СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА МАГНИЙСИЛИКАТНОГО ПРОППАНТА
METHOD OF RECYCLING WASTES FROM PRODUCTION OF MAGNESIUM SILICATE PROPPANT

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при изготовлении добавочных цементов различного назначения.
Потребность в вяжущих строительных материалах в настоящее время огромна и удовлетворить ее только за счет высококачественного портландцемента, применяемого в ответственном строительстве, не представляется возможным. В этой связи для увеличения объемов производства, а также снижения энергетических и материальных затрат производят вяжущие составного типа, которые кроме клинкерной части содержат различные минеральные добавки. В качестве природных минеральных добавок находят широкое применение диатомит, трепел, опока, горелые глинистые породы, волластонит, цеолитсодержащие кремнистые породы и т.д. (см., например, патенты РФ №2122530, №2440939, заявку на изобретение №2011118793). Однако, с точки зрения доступности, стоимости и экологической безопасности особый интерес представляют техногенные минеральные добавки, являющиеся отходами различных добывающих и перерабатывающих производств, а строительная отрасль является одной из областей народного хозяйства, которая может и должна использовать значительные количества техногенных отходов. В качестве искусственных минеральных добавок применяют промышленные отходы: гранулированные доменные шлаки, нефелиновый шлам, золу - уноса, образующуюся при сжигании угля и пр. (см., например, патент РФ №2497767).
Одним из видов крупнотоннажных техногенных отходов являются отходы производства керамических магнийсиликатных проппантов. Проппанты предназначены для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта и представляют собой прочные керамические гранулы. Сырьем для производства магнийсиликатных проппантов служат серпентинит и/или дунит как самостоятельно, так и в смеси с природным кварцполевошпатным песком. В процессе производства исходное сырье подвергают термообработке при температуре выше 700°C, измельчению до фракции менее 20 мкм, гранулированию с использованием в качестве пластификатора глины и обжигу гранул при температуре выше 1200°C. Основными отходами производства являются тонкодисперсная пыль и отходы термообработанного серпентинита с различных технологических переделов, а также спеки, образующиеся при обжиге сырцовых гранул. В настоящее время отходы подвергаются захоронению на соответствующих полигонах в рамках существующего природоохранного законодательства.
В этой связи представляет интерес принципиальная возможность использования магнийсиликатного сырья в качестве минеральной добавки к портландцементу.
Известен патент РФ №1769501, в котором в качестве одного из компонентов минеральной добавки в портландцемент используют нетермообработанный серпентинит в количестве 1-2 мас.%.
Известен также патент РФ №2288899, в котором дунитовый цемент состоит из портландцементного клинкера, двуводного гипса и дунита при следующем соотношении компонентов, мас.%: дунит - 30-40, портландцементный клинкер - 60-70, двуводный гипс - 3 при их совместном помоле в стержневой вибрационной установке в течение 10 мин.
Вместе с тем авторам не известны технические решения, касающиеся использования отходов производства магнийсиликатного проппанта в качестве добавки в портландцемент.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является вовлечение в процесс производства цемента отходов производства магнийсиликатного проппанта в качестве функциональной техногенной минеральной добавки.
Указанная задача решается тем, что в способе утилизации отходов производства магнийсиликатного проппанта, представляющих собой пылеунос обжига серпентинита - невозвратную пыль, образующуюся при грануляции, сушке, рассеве и обжиге проппанта - сырца, а также спеки, образующиеся при обжиге проппанта-сырца, указанные отходы вводятся в портландцемент в качестве функциональной техногенной минеральной добавки в количестве 5-20 мас.%, причем спеки, образующиеся при обжиге проппанта-сырца, предварительно измельчают до фракции менее 30 мкм.
К первой группе отходов производства магнийсиликатного проппанта относится уловленная аспирационными системами пыль, образующаяся при обжиге серпентинита, грануляции, сушке, рассеве и обжиге проппанта-сырца. Указанный вид отходов не требует дополнительной обработки и может напрямую вводиться в состав цемента, что значительно упрощает процесс изготовления вяжущего. Поскольку исходное сырье для производства проппанта проходит предварительную термообработку, обращаемый в производстве материал имеет уникальный фазовый состав, что в совокупности с его тонкодисперсным (менее 20 мкм) состоянием приводит к тому, что пылеунос обладает чрезвычайно активной поверхностью, а это, в свою очередь, влияет на гидратационную активность и увеличение прочностных показателей получаемых цементов.
Ко второй группе отходов относятся спеки, образующиеся при обжиге гранулированного проппанта-сырца. Высокотемпературный обжиг и наличие в исходном сырье глинистой составляющей приводят к таким дополнительным изменениям фазового состава керамики, что даже относительно грубый помол позволяет применять указанные отходы в качестве активной минеральной добавки в цемент. Экспериментальным путем установлено, что спеки достаточно измельчать до фракции менее 30 мкм. Более грубый помол снижает прочностные показатели цемента.
Применение отходов производства магнийсиликатных проппантов в количестве, превышающем 20 мас.% приводит к снижению прочностных характеристик цемента. Добавка указанных отходов в количестве менее 5 мас.% не оказывает заметного влияния на свойства цемента.
Примеры осуществления изобретения.
Пример 1.
4 кг (80 мас.%) портландцемента фракции менее 80 мкм, 1 кг (20 мас.%) пылеуноса производства магнийсиликатных проппантов фракции менее 20 мкм перемешивали в течение 2 мин в лабораторной вибромельнице. Смесь затворяли водой при водотвердом соотношении 0,3, перемешивали в течение 5 минут и готовили образцы - кубы размером 20×20×20 (мм). Образцы хранили в формах в течение 24 часов, а затем в нормально-влажностных условиях 28 суток. Полученные образцы испытывали на сжатие. Подобным образом готовили образцы цемента с различным количеством пылеуноса. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Пример 2.
4,5 кг (80 мас.%) портландцемента фракции менее 80 мкм, 0,5 кг (20 мас.%) измельченных до фракции менее 30 мкм спеков обжига магнийсиликатных проппантов перемешивали в течение 2 мин в лабораторной вибромельнице. Смесь затворяли водой при водотвердом соотношении 0,3, перемешивали в течение 5 минут и готовили образцы - кубы размером 20×20×20 (мм). Образцы хранили в формах в течение 24 часов, а затем в нормально-влажностных условиях 28 суток. Полученные образцы испытывали на сжатие. Подобным образом готовили образцы цемента с отходами обжига проппанта измельченными до фракции 30 мкм и более. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Анализ данных таблиц показывает, что использование в качестве добавки в цемент отходов производства магнийсиликатного проппанта позволяет получать продукт надлежащего качества. Кроме того, применение указанных отходов позволяет снизить потребление цемента и уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду.