Применение техногенных отходов Кадамжайского сурьмяного комбината в качестве сырья для получения портландцемента

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 666.931+669.184                                

В настоящее время экологические проблемы, связанные с образованием, хранением, использованием и утилизацией, техногенных отходов являются одним из основных проблем в природоохранной деятельности в силу своего комплексного характера. С одной стороны, отходы производства являются вторичными материальными ресурсами и по своему составу и свойствам промышленные отходы близки к природному сырью и использование их позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах, а с другой они оказывают воздействие на все сферы окружающей среды-почву, атмосферу, водные ресурсы и в целом на всю природу и жизнь общества [1]. А возможность применения промышленных отходов позволяет на 10–30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими показателями и, кроме того, уменьшить загрязнение окружающей среды.

Известно, что в настоящее время промышленные отходы составляют до 90–98% от всех добываемых природных ресурсов, т. е. промышленность работает в основном на производство отходов, поэтому проблема разработки техногенных «месторождений» приобретает все большую актуальность.

Одним из примером такого техногенного образования в Киргизской Республике является накопившиеся отходы Кадамжайского сурьмяного комбината (КСК), представляющий собой техногенным сырьевым ресурсом, имеющих ценность для разных отраслей народного хозяйства страны. Поэтому разработка технологии использования накопленных отходов является актуальной задачей и для комбината, и для жителей данного региона.

В связи с этим, целью настоящей работы является экспериментальное обоснование и разработка технологии применения техногенных отходов КСК различного происхождения для получения, например, строительных материалов и изделий.

По данным Министерства экологии и чрезвычайных ситуаций КР, в республике имеется порядка 35 хвостохранилищ и 25 горных отвалов, которые в настоящее время занимают большие площади хозяйственных земель и являются мощными возбудителями состояния природной среды. Эти техногенные образования горнопромышленных производств относятся к специфической группы геологических объектов, сформировавшихся за последние столетия в промышленных регионах КР. К ним относятся отходы: горнообогатительного, металлургического, энергетического, химического и других производств, которые можно рассматривать и как ценное сырье для дополнительного получения полезных компонентов, строительных материалов, химической продукции, минеральных удобрений и пр. [2]. Поэтому горнодобывающая промышленность КР уже ориентируются на эксплуатацию все более бедных техногенно-минеральных образований, как источника дополнительных ресурсов полезных компонентов [3].

Цементовяжущее вещество, обладающее гидравлическими свойствами, состоящее из клинкера и при необходимости, гипс или его производных и добавок. Цементы классифицируют по назначению (общестроительные, специальные строительные, не строительные), по виду клинкера и вещественному составу, по прочности, при сжатии, скорости твердения, срокам схватывания, нормированию специальных свойства [4].

В настоящее время цемент является самым востребованным строительным материалом. Он широко используется для изготовления архитектурных и декоративных изделий, для отделки зданий и сооружений, при строительстве гидроэлектростанций, морских океанских сооружений, в промышленном производстве железобетонных конструкций, для автомобильных и аэродромных покрытий, при бурении нефтяных и газовых скважин, для производства асбестоцементных изделий, для строительства металлургических, химических и других тепловых агрегатов.

Среди строительных материалов цементу принадлежит ведущее место. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона и железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, скопления отдельных элементов (деталей) сооружений и другие. Большим потребителем цемента является нефтяная и газовая промышленности, цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, глину, известь, и другие традиционные материалы [5–6].

В данной статье рассматриваются проблемы получения портландцемента с использованием техногенных отходов (шлак отвальной) металлургической промышленности КР и отходы производства, хвостов флотационного обогащения сурьмяных руд, в качестве исходного сырья.

В настоящее время на территории Кадамжайского сурьмяного комбината (КСК) имеются десятки миллионов тонн промышленных отходов [7], которые можно использовать в качестве исходного сырья при производстве цемента.

Для решения поставленной проблемы нужно рассматривать следующие задачи:

–Определение химического (компонентного) состава исходного техногенного сырья;

–Выбор технологии производства цемента на основе отходов КСК;

–Технико-экономическое обоснование выбранной технологии;

–Экспериментальное исследование и подтверждение режимы получения качественного цемента;

–Утилизация отходов и улучшение экологической обстановки региона.

Основы технологии производства цемента

Для получения портландцемента в лабораторных условиях поэтапно осуществляли следующие технологические процессы:

–дробление и определение дисперсного (гранулометрического) состава исходного сырья;

–сушка исходного сырья (техногенные отходы, глина, гипс);

–выбор высококалорийного топлива (угля);

–исследование оптимального температурного режима для обжига сырьевых материалов.

В процессе подготовки портландцементного клинкера используя необходимых сырьевых материалов, известняк или глинистый сланец, тщательно перемешивали и обрабатывали температурным полем до температуры 1450 °С.

Протекающие при этом реакции можно разделить на следующие три группы, а именно:

• 1.    Реакции при температурах ниже примерно 1300 °С, из которых наиболее важны:

• а)    разложение кальцита (декальцинация);

• б)    разложение глинистых материалов и

• в)    реакция кальцита или образующейся из него извести с кварцем и продуктами распада глинистых минералов, в результате которой образуются: белит, алюминат и феррит.

• 2.    Реакция при температурах 1300–1450 °С (клинкерообразование). Образуется расплав, главным образом из алюмината и феррита при 1450 °С около 20–30 мин смеси представляет собой жидкую фазу. Большая часть белита и почти вся известь взаимодействуют в присутствии расплава с образованием алита. Материал формируется в виде гранул, образуя клинкер.

• 3.    Реакция при охлаждении жидкости закристаллизовывается, давая главным образом

Жидкость на этой стадии появляется в незначительном количестве, но тем не менее может оказывать значительное влияние на развитие реакций. В конце этой стадии главными фазами смеси являются белит, известь, алюминат и феррит.

Две последние фазы могут отличаться от соответствующих фаз в конечном продукте.

алюминат и феррит. Происходят полиморфные превращения алита и белита.

Для получения портландцемента, пригодные глинистые сланцы, глины и известняк, имеют примерный состав:

50–60% SiO 2 ; 15–25% Аl 2 O 3 ; 5–10% Fe 2 O 3 ; 67% CaO [8].

Экспериментальная часть

Для получения портландцемента как исходного сырья использовали техногенные отходы Кадамжайского сурьмяного комбинат: шлак отвальной и флотационный хвостовой отход и природная глина. Исследован химический состав техногенных отходов [9] (Таблица 1).

Таблица 1.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОТОБРАННЫХ ПРОБ ОТХОДОВ СУРЬМЯНОГО КОМБИНАТА

1 з <о о й g cl	2 Й	б	9 Q щ	о о	о ч S	со	О Щ	9,		i		о	рц	С	О'- 8
« s S Й ® 911	60,63	4,66	3,63	4,30	2,45	0,4	20,4		0,24	1,63	0,24			1,69	100
S й « i^i	60,78	4,06	4,69	5,48	1,20	0,44	20,1	—	0,4	1,10	0,36	—	—	1,39	100
i ’§ Й-'Й ад О Q 3 О р S х S g о t § ч о с о е s	30	4,14	5,2	56,1	1,4	—	—	—	0,5	1,41	1,04	—	—	1,42	100
g S 3 3 й S 1 3	27,9	10,7	8,2	6,5	2,4	1,0	—	2,0	—	4,0	6,0	22	1,8	7,5	100

Для получения цемента было взято 1 кг не магниченного шлака, 1 кг шлака в виде песка, 4 кг флотационный хвостовой отход и 1 кг природной глины.

Все исходные сырья сушили в сушильном шкафу при температуре 110 °C и измельчали в щековой дробилке до фракции 0–15 мм и нагревали при температуре 1450 °C (температура лабораторной муфельной печи достигает до 1500 °C) в течении 2 ч и 50 мин охлаждая в естественных условиях (Таблица 2).

Таблица 2.

ВРЕМЯ И ТЕМПЕРАТУРА СЖИГАНИЯ СМЕСИ

Время сжигания смеси, ч.	10,0	10,25	10,50	11,15	11,40	12,05	12,30	12,5
Температура в печи, ℃.	20	200	400	600	800	1000	1200	1450

Полученный цементный клинкер охладили, измельчили в шаровой мельнице до остатка 8–10% и пропустили через сито №0,04 и для вязкости добавили 4% строительный гипс.

Технологическая схема получения цемента с использованием техногенных отходов КСК показана на Рисунке.

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 7. №3. 2021

Хвостовой отход

Флотационный отвал

Рисунок. Технологическая схема получения портландцемента из техногенных отходов КСК в лабораторных условиях.

На основании экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    Исследованы гранулометрический, минералогический и химический составы [9] техногенных отходов (шлак отвальной, флотационный хвостовой отход) и природная глина, которая является пригодной для использования в качестве сырья для получения портландцемента. Проведена их радиационно-гигиеническая оценка [9].

• 2.    Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования техногенных отходов КСК в качестве сырья при получении строительных материалов. Установлены температура спекания 1450 ℃ для техногенных отходов КСК и рецептурнотехнологические параметры получения портландцемента.

• 3.    Разработана технологическая схема утилизации техногенных отходов КСК с получением товарной продукции (портландцемента), которая соответствует требуемым критериям, обеспечивает экологическую обстановку региона и защиту окружающей природной среды при производстве строительных материалов.