Автор: Силякова М. В., Шаповалов В. В.
Источник: Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: збірка доповідей XXIV Всеукраїнської наукової конференції аспірантів і студентів / ДонНТУ, ДонНУ. Т. 1. – Донецьк: ДВНЗ ДонНТУ
, 2014. – 234 с.
Отходы угольной промышленности являются активным источником загрязнения окружающей среды. На основании изучения проблемы показаны возможные варианты их применения в современных промышленных процессах с извлечением не только экологической, но и экономической выгоды.
На сегодняшний день в Донецкой области порядка около 600 терриконов, которые занимают свыше 3,5 тыс. га. Из 507 породных отвалов 77 горят, около 100 терриконов считаются уже перегоревшими. Так, с одного горящего отвала за сутки в среднем выделяется в атмосферу 4–5 т оксида углерода и от 600 до 1100 кг сернистого ангидрида, небольшое количество сероводорода, оксидов азота и других продуктов горения. При этом объем использования промышленных отходов незначителен – 5–6 % от их выхода. Терриконы негативно воздействуют на атмосферный воздух, подземные и поверхностные воды, грунты, растительный и животный мир [1].
Исходя из сложившейся экологической и экономической ситуации, представляется перспективным вовлечение терриконов в хозяйственный оборот как мощную и практически бросовую минерально-сырьевую базу, запасы которой более чем достаточны для создания высокорентабельных перерабатывающих производств на многие десятилетия.
При этом известно, что использование отходов в 2–3 раза дешевле, чем природного сырья. Расход топлива при использовании отдельных видов отходов снижается на 10–40 %, а удельные капиталовложения на 30–50 %.
Горелые породы шахтных терриконов – это продукт самообжига пустых пород, извлеченных на поверхность вместе с углем. Физико-химические процессы, протекающие при горении терриконов, подобны технологическим процессам керамического производства или получения минеральных вяжущих веществ [2]. Горелая порода по основным физическим и химическим свойствам близка к глине, обожженной при 800–1000 °C.
В [3] показано, что пустые породы угольных месторождений являются перспективными полезными ископаемыми, которые при ожидаемом прогрессе в технологии могут быть использованы в ближайшие десятилетия. В зависимости от структуры горелые породы делят на 4 группы: наиболее слабые – отходы шахт, разрабатывающие тощие угли; цвет этих пород темно-серый, они слабо обожжены и имеют аморфную структуру; рыхлые – породы шахт, отрабатывающих газовые угли, слабо обожжены, имеют светло–розовый свет; твердые – породы шахт, разрабатывающих коксующиеся угли, имеют плотную структуру, хорошо обожжены, цвет их изменяется от темно-коричневого до коричневого; очень твердые – породы шахт, разрабатывающих антрацитовые угли, обжиг их доведен до оплавления. Химический состав усредненных проб горелых пород различных шахт Донбасса колеблется в широких пределах: SiO2 (48,3…57,9 %), Al2O3 (30,7…46,6 %), Fe2O3 (0,44…12,1 %), CaO (1,4…4,7 %), MgO (0,8…2,5 %), SO3 (1,1…2,4 %).
Для выбора направления использования каждый вид промышленного отхода должен пройти несколько уровней оценки по различным критериям: по токсичности; химико-минералогическому составу; агрегатному состоянию, объемам образования. После такой многоуровневой оценки определяется направление утилизации и номенклатура продукции, получаемая на основе конкретного техногенного сырья.
Во многих странах мира разработаны разнообразные программы по использованию отвальной породы в качестве сырья и топлива промышленности. В России Государственная Дума даже приняла отходы угледобычи к полезным ископаемым. Если обратиться к мировому опыту, то можно выделить несколько вариантов использования терриконов донбасских шахт для получения экономической выгоды. Некоторые из этих способов представлены ниже.
Из угольных отходов и отвальной породы может быть получено качественное топливо. Имеется возможность переработки угольных отвалов в окускованное топливо, которое имеет высокие теплоэнергетические и механические свойства. География поставок линий для изготовления топливных стержней может быть расширена за счет Польши, России, Румынии и даже Китая, где уголь широко используется для бытовых нужд.
Особого внимания в настоящее время заслуживают возможности использования глинистых сланцев, хвостов обогащения углей, а также других глинистых пород для получения глинозема (Al2O3), из которого выплавляется алюминий. Традиционный глинозем и алюминий получают из бокситов, т. е. пород с содержанием глинозема более 26–28 %. Но высокое содержание Al2O3 характерно и для пород терриконов Донбасса. В среднем по Донбассу содержания Al2O3 составляют в текущих отходах угледобычи – 23,1 %, отвалах обогатительных фабрик – 20,2 %, отходах флотации – 25,8 %, породных отвалах – 21,7 %. Это свидетельствует о том, что породы терриконов можно использовать для получения глинозема, из которого выплавляют алюминий, и рассматривать в качестве нового нетрадиционного вида минерального сырья.
Результаты исследований, проведенных специализированными организациями, показывают, что отходы угледобычи представляют особый интерес и как источники получения металлов, в первую очередь цветных и редких. Так, в породных отвалах луганских шахт отмечено повышенное содержание бериллия, олова, иттрия, иттербия, цинка, меди, стронция, ниобия, скандия и других металлов, а в отходах углеобогащения – ванадия, марганца и хрома.
Среди перспективных направлений переработки горелых пород можно выделить производство керамических стеновых материалов на их основе. Обладая высокой теплотворной способностью (2500…9200 кДж/кг), они используются также в качестве исходного сырья или выгорающей добавки при производстве искусственных пористых заполнителей бетона, например, аглопорита.
По данным исследователей Книгиной Г. И и Сиверцева Г. Н. горелые породы используют как заполнители для бетонов, в виде активной минеральной добавки в бетон, а также в качестве компонента композиционных вяжущих в сочетании с гипсом и известью, если содержание углистых примесей в них не превышает 5 %.
По используемой во Франции технологии породу, поступающую с углеобогатительной фабрики, сначала тщательно измельчают (крупность частиц должна достигать размеров менее миллиметра), затем увлажняют до 8 % и подают в пресс, который формирует кирпичи. Далее они нагреваются до температуры 850–900 °C, с тем, чтобы частички угля, находящиеся в массе, полностью выгорели. Это, между прочим, приводит к равномерному и глубинному обжигу кирпича. Использование отходов угледобычи позволяет снизить расход топлива на 75 % и обойтись без глины.
Сложность заключается в том, что не все терриконы могут дать сырье для кирпича. Так, например, из каждых 20 обследованных терриконов в Донбассе пригодными оказались лишь 5–6. В остальных отвалах сырье имело большую влажность, чем предъявляет технология. Но ведь и производство кирпича из обычной глины требует тоже тщательного подбора сырья. К тому же существует реальная возможность применения технологий осушения породы во время ее механической обработки.
Анализ химического состава, высокие значения гидравлической и адсорбционной активности позволяют рассматривать горную породу как глинистое сырье при производстве портландцемента. Для производства портландцементного клинкера применяют известняки (основной источник CaO) и глинистые породы (источник SiO2, Al2O3, Fe2O3). В то же время на глинистое сырье для производства портландцемента нет установленных стандартом технических требований. Допустимые содержания полезных и вредных компонентов в глинистых породах зависят от содержания их в карбонатной составляющей. Оценка возможности использования глинистых пород в качестве цементного сырья регламентируется соответствующими техническими требованиями.
Для производства обычного портландцемента могут быть использованы глинистые породы с силикатным модулем n от 2 до 4 и глиноземным модулем p от 1 до 3. При отклонении от указанных пределов пригодность глинистых пород зависит от возможности корректирования их химического состава при помощи добавок. Увеличение SiO2 достигается благодаря использованию трепела, опоки, диатомита. Недостаток оксида железа можно устранить введение добавок колчеданистых огарков, железной руды.
Таким образом, разработка мероприятий по комплексной переработке пород шахтных терриконов позволит решить ряд актуальных задач: