Отходы углеобогащения как сырьевая и энергетическая база заводов керамических стеновых материалов

УДК 658.567.1:691.4

А.Ю. СТОЛБОУШКИН, канд. техн. наук,

Сибирский государственный индустриальный университет

Отходы углеобогащения как сырьевая и энергетическая база заводов керамических стеновых материалов

Ежегодные объемы складируемых на территории нашей страны отходов обогащения углей, руд и минерального сырья составляют около 15 млн т [1]. Только в Новокузнецке три обогатительные фабрики каждый год укладывают вблизи «города-сада» 1 млн т отходов углеобогащения. Такие объемы техногенного сырья явились причиной строительства 20 лет назад вблизи одной из обогатительных фабрик (Абашевская ЦОФ) первого и единственного в Сибири предприятия по выпуску керамического кирпича на основе отходов мощностью 100 тыс. тонн в год.

В настоящее время большинство углеобогатительных фабрик Кузбасса имеют устаревшее оборудование и технологии, в результате чего качество обогащения угля не соответствует ни международным стандартам, ни техническим отраслевым нормам. В итоге содержание угля в отходах обогащения колеблется от 17 до 26%, что приводит к ежегодным его потерям в Кузбассе от 12 до 15 млн т.

Нестабильный состав и высокое содержание угля в отходах затрудняет, а порой делает невозможным их использование в производстве стеновой керамики, по качеству отвечающей современным требованиям. Главной причиной остановки кирпичного завода, работавшего в Новокузнецке на углеотходах Абашевской ЦОФ, явилось повышенное содержание углерода в сырье, что привело к нарушению теплового баланса печи, низкому качеству и малопривлекательной цветовой гамме керамического кирпича.

Проведенный анализ выявил основные причины постепенного ухудшения качества изделий — нестабиль-

(

Отходы углеобогащения

с содержанием угля 17-25%

М

Вторичное обогащение

' Пустая порода с содержанием угля до 7% ^ (100 тыс. т в год) \ [ Угольный Л концентрат ) У (15 тыс. т в год) у

Складирование и усреднение ( ( Топливо на обжиг \ керамического кирпича к (5 тыс. т в год) у

*

Сушка, помол, грануляция Установка пылевидного сжигания топлива

*

Прессование кирпича-сырца Сушка и обжиг керамического кирпича

(

Газогенерация

1 Электроэнергия А на производство

Пар на технологические К»

и бытовые нужды

I Стеновые Д керамические изделия I

ность состава и «слабая» массоподготовка техногенного сырья. Таким образом, при существующем положении углеотходы не могут служить сырьевой основой для строительства современных кирпичных заводов.

Несмотря на негативные тенденции в сфере накопления и утилизации промышленных отходов, следует признать, что в нашей стране существуют примеры инновационных технологических решений, которые позволяют рассматривать отходы углеобогащения не только как сырьевую, но и как энергетическую базу предприятий по выпуску керамических стеновых материалов.

Предлагаемая технологическая идея заключается в организации глубокой переработки отходов обогащения углей непосредственно на кирпичном заводе, где необходимо осуществлять их вторичное обогащение с целью получения угольного топлива для основного производства. Образующиеся в процессе обогащения «хвосты» стабильного состава с минимальным содержанием углерода должны использоваться в качестве основного сырья для производства керамического кирпича.

Основанием для реализации предлагаемой стратегии являются существующие проекты по глубокой переработке отходов углеобогатительных фабрик. К ним относятся магнитная и криомагнитная сепарация, масляная агломерация и другие, которые позволяют извлечь до 80—90% угля из отходов [2—5]. При указанной степени извлечения и при использовании на 1000 шт. кирпича нормального формата 2,5 м3 пустой породы (хвостов) вместе с ней образуется 500 кг условного топлива в виде обогащенного угля. Этого количества достаточно не только для обжига кирпича, полученного из отходов, но и для производства в газогенераторных установках электроэнергии, которую можно использовать в основном производстве.

Такой подход к решению проблемы переработки и использования отходов углеобогащения позволит создать эффективную инновационную технологию производства изделий стеновой керамики, схема которой показана на рис. 1. Для проверки гипотезы были проведены исследования возможности не только вторичного обогащения отходов, но и получения из хвостов керамических изделий по схеме (рис. 1).

Таблица 1

Рис. 1. Технологическая схема производства стеновых керамических изделий на основе отходов углеобогащения

Наименование обогатительной фабрики Содержание фракций, %

глинистые, менее 0,005 мм пылеватые, 0,05-0,005 мм песчаные, более 0,05 мм

Кузнецкая 24,97 5,03 70

ЗСМК 7,93 44,07 СО

Абашевская 29 22 49

Г; научно-технический и производственный журнал

^  апрель 2011 4з"

Таблица 2

Наименование обогатительной фабрики Массовая доля компонентов на высушенное вещество, %

SiO2 А1Л ТЮ2 Fe2O3 СаО МдО К20 Na2O SO3 ППП

Кузнецкая 51,5 14,9 0,86 6,42 2,6 1,4 2, ГЧЭ 1,46 0,1 10,7

ЗСМК 53,2 18,6 0,69 4 О 8, 2 1 2,1 1 0,2 8,6

Абашевская 54,99 16,9 0,72 3,68 3,48 1,99 2,25 1,43 0,13 13,6

Абашевская после вторичного обогащения 60,4 16,8 0,66 5,21 3,87 1,89 2,21 1,67 0,13 7,12

Таблица 3

Содержание суглинка в составе шихты, % Физико-механические показатели

Средняя плотность, кг/м3 Водопоглощение, % Прочность при сжатии, МПа Коэффициент водостойкости Морозостойкость, циклов

0 1634 17 13,3 0,8 не менее 25

10 1654 16,7 16,4 0,93 не менее 35

20 1674 16 18,3 0,83 не менее 45

30 1680 18,5 18,7 0,87

40 1676 18,3 18,2 0,89

Таблица 4

Содержание добавки ОМП в составе шихты, мас. % Физико-механические показатели

Средняя плотность, кг/м3 Водопоглощение, % Прочность при сжатии, МПа Коэффициент водостойкости Морозостойкость, циклов

0 1674 18,5 18,7 0,87 не менее 45

1 1750 16,2 22,5 0,88 не менее 50

2 1807 14,4 29,1 0,87

3 1652 15,1 ,9 2 0,

5 1424 13 17,3 0,94

По гранулометрическому составу (табл. 1) изучаемые отходы относятся к грубодисперсному сырью с преобладанием песчаной (ЦОФ «Кузнецкая») и пылеватой (ЗСМК) фракций.

По химическому составу (табл. 2) отходы Абашевской ЦОФ имеют повышенное содержание углерода, о чем свидетельствует высокое значение потерь при прокаливании.

Минеральный состав отходов углеобогащения представлен кварцем, полевыми шпатами, карбонатами. Основным минеральным фоном глинистых фракций отходов являются гидрослюды (преимущественно гидромусковит) и минералы группы каолинита.

Исследования проводились на отходах углеобогащения Абашевской ЦОФ. На первом этапе осуществлялось обогащение отходов, целью которого было получение угольного концентрата и «хвостов» с минимальным

содержанием углерода для производства керамики. Обогащение проводилось на лабораторном высокоградиентном магнитном сепараторе в Институте ядерной физики СО РАН [6]. После извлечения углеродсодержа-щей части отходов (около 7% концентрата с Qн = 4500 ккал/кг) химический состав хвостов существенно изменился (табл. 2), что положительно сказалось на свойствах изделий. После вторичного обогащения отходов из них полусухим способом прессования был получен керамический кирпич устойчивой марки М100 с во-допоглощением 15—17% и морозостойкостью не менее 25 циклов.

Для получения более высоких марок кирпича с морозостойкостью более 50 циклов было принято решение обогатить хвосты глинистой породой. В качестве добавки использовался новокузнецкий суглинок, умеренно пластичный, низкодисперсный, который отно-

1690 1680 % 1670

ё 1660

0

§ 1650

1 1640£

§ 1630 ° 1620

1610

0

10 20 30

Содержание добавки суглинка, %

40

Рис. 2. Влияние добавки суглинка на прочность при сжатии (1), среднюю плотность (2) и водопоглощение (3) керамических образцов на основе отходов углеобогащения

30 : 27

о24 | 21 I- Э18 I-15

2250 2000 1750 1500 1250 1000 I- " 750

0 1 2 3 5 10 15 Содержание добавки отхода метизного производства, %

Рис. 3. Влияние добавки отхода метизного производства на прочность при сжатии (1), среднюю плотность (2) и водопоглощение (3) керамических образцов на основе отходов углеобогащения

33

6

4

14

научно-технический и производственный журнал

44 апрель 2011

сится к легкоплавкому, низкотемпературному, сильно-спекающемуся сырью. По минеральному составу суглинок относится к группе полиминеральных глин каолинит-монтмориллонит-гидрослюдистого типа.

При проведении экспериментальных исследований методом полусухого прессования было отформовано пять составов образцов из суглинка и отходов Абашевской ЦОФ после извлечения из них горючей части. Результаты испытаний полученных керамических образцов представлены в табл. 3 и на рис. 2. Очевидно, что оптимальное содержание суглинка в шихте составляет 20—30%.

Для интенсификации процесса спекания и повышения морозостойкости обожженных изделий было принято решение использовать в качестве плавня отход метизного производства ОАО «Запсибметкомбинат», образующийся в виде шлама после нейтрализации кислых железосодержащих обработанных травильных растворов. После сушки шлама получается порошок красного цвета, характерного для гематита. Удельная поверхность шлама составляет около 700 м2/кг, насыпная плотность в рыхлом состоянии — 650 кг/м3.

Из шихт, содержащих 70 мас. % «хвостов», 30 мас. % суглинка и различное количество шлама метизного производства, полусухим способом было отпрессовано семь серий образцов-цилиндров диаметром 45 мм и высотой 45—50 мм. Влажность пресс-масс составляла 9—10%, давление прессования — 18—20 МПа. Обжиг

а б в г

Рис. 4. Влияние добавки отхода метизного производства на обжиг керамических образцов из отходов углеобогащения; количество добавки, мас. %: а - 0; б - 1; в - 2; г - 3; д - 5; е - 10; ж - 15

проводился при 950оС с изотермической выдержкой при максимальной температуре в течение 90 мин. Результаты испытаний приведены в табл. 4 как средние значения из 5 измерений.

Рис. 5. Микрофотографии отдельных участков керамических образцов на основе отходов углеобогащения, обожженных при 950оС, шлиф, проходящий свет: а - николи II, 50х; б-николи Х, 50х; в - николи II, 85х; г - николи Х, 120х; 1 - мелкозернистая структура с равномерно распределенными зернами кристаллических фаз; 2 - точечные вкрапления темного цвета; 3 - уплотненные конгломераты сложного фазового состава; 4 - кварц; 5 - аморфизованное вещество; 6 - аллотриоморфные новообразования бурой окраски; 7 - полевой шпат

Ы

научно-технический и производственный журнал

апрель 2011

45

Рис. 6. Микроструктура образцов на основе отходов углеобогащения; растровый электронный микроскоп: а - высушенный сырец; б - обожженный при 950оС керамический камень

Влияние добавки шлама метизного производства на физико-механические свойства керамических образцов на основе отходов углеобогащения показано на рис. 3, 4. Установлено, что введение добавки шлама метизного производства в количестве 1—2 мас. % приводит к повышению прочности (до 50%), средней плотности и снижению водопоглощения обожженного керамического черепка, что свидетельствует об интенсификации процессов жидкофазного спекания материала.

Наилучшие показатели наблюдаются у образцов, содержащих 2 мас. % добавки-плавня и имеющих ровную поверхность темно-красного цвета без выплавок и микротрещин. При этом увеличение количества отхода метизного производства до 5 мас. % является критическим, после которого происходит оплавление и вспучивание образцов (рис. 4).

Петрографические исследования образцов из оптимизированных шихт на основе ОУО (рис. 5) показали, что структура керамического черепка является мелкозернистой с равномерно распределенными включениями желтовато-бурого цвета. Зерна в исследуемом материале не имеют отчетливых ограничений и при скрещенных николях производят агрегатную поляризацию. При изучении шлифов с введенным анализатором отчетливо просматриваются мелкие (до 200 мкм) анизотропные кристаллы кварца и полевого шпата.

Промежутки между зернами кристаллических фаз заполнены микронными каемками аморфизованного вещества, образовавшегося при обжиге в присутствии железа в закисной форме. Введение отхода метизного производства в состав шихты приводит к интенсивному образованию пиропластичной фазы, что подтверждается выплавками аморфизованного вещества серого цвета внутри образцов, связывающего отдельные кристаллические зерна в единое целое и способствующего спеканию керамического черепка (рис. 5).

Изучение структуры керамического черепка под растровым электронным микроскопом (рис. 6, б) подтверждает формирование сплошной равномерно зернистой структуры с обилием мелких пор (1—20 мкм), образовавшихся в процессе обжига при выгорании остатков углерода.

Результаты проведенных исследований были апробированы в цехе по производству керамического кирпича ЗАО «Новокузнецкремстрой-Н» (Новокузнецк). На основе отходов углеобогащения получен керамический кирпич марки М150, F25, имеющий водопоглощение 16—18% и среднюю плотность 1670—1700 кг/м3.

Таким образом, проведенные исследования показывают реальную возможность и насущную необходимость в угольных районах нашей страны использовать отходы углеобогащения как в качестве основного сырья, так и в качестве источника технологического топлива для энергоемкого производства изделий стеновой керамики.

Ключевые слова: отходы углеобогащения, энергетическое угольное топливо, техногенное сырье, стеновая керамика, пресс-порошок.

Список литературы

1. Щадов В.М. Переработка углей в России в XXI веке // Уголь. 2007. № 8. С. 28-31.

2. Цукерман И.С. Экономическая эффективность безотходной технологии в угольной промышленности // Сб. научных трудов «Охрана природы при разработке угольных месторождений». ВНИИОСуголь. Пермь, 1982. С. 9-11.

3. Пелевин А.Е., Цыпин В.Ф., Колтунов А.В., Комлев С.Г. Высокоинтенсивные магнитные сепараторы с постоянными магнитами // Изв. вузов. Горный журнал. 2001. № 4-5.

4. Килин В.И., Якубайлик Э.К. Изучение магнитных свойств и процессов магнитной сепарации абаканских магнетитов с целью снижения потерь железа при их обогащении // ФТПРПИ. 2002. № 5. С. 106-111.

5. Патент № 2170620. Магнитный сепаратор. А.Г. Зве-гинцев, С.А. Елфимов Опубл. в БИ 2001, № 20 (ч. I).

6. Бочкарев Г.Р., Ростовцев В.И., Воблый П.Д. и др. Высокоградиентный магнитный сепаратор для обогащения слабомагнитных руд // ФТПРПИ. 2004. № 2. С. 94-99.

46

научно-технический и производственный журнал

апрель 2011

iA