Глава 4 Отходы угольной промышленности

4.1 Виды отходов и способы их образования

Значительный рост объемов обогащения угля сопровождается образованием большого количества отходов, около 10 млн. т в год [15]. Отходы углеобогащения (ОУО) и угледобычи – это шахтные породы, “хвосты” обогатительных фабрик. Они, как правило, содержат некоторое количество угля и глинистого компонента.

Все отходы по содержанию углерода можно разделить на две группы. Углеотходы с содержанием углерода более 24 % рационально дополнительно обогащать или применять как топливо. Вторая часть отходов содержит углерода до 24 % и может использоваться в строительстве, черной металлургии, сельском хозяйстве (рисунок 4.1).

Отходы с содержанием углерода более 24 %

1 2

Отходы с содержанием углерода от 3 до 24 %

Строительство дорог и земельных сооружений

Получение строительных материалов

Сырье черной и цветной

металлургии

Сельское хозяйство

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

1 – энергетическое использование (сжигание, газификация); 2 – механическое обогащение; 3 – щебеночный материал; 4 – материал (в смеси с вяжущим) для верхних и нижних дорожных оснований; 5 – заменитель грунта при сооружении дамб, фундаментов; 6 – закладка подземных выработок, выравнивание рельефа; 7 – керамические материалы; 8 – заполнитель для бетона; 9 – вяжущие; 10 – камнелитые изделия; 11 – концентраты редких рассеянных металлов; 12 – кремнеалюминиевые сплавы и ферросплавы; 13 – материалы на основе карбида кремния; 14 – глинозем и другие кислородные соединения алюминия; 15 – нейтрализация кислых почв; 16 – носители микроэлементов и серы в удобрениях; 17 – улучшение структуры почв

Рисунок 4.1 – Использование отходов углеобогащения

Обогащение угля осуществляется на обогатительных фабриках (ЦОФ) двумя методами: флотации и отсадочных машин. Флотационные отходы представляют собой дисперсную фракцию. Установлено, что во флотоотходах содержание углерода более высокое, чем в отходах отсадочных машин и достигает 20 %; флотоотходы хранятся во флотоотстойниках в сильно увлажненном состоянии, в случае их использования требуются дополнительные затраты на обезвоживание и дополнительное обогащение.

Отсадка представляет собой расслоение массы твердых частиц под воздействием восходящего и нисходящего потоков. На отсадочные машины поступает порода фракцией от 0,5 до 50 мм. Расслоение обычно производится в прямоугольном открытом ящике с перфорированным днищем, через которое пульсации потока воды передаются обогащаемому материалу, в данном случае – смеси угля и породы. Отсадка представляет собой непрерывный процесс, состоящий из трех стадий: загрузка исходного угля; расслоение угля и породы, при котором последняя оседает на решето машины; третья стадия – образование порога и разгрузка породы, скапливающейся на решете. Выход «пустых» пород из-под отсадочных машин составляет около 70% от общего.

Результаты исследования гранулометрического состава отходов углеобогащения методом Рутковского (см. раздел 2.9) показали, что углеотходы ЦОФ «Кузнецкая» и «Абашевская», содержат значительно больше набухающих глинистых фракций, чем другие породы (25…29 %); поэтому их в первую очередь можно рекомендовать для производства обжиговых керамических изделий. Для производства стеновой керамики необходимо корректировать их фракционный состав, поскольку 60 % составляют пылеватые, а 37,73% - песчаные частицы, остальное набухающие глинистые, количество которых в шламистой части отходов может доходить до 10 % (таблица 4.1).

Таблица 4.1 – Гранулометрический состав отходов обогащения

Наименование породы	Содержание фракций, %
	набухающих менее 0,005 мм	песчаных 1…0,05 мм	пылеватых 0,05…0,005 мм
1. ОУО ЦОФ «Кузнецкая» фр. 13…25 мм	24,97	70	5,03
2. ОУО ЦОФ ЗСМК	7,93	48	44,07
3. ОУО ЦОФ «Абашевская»	29	49	22
4. Суглинок Байдаевского месторождения	15	40	45
5. «Хвосты» Абагурской аглофабрики: общая проба иловая часть	2,27 8	60 55	37,73 37

Данные анализа гранулометрического состава наносятся на тройную диаграмму В.В. Охотина (рисунок 4.2), по которой определяют тип глинистого сырья. «Хвосты» относятся к группе «супесь».

Железорудные «хвосты» не могут быть самостоятельным сырьем для производства строительных изделий. Они требуют корректировки вещественного состава (добавления глинистого связующего компонента) и гранулометрического состава (добавления крупных включений до 10…15 %).

Основное направление использования таких отходов для обжиговых, силикатных и плавленых материалов. Без дополнительной обработки они могут использоваться, как компонент мелкого заполнителя в растворах и бетонах.

Рисунок 4.2 – Тройная диаграмма распределения фракций

«глина-пылеватые-песок» (номера проб соответствуют породам,

указанным в таблице 4.1)

Химический состав отходов определялся по методике ГОСТ 5382-91 «Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа». Химический анализ показал следующее содержание основных и кислотных оксидов (таблица 4.2).

Таблица 4.2 – Химический состав пород ЦОФ г. Новокузнецка

Углеотходы ЦОФ фракция +13 мм	Содержание в % на сухое вещество
	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	FeO	Fe2O3	SO3	K2O+Na2O
«Кузнецкая»	52,53	2,88	1,52	15,73	3,06	0,61	-	2,12
«Абашевская»	67,05	0,95	0,52	22,23	4,63		0,42	3,65
ЗСМК	58,85	2,1	1,01	19,84	13,88		0,23	3,42

Наличие оксидов в отходах ЦОФ Al₂O₃ – 15,75…19,84 % и SiO₂ – 52,53…58,85 % говорит о том, что состав отходов близок к традиционному глинистому сырью, что позволяет использовать ОУО в качестве основного сырья для производства керамических материалов (рисунок 4.3). Исследования показали, что содержание остаточного углерода в породах ЦОФ «Кузнецкая» и «Абашевская» (6,5…7%) и значительно ниже, чем в отходах ЦОФ ЗСМК (11,7%).

Установлено, что сырье мало закарбонизировано (СаО составляет 2,1…2,88 %). Это снижает возможность образования «дутиков» в готовых изделиях. В сырье присутствуют оксиды калия и натрия – 2,12%, которые характеризуют плавкость сырья, однако их количество мало.

Химический анализ позволяет сделать вывод, что исследуемые отходы ЦОФ Кузбасса как самостоятельное сырье для производства керамических изделий непригодно, они требуют обогащения, то есть введение корректирующих добавок: плавней и глиноземсодержащих компонентов (рисунок 4.3).

1- кирпич; 2 – черепица; 3 – керамзит; 4 – плитка для полов; А – размещение ОУО ЦОФ «Кузнецкая»; Б – размещение ОУО ЦОФ «Абашевская»; В – размещение ОУО ЦОФ ЗСМК; Г – размещение глинистого сырья Байдаевского месторождения

Рисунок 4.3– Промышленное назначение глин в зависимости от

химического состава

Минералогический состав. Изучаемые отходы углеобогащения представляют собой смесь метаморфизированных пород полиминерального состава. Результаты исследования показали, что в состав входят: глинистые минералы, углистое вещество, кварц, полевые шпаты, слюды, гематит, магнетит и другие вещества. Глинистые минералы представлены в основном гидрослюдами и каолинитом (рисунок 4.4) При обжиге глинистые минералы (каолинит, гидрослюды) переходят в муллит, что позволяет судить о пригодности ОУО ЦОФ ЗСМК и «Кузнецкая» для использования их в качестве сырья для керамических изделий (рисунок 4.5).

Пофракционное исследование пород. Для исследования пород отсадочных машин, они были разделены на фракции 25, 13, 10, 6 и 3. Каждая фракция изучалась отдельно на содержание глинистых веществ остаточного углерода. Термогравиметрические исследования подтверждают содержание углерода в углеотходах. Потери по массе – 13%, для отдельных проб до 20% (ЦОФ «Кузнецкая») и 29 %, для отдельных проб до 37,3 % (ЦОФ ЗСМК) (рисунки 4.6 – 4.10).

Примесь органических веществ доказывает экзоэффект при 330^оС, начало выгорания углерода от 560^оС и до 845^оС. Небольшой эндоэффект при 670^оС …770^оС свидетельствует о разложении карбонатных примесей. Дальнейшее изменение температуры (900^оС) – эндоэффект – связано с преобразованием глинистых минералов и формированием керамического черепка.

Изучение содержания остаточного углерода в отдельных фракциях показало следующее: наименьшее содержание углерода обозначено у породы фракции 25 мм и более, потери по массе для них (12…12,8%).

Исследование минералогического состава показало, что порода мало закарбонизирована, дифрактограмма не показала наличие кальцита и доломита то же подтверждает химический состав (СаО – 1…3%, MgО – 0,5…1,5%).

Учитывая, что исследуемые ОУО относятся к непластичному сырью (низкое содержание глинистых), технология переработки его принята методом полусухого прессования. Для подбора состава шихты оптимизировался грансостав, вещественный состав, усилие прессования и режим термообработки.

Процессы, происходящие при предварительной термообработке. Термогравиметрические исследования, а также пофракционный химический анализ ОУО показывают, что величина потерь при прокаливании и содержание углерода для различных фракций различное (таблица 4.3).

Таблица 4.3 – Состав углеотходов различных фракций

Фракции, мм	Зольность, %	Количество углерода, %	ППП, % (макс.)
3	79,7	14,57	23,94
6	87,8	7,21	15,22
13	89,0	6,29	13,48
25	88,9	6,54	14,15

Известно, что содержание остаточного углерода в керамических изделиях способствует снижению их прочности, морозостойкости, долговечности.

Рисунок 4.4 – Дифрактограмма ОУО ЦОФ «Кузнецкая»

Рисунок 4.5 – Дифрактограмма обоженных ОУО ЦОФ «Кузнецкая»

1 – порода ЦОФ «Кузнецкая», фракция 6 мм; 2 – то же, фракция 3 мм; 3 – то же, фракция 10 мм; 4 – то же, фракция 25 мм

Рисунок 4.6 – Дериватограммы отходов углеобогащения

(кривые ДТА)

1 – порода ЦОФ «Кузнецкая», фракция 6 мм; 2 – то же, фракция 3 мм; 3 – то же, фракция 10 мм; 4 – то же, фракция 25 мм

Рисунок 4.7 – Дериватограммы отходов обогащения угля

(кривые ТG)

1 – порода ЦОФ «Кузнецкая», фракция 6 мм; 2 – то же, фракция 3 мм; 3 – то же, фракция 10 мм; 4 – то же, фракция 25 мм

Рисунок 4.8 – Дериватограммы отходов углеобогащения (кривые ДТG)

Рисунок 4.9 – Отходы обогащения ЦОФ ЗСМК (крупная фракция обогащения)

Рисунок 4.10 – Отходы обогащения ЦОФ ЗСМК (необожженная фракция)

Для снижения количества углерода в сырье предложено подвергать его предварительной термообработке. В лабораторных условиях была определена оптимальная температура обжига углеотходов. Отходы отсадочных машин фракций 25 мм измельчались и рассеивались на фракции 5 мм и менее 0,6 мм, а затем обжигались при различных температурах (таблица 4.4). В результате исследований было определено, что наименьшее количество остаточного углерода содержится в отходах фракций менее 0,6 мм после обжига их в течение 1 часа при температуре 500^оС в лабораторной печи, слоем 5…7 мм. Дифрактограмма термоактивированных пород приведена на рисунке 4.10. Потери при прокаливании в отходах фракцией + 13мм достигают 19,66%, а содержание углерода до 11,4%. Термоактивированная порода содержит минимальное количество остаточного углерода – 0,88%.

Таблица 4.4 – Содержание углерода в термоактивированной породе

Порода	Фракция, мм	Температура термообработки, Т оС	ППП, %	Углерод, %
В естественном состоянии	более 13	900	19,66	11,4
Обоженная	5	500	8,32	3,34
Обоженная	5	600	5,92	1,86
Обоженная	менее 0,6	500	4,55	0,88

Основным показателем, определяющим область и способ применения углеотходов, является содержание в них углерода. Высокоуглеродистые отходы рекомендовано применять в шихту на кирпичных заводах в качестве добавки (10…15 %). Для производства кирпича только из отходов без каких-либо добавок другого сырья могут использоваться средне- и низкоуглеродистые отходы, углерод менее 10%. Наибольшее количество угля (10…30 %) содержится в отходах флотации, наименьшее (4…7 %) в породах после отсадочных машин класса 13…250 мм. Последние применимы как сырье для керамических изделий.

Отечественным и зарубежным опытом установлено возможность производства на основе углеотходов различных строительных материалов. Разработана технология керамического кирпича из масс пониженной влажности (жесткого формования) с содержанием отходов углеобогащения от 100 до 50% [15]. Одним из направлений применения топливо-содержащих отходов добычи и обогащения угля является использование их для обжиговых стеновых материалов. По предварительным данным на производство кирпича можно использовать 23…25 млн. т отходов углеобогащения. В Кузбассе отходы углеобогащения используют в качестве основного сырья на Абашевском кирпичном заводе (рисунок 4.17).