Использование отходов производства кальцинированной соды для получения известьсодержащих вяжущих и строительных материалов на их основе

УДК 691.327:666.973.6

A.А. ОРАТОВСКАЯ, Д.А. СИНИЦИН, кандидаты техн. наук, Л.Ш. ГАЛЕЕВА, инженер, ГУП институт БашНИИстрой (Уфа);

B.В. БАБКОВ, д-р техн. наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет; А.А. ШАТОВ, д-р техн. наук, ОАО «Сода»

Использование отходов производства кальцинированной соды

для получения известьсодержащих вяжущих и строительных материалов на их основе

Одним из основных направлений технического прогресса в области производства минеральных вяжущих материалов является использование крупнотоннажных отходов различных отраслей промышленности. К таким отходам в Республике Башкортостан относятся отходы содового производства.

Производство кальцинированной соды на ОАО «Сода» (г. Стерлитамак) по распространенному в настоящее время аммиачному способу сопровождается образованием большого количества отходов в виде шламов дистиллер-ной жидкости. На 1 т продукции приходится 8—10 м3 шламов, содержащих в своем составе 200—250 кг твердой фазы. Эти отходы сливаются в специальные шламобас-сейны, где происходит седиментация твердых частиц. Осветленная дистиллерная жидкость, содержащая хлористый кальций (до 100 г/л), хлористый натрий (до 40 г/л), аммиак (до 80 г/л), гипс и гидроксиды кальция (в пределах их растворимости), сливается в водоемы или закачивается в нефтяные пласты. Годовой сброс отходов составляет около 400 тыс. м3.

В шламохранилищах Стерлитамакского ОАО «Сода» в настоящее время накоплено десятки миллионов тонн в пересчете на сухое вещество отходов содового производства, для хранения которых отведены сотни гектаров земельных угодий. Площадь главного шламохранилища составляет 136 га при глубине 22 м.

Твердая фаза дистиллерной жидкости (ТОС) представляет собой шлам влажностью от 25 до 60%, содержащий тонкодисперсные частицы, состоящие в основном из карбонатов кальция. Также в ней содержатся карбонат магния, гидроксиды кальция и магния, примеси гипса и хлоридов кальция, натрия, аммония и глинистых соединений. Содержание хлоридов зависит от влажности материала, которая увеличивается с глубиной его нахождения.

Исследованиями, выполненными в институте БашНИИстрой в 1970—1980 гг., установлено, что путем обжига ТОС при 1=850—950°С получается продукт, который проявляет активные свойства подобно извести. Он характеризуется активностью (по CaO+MgO) до 60%, температурой гашения до 86оС и высокой скоростью гашения (2—9 мин). На его основе при совместном помоле с кварцевым песком было получено бесцементное известьсодержащее вяжущее (ИВС). Лабораторные исследования показали, что из него можно изготавливать автоклавный газобетон, тяжелый бетон марок от М50 до М200, силикатный кирпич марки по прочности до М200, не уступающие по техническим свойствам аналогичным изделиям из кондиционных материалов [1]. Это вяжущее можно также использовать в качестве минерального пластификатора для приготовления строительных растворов и бетонов.

В лаборатории строительных материалов института БашНИИстрой были разработаны технические условия

на ТОС и ИВС, рекомендации по приготовлению тяжелого бетона, строительного раствора и автоклавного газобетона на основе ИВС, а также технологический регламент по производству мелких стеновых блоков для последнего. В 1970-х гг. было получено несколько авторских свидетельств на бесцементные вяжущие автоклавного и неавтоклавного твердения и четыре зарубежных патента (в ГДР, ФРГ, Англии и Франции).

Экспериментально было установлено, что обожженный ТОС способен активизировать вяжущие свойства гранулированного доменного шлака или золы от сжигания бурого угля. Оптимально подобранные смеси обеспечивают получение бесцементного вяжущего неавтоклавного твердения, в котором полностью исключается использование извести и цемента, и при этом происходит полная или частичная замена песка на золу или шлак. Такие вяжущие могут быть использованы для приготовления строительных растворов и низкомарочных бетонов (до марки М200).

Кроме того, лабораторными исследованиями БашНИИстроя была показана возможность использования ТОС в качестве карбонатного компонента для получения вяжущего неавтоклавного твердения по технологии, подобной производству портландцемента низкотемпературного синтеза при температуре 1100—1200оС, т. е. на 350—250оС ниже традиционной технологии [2]. Согласно результатам рентгенографических исследований в полученном продукте обжига содержатся хлорси-ликаты и хлоралюминаты кальция — соединения минералов, характерные для алинитового цемента. Проведенными полупроизводственными испытаниями совместно с Ташкентским институтом «Промстрой-проект» и ПО «Сода» доказана возможность получения цемента активностью 42 МПа (в соответствии с ГОСТ 810.4—76). Вяжущее отличается ускоренным набором прочности и расширяющим эффектом.

Результаты лабораторных исследований, выполненных в институте БашНИИстрой, неоднократно проверялись в производственных условиях. В 1980 г. на ПО «Сода» на основе технологии, разработанной институтом БашНИИстрой по проекту институтов Башпром-стройпроект (Уфа) и НИОХИМ (Харьков), было построено и введено в эксплуатацию опытное производство ИВС из обожженных отходов содового производства и кварцевого песка и изделий из него [3]. Первоначально производимое вяжущее использовалось для замены извести при производстве силикатного кирпича на Стерлитамакском КСМ, а также для улучшения пластичности и частичной замены цемента при приготовлении строительных растворов в ряде организаций, например в трестах «Стерлитамакстрой» и БНЗС. В 1984 г. была пущена в эксплуатацию 2-я очередь — опытная линия по производству мелких стеновых газо-

52

научно-технический и производственный журнал

февраль 2012

jVJ

бетонных блоков автоклавного твердения. Блоки характеризовались плотностью 600—700 кг/м3 и прочностью 2,5—5 МПа. Согласно проекту производство мелких стеновых блоков осуществлялось по литьевой технологии с последующей разрезкой вспученного массива на блоки размером 150x300x500 мм и автоклавной обработкой при давлении насыщенного пара 0,8 МПа и изотермии в течение 8 ч. После освоения технологии изделия из бесцементного газобетона по своим свойствам не отличались от блоков, выпускаемых на традиционных вяжущих материалах — портландцементе и извести, и полностью соответствовали требованиям ГОСТ 21520—89.

Автоклавные газобетонные блоки на основе ИВС использовались для возведения жилых домов и хозяйственных построек. В экспериментальном порядке в 1985 г. в двух деревнях Ишимбайского района РБ трестом «Ишимбайжилстрой» из этих блоков было построено 9 одноэтажных жилых домов. Отделка наружных стен из-за отсутствия специальных составов была выполнена путем оштукатуривания обычными строительными растворами, при этом блоки пропитывались влагой практически на всю толщину. Заселение домов было осуществлено осенью 1985 г.

Несмотря на это, при обследовании зданий после полугода эксплуатации (весной 1986 г.) было выявлено, что температура в домах составляла в среднем +22оС при температуре наружного воздуха 4—5оС и относительной влажности 62—70%. Влажность газобетона на оштукатуренных участках стены изменялась от 18 до 0,9% в зависимости от глубины отбора проб от наружной стены; среднее значение сорбционной влажности составляло 8,8%, что незначительно превышает нормируемое значение 8% согласно Приложению ДСП 23-101—2004 [8]. Снижение влажности ячеистого бетона за осенне-зимний и весенний сезоны с водонасыщенного состояния до величины, близкой к равновесной, свидетельствует об удовлетворительной влагоотдаче материала в процессе эксплуатации здания. При обследовании не обнаружено промерзания стен, за исключением углов примыкания стен и панелей перекрытий, где была недостаточная теплоизоляция мостиков холода. По свидетельству жильцов, наружные стены и дома в целом теплые, сухие, условия проживания комфортные [3].

Выполненное в 2002 г. обследование этих домов показало, что после 17 лет эксплуатации они находятся в хорошем состоянии.

Поскольку технологическая линия по получению бесцементного вяжущего была создана как опытная, она была запроектирована маломощной. В 1986 г. линия была остановлена на реконструкцию с целью увеличения производительности вращающейся печи. После неудачной реконструкции производство было остановлено из-за отсутствия финансирования и больше и не возобновилось. Но сравнительно небольшой срок действия опытной линии показал техническую возможность изготовления газобетонных блоков из бесцементного известьсодержаще-го вяжущего на основе отходов производства кальцинированной соды, а также использования бесцементного вяжущего для приготовления строительных растворов и изготовления силикатного кирпича; при этом выпускаемая продукция по качеству была не хуже изделий, производимых с применением извести и цемента.

Вновь к возможности использования отходов содового производства ГУП институт БашНИИстой вернулся в 2008 г. Одним из сложных вопросов технологии производства обожженного ТОСа является добыча и подача водонасыщенного шлама перед обжигом, так как в естественных условиях шлам очень медленно (в течение многих лет) отдает воду, при этом осушаются только верхние слои. В настоящее время существуют пресс-фильтры импортного производства, которые позволяют обезво-

живать шлам и получать готовый к обжигу ТОС. В случае установки таких пресс-фильтров на ОАО «Сода» можно значительно улучшить технологию и получить максимально однородный конечный продукт (вяжущее). При фильтровании шлама в твердой фазе также снижается содержание хлористых солей, что позволяет расширять область применения полученного бесцементного вяжущего и изделий на его основе. В рамках этой работы в 2008 г. институтом БашНИИстрой получен патент на изобретение «Способа получения вяжущего автоклавного твердения» из отфильтрованного шлама [4].

Необходимо отметить, что сырьем для экспериментальных исследований и опытного производства в 1980-х гг. служил шлам, добываемый из участков шламонакопи-теля, в который уже многие годы не сливали свежие шламы. Эти отходы имеют значительную неоднородность состава, так как при длительном нахождении в отстойнике происходит разделение мелких и крупных частиц неравномерно как по площади, так и по глубине. Неоднородность исходного сырья усложняет технологию изготовления и приводит к снижению качества конечного продукта. Наиболее оптимальным является использование свежеотфильтрованного шлама, поступающего непосредственно с производства, который имеет однородный химический состав, что позволит повысить качество выпускаемого вяжущего.

Суммарная потребность в вяжущем на основе обожженного ТОСа заводов силикатного кирпича Республики Башкортостан при объеме производства около 130 млн шт. кирпича в год составляет 80 тыс. т в год. Потребность в вяжущем на основе обожженного ТОСа производителей газобетона РБ (завод ОАО «Главбашстрой» в Уфе, завод в г. Агидели, ОАО «Завод силикатного кирпича» в г. Стерлитамаке) при предполагаемой производительности 250 тыс. м3/год составляет около 50 тыс. т.

Таким образом, экспериментальными исследованиями, производственными испытаниями и успешно действовавшим опытным производством доказано, что из-вестьсодержащие шламы дистиллерной жидкости — отход производства кальцинированной соды являются потенциальным сырьевым источником при производстве строительных материалов (газобетона, силикатного кирпича, строительных растворов) в качестве замены извести. Помимо экономии природного сырья, в частности, известняка для производства извести, использование отходов производства позволило бы решать экологические задачи, связанные с освобождением сотен гектаров земель, занимаемых под устройство шламонакопителей.

Ключевые слова: отходы содового производства, бесцементное известьсодержащее вяжущее, известь, стеновые блоки, газобетон автоклавного твердения.

Список литературы

1. Кравцов В.М., Полак А.Ф., Оратовская А.А., Есен-ков М.Г., Понин В.И. Вяжущее для производства автоклавных бетонов. А. С. № 505184 от 5.11.1975.

2. Меркулов Ю.И., Оратовская А.А., Понин В.И., Смирнова Н.Ф., Бабков В.В., Соколовский В.А., Трутнев Г.А., Шатов А.А., Якимцева Г.В., Бакиров М.Ц. Сырьевая смесь для получения вяжущего А. С. № 1076410// Опубл. 28.02.1984 г. Бюл. №8.

3. Оратовская А.А., Меркулов Ю.И., Хабиров Д.М., Га-леева Л.Ш., Шатов А.А., Якимцева Г.В., Дрямина М.А., Бабков В.В. Автоклавный ячеистый бетон в Республике Башкортостан // Строительные материалы. 2005. № 1. С. 52-54.

4. Оратовская А.А., Галеева Л.Ш., Равилова Л.Р. Способ получения вяжущего автоклавного твердения. Патент на изобретение № 2396227.// Опубл. 10.08.2010 г. Бюл. №22.

научно-технический и производственный журнал

февраль 2012

53