Автор: Лапенко А. П., Шаповалов В. В.
Источник: Охорона навколишнього серидовища та раціональне виористання природних ресурсів – 2010 / ХХ всеукраїнська наукова конференція аспірантів і студентів. – Донецьк. – 2010, с. 42–43.
Установлено, что некоторые отходы горнодобывающей промышленности содержат весьма высокое количество оксида алюминия – избыточного для получения цементного клинкера. Представлена возможность использования горных пород при производстве портландцемента.
По различным данным к настоящему времени в отвалах угольных шахт Украины скопилось более 1 млрд. т отходов. Однако объем использования промышленных отходов незначителен – 5–6 % от их выхода. Экологический эффект, получаемый при утилизации отходов, складывается из многих факторов, часто специфических для того или иного вида отходов.
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 %.
На территории Донецкой области насчитывается более 1,5 тыс. отвалов угольных шахт, в каждом из них в среднем 1144 м3 породы. Терриконы разбросаны по всей территории области и занимают площадь около 800 га.
Выполненные исследования химического состава ряда породных отвалов шахт Донецкого региона дают представления о химическом составе терриконов. Выяснилось, что в терриконах содержатся не только токсические, но и потенциально ценные химические элементы. Порода содержит повышенное количество угля – от 5 до 46 %, а также сырье для производства алюминия (Al2О3) – до 15 % и германия – до 55 г/т. Основную массу составляют оксиды кремния и железа, щелочные же компоненты (СаО и МgО) – не превышают 5 %.
Также следует обратить внимание на содержащийся в породе уголь, который в зависимости от его количества может позволить частично снизить расходы топлива на обжиг цементного сырья.
Анализ химического состава показал, что большинство горных пород, содержащихся в отвалах, пригодны для использования их в качестве глинистого сырья при производстве портландцемента и некоторых других цементных вяжущих материалов. На глинистое сырье для производства портландцемента нет установленных стандартом технических требований. Однако, на основании практического опыта установлены следующие ориентировочные требования к химическому составу глинистых пород, определяющие целесообразность их использования: количество СаО не ограничивается; допустимое содержание MgO зависит от содержания его в известковом компоненте и ограничивается условием получения клинкера для портландцемента с содержанием MgO не более 5 %, а для магнезиального портландцемента – не более 10 %; количество SiO2, Al2O3, Fe2O3 в сочетании с известковым компонентом должно обеспечивать получение необходимых значений коэффициента насыщения, кремнеземного и глиноземного модулей в сырьевой смеси и клинкере (с учетом возможности введения корректирующих добавок). Желательно, чтобы Na2O и K2O в сумме не превышали 3–4 %, а SO3 было не более 1 %. Увеличение содержания SiO2 достигается добавкой высококремнеземистых веществ – трепела, опоки, диатомита. Недостаточное количество в сырьевой смеси окиси железа компенсируется добавкой колчеданистых огарков, железной руды; добавка высокоглиноземных глин (бокситов) позволяет повысить содержание в клинкере глинозема.
Карбонатные породы в природе встречаются в виде известняков, мела, известкового туфа, известняка-ракушечника и мрамора. Все приведенные разновидности карбонатных пород находят применение в портландцементном производстве, за исключением мрамора. Наиболее применимы известняки и мел, представляющие собой осадочные горные породы. Осадочное происхождение известняков и мела обусловливает разнообразие их химического состава и физических свойств. Химически чистый углекислый кальций содержит 56 % СаО и 44 % СО2. Но таких известняков в природе нет. Наряду с СаСО3 природные известняки содержат кремнезем, глинозем, окиси железа, окись магния и др.
В качестве известкового компонента могут быть использованы различные горные породы с повышенным (в сравнении с классическим цементным сырьем) содержанием карбоната кальция. Такие горные породы широко распространены на территории Донецкой области и иногда представляют собой отходы: вскрышные породы при разработке различных полезных ископаемых.
Целью поставленных экспериментов являлось определение условий получения цементного клинкера при пониженных температурах (проведение процесса при температурах меньших, чем 1350 °С) без использования плавней (например, фторид и хлорид кальция), которые впоследствии будут вызывать коррозию арматуры железобетонных конструкций. Эта задача является наиболее важной, так как позволит значительно снизить расход топлива, а также в некоторых случаях позволит ускорить переход производств на более дешевое угольное сырье.
Анализ литературных источников показал отсутствие работ в этом направлении. Существуют патенты на технологию использования отходов угледобывающей промышленности в качестве минеральной добавки. Суть заключается в смешении измельченной породы с горячим клинкером. Также, в литературе часто встречается анализ возможности использования различных пород в качестве сырья для производства цементного клинкера.
Как известно, сырьевая смесь для получения цементного клинкера должна содержать: СаО – 60–67 %; SiO2 – 19–25 %; Al2О3 – 4–8 %; Fe2O3 – 2–6 %. В соответствии с этим был подобран оптимальный состав исходных компонентов и проведены теоретические расчеты состава исходной смеси для получения цементного клинкера, а также расчеты основных характеристик клинкера, который должен быть получен из исходной смеси. В ходе эксперимента был получен цемент, который должен пройти ряд испытаний на соответствие ДСТУ Б В.2.7-46-96. Прочность при испытании на сжатие должна превышать 30 МПа (марка цемента 300 и более). Начинать схватываться полученный цемент должен не ранее, чем через 60 мин., а заканчивать не позднее, чем через 10 ч после затворения водой. Цемент должен равно изменять объем при испытании кипячением. В дальнейшем, по полученным данным, можно будет сделать вывод о пригодности отходов угледобывающей промышленности для производства портландцементного клинкера, а также сделать вывод о возможности получения качественного клинкера при низких температурах.