Использование отходов топливно-энергетического комплекса - горелых пород и отходов обогащения хромитовых руд в производстве пористого заполнителя на основе жидкостекольной композиции

УДК 691.574:66.013 © Е.С. Абдрахимова, 2019

Использование отходов топливно-энергетического комплекса - горелых пород и отходов обогащения хромитовых руд в производстве пористого заполнителя на основе жидкостекольной композиции

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-7-67-69

На основе жидкого стекла, модифицированного хлоридом натрия, горелых пород и отходов обогащения хромитовых руд получен пористый заполнитель без применения природного традиционного сырья. Проведенные исследования показали, что за счет повышенных содержаний в горелых породахп.п.п. (потери при прокаливании 20-23%), углерода (7,32%) и теплотворной способности (1900 ккал/кг), которые выгорают или способствуют выгоранию (например, теплотворная способность) при обжиге, в керамическом материале создается пористость и получается пористый материал с низкой плотностью, марка по насыпной плотности менее 400. На основе жидкостекольной композиции, горелых пород и отходов хромитовых руд получен пористый заполнитель с высокими физико-механическими показателями. Разработаны инновационные предложения по снижению отрицательного воздействия токсичных отходов переработки на объекты окружающей среды, новизна которых подтверждена Патентом РФ.

Ключевые слова: горелые породы, отходы обогащения хромитовых руд, жидкостекольная композиция, хлорид натрия, пористость, пористый заполнитель.

ВВЕДЕНИЕ

Горелые породы являются отходами горючих сланцев. Горючие сланцы - это метаморфическая горная порода из группы твердых каустобиолитов [1]. Горючими сланцами называют осадочные породы, тонкоплитчатые аргиллиты или мергели со значительным, до 50-60%, содержанием битуминозных веществ. По сути, они являются глинистыми или известковыми углями-сапропелитами.

Из горючих сланцев получают масла и смолы [1]. Первые идут в качестве топлива на электростанции, а смолы являются ценным химическим сырьем для производства почти пятидесяти различных продуктов. Эстонская и Прибалтийская ГРЭС - крупнейшие в мире электростанции, работающие на сланцах. Из горючих сланцев в ряде стран (в основном США и Канаде) ведется добыча сланцевого газа и сланцевой нефти из наклонно направленных скважин с горизонтальным стволом [1].

Сланцы называют топливом будущего, потому что их мировые запасы во много раз превышают запасы других горючих ископаемых (нефть, природный газ, каменный уголь), вместе взятых. Сланцевая смола является хорошим изолятором, «защитником» от коррозии, в ряде случаев заменяет пайку и сварку. Она также используется для удобрения почвы. Сланцевая зола используется в произ-

АБДРАХИМОВА Елена Сергеевна

Канд. техн. наук, доцент кафедры «Химия» ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», 443086, г. Самара, Россия, тел.: +7 (906) 127-09-44, e-mail: 3375892@mail.ru

водстве вяжущих веществ и строительных деталей. Смола находит применение в производстве химических препаратов и даже лекарств.

Отходы обогащения хромитовых руд являются отходом черной металлургии. К отходам черной металлургии относятся такие промышленные отходы, как шлаки, сухая окалина (продукт окисления поверхности металла при взаимодействии с внешний средой), замасленная окалина, шламы и пыль [2].

Опасность отходов металлургии усиливается тем, что они способны наносить вред окружающей среде даже на расстоянии 200 км от своей локализации. Это происходит из-за способности токсичных веществ к миграции в природной среде на большие дистанции.

Губительность отходов металлургии для живых организмов наглядно видна на примере Норильского промышленного района. В этой сильно загрязненной местности погибли все деревья, росшие ближе, чем на 70 км к зонам, наиболее отравленным промышленными отбросами.

Цель работы: получение пористого заполнителя на основе жидкостекольных композиций горелых пород и отходов обогащения хромитовых руд без применения природных традиционных материалов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Сырьевые материалы

Отходы обогащения хромитовых руд. Отходы обогащения хромитовых руд (кусковые) образуются как результат процесса обогащения в тяжелых средах, при котором выделяется хвостовой продукт, представленный в виде пустой породы, не пригодной для дальнейшей переработки. Частично эти отходы размещаются на специальных отвалах, частично - в выработанном пространстве карьера. Хромсодержащие отходы складируются в отвалах, обра-

Таблица 1

Химический состав компонентов

Компоненты Содержание оксидов, мас. %

бЮ2 А1 О Ре О 2 3 2 3 СаО МдО Сг2О3 П.п.п.

Отходы обогащения хромитовых руд 28,17 2,37 8,64 2,24 32,8 12,68 1,4 11,7

Горелые породы 38,4 17,18 7,8 11,13 0,8 - 1,5 23,7

П.п.п. - потери при прокаливании

зуя техногенные месторождения, и являются источником загрязнения бассейнов рек и водоемов, ухудшая экологическую обстановку регионов их месторождения. Химический состав отходов обогащения представлен в табл. 1.

Горелые породы. Образуются горелые породы в местах добычи сланцев, которые не удалось в процессе добычи отделить от пустой породы, поэтому они направляются в отвал. В терриконах при совместном хранении пустых пород и сланцев за счет повышенного количества в смешанных отвальных массах органических соединений происходит самовозгорание, которое приводит к образованию большого количество отхода - горелых пород [4, 5]. Горелые породы представляют собой продукт низкотемпературного обжига при самовозгорании породы (смесь глины и сланцев) в терриконах в окислительной среде. Количество горелых пород в терриконах составляет от 75 до 90% от объема отвала. По основным физическим и химическим свойствам они близки к глинам, обожженным при 800-1000°С, содержание углерода - 7,3%, теплотворная способность - 1900 ккал/кг [4, 5]. Химический оксидный состав горелых пород представлен в табл. 1.

За счет повышенного содержания в горелых породах п.п.п. (п.п.п. = 23,7%; см. табл. 1), которые выгорают или способствуют выгоранию при обжиге, в керамическом материале создается пористость и получается пористый материал с низкой плотностью [4].

Жидкое стекло. В качестве связующего использовалось товарное натриевое жидкое стекло плотностью 1,41 г/см3 (ГОСТ 13075-81) [5].

Изучая диаграммы состояния №2О^Ю2 и Na2O-SiO2-H2O, П.Н. Григорьев и М.А. Матвеев установили, что содержание гидратной воды отражается на температуре плавления щелочного силиката [6]. Так, при содержании 20% гидратной воды в силикате он плавится при 100оС. При быстром нагревании такого гидратированного силиката до 200оС он разжижается, и гидратная вода быстро превращается в пар. Вследствие большой вязкости расплавленного силиката водные пары задерживаются в нем, образуя пузыри с тонкими стенками. Введение в составы жидко-стекольных композиций наполнителей приводит к структурированию системы, что позволяет получать более однородные структуры [7].

Являясь гидратированным силикатом натрия и имея высокую адсорбционную способность, жидкое стекло делает процесс перемешивания весьма затруднительным, поэтому в качестве добавки-коагулятора использовался хлористый натрий (ГОСТ 13830-97, производства ОАО «Бас-соль»), размолотый до размера менее 0,3 мм.

Введение в жидкое стекло хлорида натрия в количестве 1-3% после тщательного перемешивания приводит к растворению хлористого натрия. Понижение силикатного модуля, приводящее к снижению числа силоксановых связей (что существенно облегчает переход ионов щелочного ме-

Таблица 2

Составы композиции для производства пористого заполнителя

Компоненты

Содержание компонентов, мас. %

1 2 3

Натриевое жидкое стекло 75 60 50

Хлорид натрия 3 2 1

Отходы обогащения 10 12 15

хромитовых руд

Горелые породы 12 26 34

талла в раствор и движение молекул воды в фазу стекла), и коагуляция смеси приводят к повышению вязкости, что дает возможность формовать изделия любого размера.

Технологический процесс

Композиции (табл. 2) для производства пористого заполнителя, после измельчения до прохождения сквозь сито № 0,14 мм, готовили путем тщательного перемешивания всех компонентов.

Получение смеси производилось в мешалке принудительного действия в следующем порядке. Сначала в мешалку загружались отходы обогащения хромитовых руд, горелые породы и хлорид натрия, которые тщательно перемешивались, затем в готовую сухую смесь при включенной мешалке заливалось натриевое стекло тонкой струйкой. Перемешивание производилось до получения однородной массы, но не менее 5 мин.

Полученная смесь системой ножей разрезалась на отдельные гранулы, которые термообрабатывались при 250-300°С в печном грануляторе, вспучиваясь при этом и образуя шарообразные высокопористые гранулы. Полученные гранулы помещались в электрическую печь, разогретую до температуры 1000°С, и выдерживались там 10 мин. После изотермической выдержки гранулы охлаждались при скорости охлаждения 40°С/мин. На полученные составы, приведенные в табл. 2, разработаны инновационные предложения по снижению отрицательного воздействия токсичных отходов переработки на объекты окружающей среды, новизна которых подтверждена Патентом РФ [8]. Физико-механические показатели пористого заполнителя представлены в табл. 3.

Таблица 3

Физико-механические показатели пористого заполнителя

Показатели 1 Состав 1 о 1 1

Прочность на сжатее, МПа 2,35 2,37

Насыпная плотность, кг/м3 334 342 373

Потери при пятиминутном 0,028 0,025 0,021

кипячении, %

Коэффициент размягчения, % 95,7 96,4 97,3

Марка по насыпной плотности 350 350 400

Теплопроводность, Вт/(м-°С) 0,34 0,31 0,28

Как видно из табл. 3, пористые заполнители из предложенных составов имеют высокие показатели на прочность при сжатии и коэффициент размягчения, при этом марка по насыпной плотности не превышает 400, а теплопроводность - менее 0,35 Вт/(м-°С).

Техническое решение при использовании отходов обогащения хромитовых руд и горелых пород в предложенных составах позволит получить пористый заполнитель с низкой насыпной плотностью (марка не более 400; см. табл. 3). Оптимальным составом можно считать состав № 2, у которого насыпная плотность не превышает 350 кг/м3 (марка 300), и при этом прочность снизилась незначительно по отношению к составу № 3 (см. табл. 3).

ВЫВОДЫ

1. На основе жидкостекольной композиции отходов обогащения хромитовых руд и горелых пород получен пористый заполнитель с высокими физико-механическими показателями.

2. Горелые породы целесообразно использовать в качестве отощителя и выгорающей добавки. За счет повышенного содержания в горелых породах п.п.п. (п.п.п. = 23,19) в керамическом материале создается пористость и получается пористый материал с низкой плотностью.

Список литературы

1. Горючий сланец: справочник по геологии [Электронный ресурс]. URL: http://www.geolib.net/petrography/ goryuchiy-slanec.html#i-2 (дата обращения: 15.06.2019).

2. Абдрахимов В.З., Кайракбаев А.К., Абдрахимова Е.С. Использование отходов нефтехимии, цветной и черной металлургии в производстве жаростойких бетонов // Экологические системы и приборы. 2017. № 6. С. 41-52.

3. Абдрахимова Е.С., Кайракбаев А.К., Абдрахимов В.З. Использование отходов углеобогащения в производстве керамических материалов - современные приоритеты развития для «зеленой» экономики // Уголь. 2017. № 2. С. 54-57. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/022017.pdf (дата обращения: 15.06.2019).

4. Абдрахимов В.З., Белякова Е.А., Денисов Д.Ю. Экспериментальное исследование теплопроводности легковесного кирпича на основе бейделлитовой глины и горелых пород // Огнеупоры и техническая керамика. 2010. № 11-12. С. 49-52.

5. Куликов В.А., Абдрахимов В.З., Ковков И.В. Использование горелых пород в производстве кирпича полусухого прессования // Башкирский химический журнал. 2010. Т. 17. № 4. С. 82-84.

6. Григорьев П.Н., Матвеев М.А. Растворимое стекло. М.: Стройиздат, 1956. 443 с.

7. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З., Кайракбаев А.К. Использование отходов топливно-энергетического комплекса в производстве теплоизоляционных материалов на основе жидкостекольных композиций. Актобе: Казахско-Русский Международный университет, 2016. 140 с.

8. Патент РФ № 2615557. С1 С04В 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя / Е.С. Абдрахимова. Заяв. 28.01.2016 // Бюл. 05.04.2017. № 10.

RESOURCES

UDC 691.574:66.013 © E.S. Abdrakhimova, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 7, pp. 67-69 Title

USE OF WASTE FUEL AND ENERGY COMPLEX - BURNED ROCKS AND TAILINGS OF CHROMITE ORE IN THE PRODUCTION OF POROUS AGGREGATE ON THE BASIS OF LIQUID-GLASS COMPOSITIONS

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-7-67-69

Author

Abdrakhimova E.S.1

1 Samara National Research University, Samara, 443086, Russian Federation Authors' Information

Abdrakhimova E.S., PhD (Engineering), Associate Professor at the Department of "Chemistry", tel.: +7 (906) 127-09-44, e-mail: 3375892@mail.ru

Abstract

On the basis of liquid glass modified with sodium chloride, burnt rocks and waste enrichment of chromite ores obtained porous filler without the use of natural traditional raw materials. The conducted researches have shown that due to the increased contents in the burnt rocks of PP. (losses during calcination 20-23%), carbon (7.32%) and calorific value (1900 kcal/kg), which burn out or contribute to burnout (for example, calorific value) during firing, porosity is created in the ceramic material and a porous material with a low density is obtained, the grade for bulk density is less than 400. On the basis of the liquid-glass composition, burnt rocks and waste of chromite ores, a porous filler with high physical and mechanical properties was obtained. I nnovative proposals have been developed to reduce the negative impact of toxic waste processing on the environment, the novelty of which is confirmed by Patents of the Russian Federation.

Keywords

Burnt rocks, Chromite ore dressing waste, Liquid glass composition, Sodium chloride, Porosity, Porous filler.

References

1. Goryuchiyslanec: Spravochnik po geologii [Combustible slate: Reference book on geology]. Electronic resource. Available at: http://www.geolib.net/ petrography/goryuchiy-slanec.html#i-2 (accessed 15.06.2019).

2. Abdrakhimov V.Z., Kayrakbaev A.K. & Abdrakhimova E.S. Ispolzovanie otho-dov neftekhimii, cvetnoy i chernoy metallurgii v proizvodstve zharostoykih betonov [The Use of waste petrochemical industry, nonferrous and ferrous

metallurgy in the production of heat-resistant concrete]. Ekologicheskie sis-temy i pribory - Ecological systems and devices, 2017, No. 6, pp. 41-52.

3. Abdrakhimova E.S., Kayrakbaev A.K. & Abdrakhimov V.Z. Ispolzovanie otho-dov ugleobogashcheniya v proizvodstve keramicheskih materialov - sovre-mennye prioritety razvitiya dlya "zelenoy" ekonomiki [Use of waste products coal enrichment in manufacture of ceramic materials - the perspective direction for "green" economy]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 2, pp. 54-57. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/022017.pdf (accessed 15.06.2019).

4. Abdrakhimov V.Z., Belyakova E.A. & Denisov D.Yu. Eksperimentalnoe issle-dovanie teploprovodnosti legkovesnogo kirpicha na osnove bejdellitovoj gliny i gorelyh porod [Experimental study of the thermal conductivity of light-weight bricks based on beidellite clay and burnt rocks]. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika - Refractories and technical ceramics, 2010, No. 11-12, pp. 49-52.

5. Kulikov V.A., Abdrakhimov V.Z. & Cowcow I.V. Ispolzovanie gorelyh porod v proizvodstve kirpicha polusuhogo pressovaniya [Use of burned rocks in the production of bricks dry pressing]. Bashkirskiy himicheskiyzhurnal - Bashkir chemical journal, 2010, Vol. 17, No. 4, pp. 82-84.

6. Grigoriev P.N. & Matveev M.A. Rastvorimoesteklo [Soluble glass]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1956, 443 p.

7. Abdrakhimova E.S., Abdrakhimov V.Z. & Kairakbaev A.K. Ispolzovanie ot-hodov toplivno-energeticheskogo kompleksa v proizvodstve teploizolyacion-nyh materialov na osnovezhidkostekolnyh kompoziciy [Use of waste fuel and energy complex in the production of thermal insulation materials based on liquid glass compositions]. Aktobe, Kazakh-Russian international University Publ., 2016, 140 p.

8. Pat. 2615557. C1 C04V 14/24. Kompoziciya dlya proizvodstva poristogo zapolnitelya [Composition for production of porous filler]. Abdrakhimova E.S., Appl. 28.01.2016. Bul., 05.04.2017, No. 10.