удаляют в виде пульпы гидротранспортом в золоотвалы. Шлаки гранулируют путем быстрого охлаждения водой и удаляют в отвалы сухим или гидравлическим способом. Зола представляет собой тонкодисперсный материал и состоит из частиц крупностью 0,1 — 0,005 мм. Крупность частиц шлака 20 — 30 мм.
Химический состав золошлаковых отходов зависит от минеральной составляющей топлива и колеблется в зависимости от месторождений угля. Примерное содержание основных оксидов в золошлаковых отходах:
- Si02 37 — 63%,
- А1203 9-37%,
- Fe203 4-17%,
- СаО 1-32%,
- MgO 0,1-5%,
- S03 0,05-2,5%.
В золе присутствует несгоревшее топливо до 6 — 7% и более, в шлаках, как правило, оно отсутствует. В золошлаковых отходах также концентрируются радионуклиды. При использовании их для производства строительных материалов необходимо осуществлять контроль за их содержанием.
При оценке золошлаковых отходов как сырья для строительных материалов важной характеристикой их химического состава является соотношение основных и кислотных оксидов — модуль основности:
при М0> 1 шлаки относятся к основным, при Mg< 1 — к кислым. Большинство золошлаков ТЭС — кислые.
Истинная плотность золошлаков в зависимости от химико-минералогического состава колеблется в пределах 1800 — 2400 кг/м3, насыпная 600 - 1100 кг/м3.
Зола и шлак являются крупнотоннажными отходами. Так, например, тепловая электростанция мощностью 1 млн кВт за сутки сжигает около 10 000 т угля, при этом образуется около 1000 т золы и шлака. Золошлако- вые отвалы занимают тысячи гектаров земель, пригодных для использования в сельском хозяйстве. Ими загрязняются почвы, поверхностные, подземные воды и особенно воздушный бассейн. Золошлаковые отходы являются ценным вторичным минеральным сырьем. Зола и шлак обладают гидравлической активностью и могут использоваться для производства бесклинкерных вяжущих, в качестве сырьевых компонентов для получения цементного клинкера и как добавки к цементам. Из бесклинкерных вяжущих наиболее известен известково-зольный цемент, получаемый совместным помолом золы и извести.
Состав известково-зольных цементов зависит от содержания в золе активного оксида кальция, оптимальное количество извести в этом цементе составляет 10 — 40%. Золы и шлаки используют как добавки при производстве портландцемента. Присутствие в составе золы несгоревшего топлива приводит к снижению его расхода при производстве цемента. В портландцемент добавляют до 15% золошлака, в пуццолановый до 25 — 40%. Введение золы в цемент снижает его прочность в начальные сроки твердения, а при длительных сроках твердения прочность цементов с золой становится более высокой.
Одним из наиболее перспективных направлений утилизации золо-шлаковых отходов является производство из них пористых заполнителей для легких бетонов. Мелкий заполнитель может быть заменен золой. В качестве крупных заполнителей применяют щебень из топливных шлаков, аглопорит на основе золы, зольный обжиговый и безобжиговый гравий и глинозольный керамзит.
Шлаки, используемые для производства щебня, должны быть устойчивы против распада. При медленном охлаждении шлаков наряду с образованием минералов могут происходить полиморфные превращения, что приводит к распаду и самопроизвольному превращению кусков шлака в порошок. Для предотвращения распада топливные шлаки рекомендуется применять после длительного (3 — 6 месяцев) вылеживания в отвалах, в результате чего в них гасится свободный оксид кальция, частично выщелачиваются соли и окисляются топливные остатки.
Топливные шлаки и зола являются сырьем для производства искусственного пористого заполнителя — аглопорита.
При обычной технологии его получают в виде щебня. Разработаны также технологии производства аглопоритового гравия из золы, глинозольного керамзита и зольного гравия. Глино-зольный керамзит получают вспучиванием и спеканием в печах гранул, сформованных из смеси глины и золы. Разработаны технологии производства обжигового и безобжигового зольного гравия, позволяющие использовать практически любые золы, получаемые от сжигания различных видов углей. Установлена эффективность введения золы до 20 — 30% взамен цемента при изготовлении бетонов и растворов. Особенно целесообразно введение золы в бетон гидротехнических сооружений. Например, зола использовалась при строительстве Днестровского гидроузла, Братской ГЭС.
Золошлаковые отходы используют для производства силикатного кирпича, взамен извести и песка, при этом расход извести снижается на 10 — 50%, песка на 20 — 30%. Такой кирпич имеет более низкую плотность, чем обычный.
Топливные зола и шлак применяются в качестве отощающих и выгорающих добавок в производстве керамических изделий на основе глинистых материалов, а также в качестве основного сырья для изготовления зольной керамики. Так, на обычном оборудовании кирпичных заводов может быть изготовлен зольный кирпич из массы, состоящей из золы, шлака, натриевого жидкого стекла в количестве 3% по объему. Зольная керамика характеризуется высокой кислотостойкостью, низкой истираемостью, высокой химической и термической стойкостью.
Из топливных золошлаков получают плавленые материалы: шлаковую пемзу и вату.
Разработана технология производства высокотемпературной минеральной ваты методом плавки в электродуговой печи. Этот материал используется для изоляции поверхностей с температурой до 900 — 1000° С. Также возможно получение стекол, архитектурно-строительных изделий и облицовочных плиток.
Одним из основных потребителей золошлаковых отходов является дорожное строительство, где их используют как засыпку при устройстве оснований, для приготовления асфальтобетонных покрытий. Золу используют также в качестве наполнителей для производства мастик рулонных кровельных материалов.
Несмотря на очевидные выгоды и перспективы широкого применения золошлаковых отходов, объем их использования в нашей стране не превышает 10%. Утилизация зол и шлаков требует решения целого комплекса вопросов от разработки технических условий на их применение, технологических линий по их переработке, транспортных и погрузочно-разгрузочных средств до перестройки психологии хозяйственников в отношении вторичных минеральных ресурсов.
