Технические науки/ 10. Горное дело

ст. преподаватель Грибанова Г. И.,

студентка I курса Горлова Екатерина Юрьевна

«Кузбасский государственный технический университет», Россия

Глобальные проблемы и перспективы использования техногенных продуктов промышленности

На долю Кузбасса приходится почти половина общего объема добываемых в России углей и 3/4 коксующихся. Большое разнообразие технологических свойств и высокое качество кузнецких углей предопределяет широкую сферу их применения. Они используются для производства металлургического кокса, строительных материалов, как технологическое сырье и энергетическое топливо.

Использование углей как энергетического топлива осуществляется в основном по трем направлениям: пылевидное сжигание на ТЭЦ, ГРЭС и районных котельных; слоевое сжигание; сжигание в различных небольших энергетических установках коммунально-бытовых служб и частных потребителей [1].

В процессе извлечения и использования углей накапливаются огромные массы отходов. Это вскрышные породы, шлаки, золы уноса, отходы обогащения и др.

В целях рационального повышения экономической эффективности тепловых электрических станций и надежности их обеспечения угольным топливом является создание энергоблоков на основе новых, прогрессивных технологий использования твердого топлива. Разрабатываются и внедряются новые технологии сжигания угольного топлива, которые позволяют использовать низкосортное угольное топливо с широким диапазоном колебания его качественных характеристик. К перспективным технологиям энергетического использования угольного топлива относятся:

- низкотемпературная вихревая технология сжигания угольного топлива;

- технология сжигания угольного топлива в кипящем слое;

- технология сжигания угольного топлива с предварительной газификацией и т.д.

При использовании указанных новых технологий сжигания угля возрастает эффективность производства энергии.

Существующие технологии производства угольной продукции связаны с выходом большого количества твердых отходов. Предприятия угольной отрасли расходуют значительные средства на транспортировку и складирование твердых отходов, платят за их размещение и загрязнение окружающей природной среды, возникающее вследствие вредных выбросов и сбросов в местах размещения отвалов.

При значительных объемах накопленных в угольной отрасли отходов, их использование в качестве товарной продукции является одной из глобальных задач. Между тем, накопленные отходы представляют собой техногенные месторождения углеотходов, содержащие массу ценных компонентов, которые с течением времени приобретают все большую промышленную ценность и социально-эколого-экономическую значимость в связи с истощением и ограниченностью первичных минеральных ресурсов недр, недостатком инвестиционных средств на природоохранные работы. Лишь незначительная часть отходов используется для хозяйственных нужд, главным образом в стройиндустрии. По разным оценкам, только золошлаковых отходов в России скопилось в отвалах более 2 млрд. тонн.

Кроме того, огромное количество шлаков образуется в металлургии черных и цветных металлов. Состав доменного шлака – кварц, оксиды алюминия, кальция и магния. На них приходится 90% всего состава шлака. Изучается возможность комплексного использования и этих шлаков. Известно, что в России используется около 11% золошлаковых отходов, а за рубежом около 80%. Шлаки - продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов – топлива, руды, плавней и газовой среды. Это сырье имеет множество ценных качеств. Во многих районах страны из шлака построены дома, промышленные здания. В Росси и других странах отвальный шлак использовали в качестве щебня при постройке дорог. И сейчас ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.

В настоящее время основным потребителем доменных шлаков является цементная промышленность. Для цементной промышленности также перспективными являются некоторые другие виды металлургических шлаков: феррохромовый, позволяющий получать цветной портландцементный клинкер; никелевые и медные, применяемые в качестве железистого компонента сырьевой цементной смеси и активной минеральной добавки. Шлаки алюмотермического производства ферросплавов и вторичной переплавки алюминия и его сплавов – могут использоваться как сырье для производства глиноземистого цемента и сверхбыстротвердеющего портландцемента.

Доменные гранулированные шлаки - основной вид сырья при производстве шлаковых цементов. Их получают в качестве побочного продукта при выплавке чугуна из железной руды в доменной печи. Шлаки, так же как и чугун, выпускают из печи в расплавленном состоянии. При выплавке 1т чугуна получается 0,6- 0,7 т шлака. Грануляция доменного шлака осуществляется путем быстрого охлаждения шлакового расплава с применением (либо без) механического раздробления еще жидкого или полузатвердевшего шлака. Грануляция шлака облегчает его дальнейшую переработку, повышает гидравлическую активность, что является важнейшим свойством шлака как компонента шлаковых цементов и добавки к портландцементу.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что угли содержат большое количество редких и рассеянных элементов, черных, цветных и благородных металлов. Ценные минеральные примеси находятся как в органической, так и в минеральной частях угля. Эти элементы, содержащиеся в количестве < 1%, часто выделяются под условным названием "малых" элементов и изучаются как попутные полезные ископаемые и вредные компоненты, также с генетической точки зрения. В настоящее время в углях установлено более 50 малых элементов. Это Li, S, K, Sc, Ti, V, Fe, Co, Ni, Zn, Rb, Y, Sn, Sb, Ce, Sm, Eu, Yb, Ln, Hf, Ge, Ce, Au, Ag и др. В связи с возрастающим интересом к элементам- примесям в углях начато изучение пластовых и товарных угольных проб с применением современных аналитических методов .Предварительные результаты этих исследований с выводами о закономерностях распространения редких элементов и рекомендациями по их промышленному использованию отражены в работах ВНИГРИуголь, выполнявшихся под руководством Б. Ф.Нифантова [2], и группы томских ученых исследователей, возглавляемых Л. П. Рихвановым [3]. Ценные элементы в товарных содержаниях (в расчете на теоретическую золошлаковую массу) установлены во всех угледобывающих районах Кузбасса. Наиболее распространенными являются (в %): Ti-12; Ga-10; Al-9; Fe; Ti-12; Ga-10; Al-9; Fe , Hf и Zr- по 6; Sr , Nb и Ta - по 5 ; Sc , Ge, Ag, La, Lu и Au - по 2 4 ; Li , Be ,Sb ,Tb ,Yb, Th и U - по 1% .

Золошлаковая. масса энергетических и коксующихся углей имеет более высокие содержания выше перечисленных элементов. Эти компоненты могут быть извлечены из углей, продуктов их обогащения; золошлаковых и других отходов переработки угольной продукции методами магнитной или радиоизотопной сепарации и другими способами [3].

По мнению ученых благоприятным для выбора эффективных технологий извлечения является местонахождение Al, Fe и редких земель. Такой набор позволит извлечь из техногенного сырья 25-35% полезных компонентов с высокими ценовыми и маркетинговыми показателями. Существенную значимость для комплексного извлечения товарной окиси алюминия представляет присутствие алюминия в золошлаках в количествах 15-19%.

Железо представляет реальный интерес для извлечения из золошлаков при его содержании 7,5% и выше. Твердые шламовые отходы могут быть достаточно эффективно переработаны с получением железорудного концентрата. Это актуально для всех угольных предприятий, где вскрываются и перерабатываются угли и породы с содержанием железа в золошлаковой массе не ниже 7,5%.

Переработке с извлечением полезных компонентов могут быть подвержены хвосты обогащения, пыли и шлаки цветной металлургии. Концентрация железа в этих шлаках достигает 25% и более, а в пылях и шламах черной металлургии до 60 %. Что превышает показатели необогащенных руд. В отвалах цветной металлургии содержатся Cu, Co,Ni , Ag и др. Огромные запасы отходов привели к возникновению своеобразных техногенных месторождений.

Извлечение полезных компонентов и полная утилизация золошлаковых отходов за счет использования их полезных свойств и производства строительных материалов, получения ценных полезных элементов из золошлаковых отходов переработки угля, железных и полиметаллических руд позволит высвободить занимаемые площади, занимаемые отвалами, а так же снизить негативное воздействие на окружающую среду. Для решения этой программы в Кузбассе необходимо разработать и реализовать программу комплексного освоения месторождений полезных ископаемых региона путем создания специализированных лабораторий, скоординировать деятельность по изучению и оценке уже существующих золошлаковых отходов угольного и металлургического производств.

Литература

1. Компоненты зол и шлаков ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1995, 249 с.

2. Нифантов Б. Ф. Потапов В. П., Митина Н. В. Геохимия и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов в кузнецких углях. Перспектива переработки. Кемерово. Институт угля и углехимии СО РАН, 2003. – 100 с.

3. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский, бассейны месторождений Алтайского края и Республики Алтай). – М.: ООО «Геоинформцентр» , 2003. – 604 с.