Глава 2. Вовлечение в производство цемента и минеральных вяжущих отходов других отраслей промышленности

Технологические исследования и экономические расчёты по определению затрат и направлений использования техногенных материалов в производстве цемента и вяжущих на их основе.

Технологические исследования техногенных материалов и промышленных отходов (топливных шлаков ТЭЦ жидкого шлакоудаления, золошлаковых отходов, электросталеплавильных шлаков, отвалов промышленных шламов и др.) в лабораторных и полупромышленных условиях на предмет их пригодности в качестве сырьевого компонента, корректирующей добавки в составе сырьевой смеси при обжиге портландцементного клинкера, инертной или активной добавки в составе портландцемента, шлакопортландцемента, при получении шлаковых вяжущих и других направлениях.

Результаты проведенных в НИИЦементе исследований партии топливного гранулированного шлака жидкого шлакоудаления одной из российских ТЭЦ показали, что он обладает вяжущими свойствами, идентичен доменному гранулированному шлаку, используемому в цементном производстве и может применяться в качестве активной добавки при помоле портландцемента, шлакопортландцемента с высоким содержанием добавки шлака и ряда составов шлаковых вяжущих на его основе.

Топливный гранулированный шлак жидкого шлакоудаления характеризуется высокой абразивностью, является интенсификатором помола при совместном помоле с клинкером и хорошо ведёт себя в составе растворов на основе портландцемента, шлакопортландцемента и шлаковых вяжущих, особенно при пропаривании.

Выполненные расчеты экономической эффективности организации производства шлакопортландцемента и шлаковых вяжущих на основе шлаков жидкого шлакоудаления на промплощадке одной из российских ТЭЦ показали принципиальную экономическую целесообразность осуществления такого проекта.

В качестве помольного агрегата, обеспечивающего высокую тонкость помола вяжущих материалов (от 3000 до 5000 см2/г), принята возможность использования компактного агрегата - противоточной струйной мельницы типа МСП-25 конструкции НИИЦемента производительностью 25 т/ч.

Срок окупаемости капиталовложений при выпуске шлакопортландцемента в объеме 100 тыс. т/год и шлакового вяжущего, соответственно, в объеме 80 тыс. т в год, может колебаться в зависимости от содержания шлака в ШПЦ и шлаковом вяжущем в пределах от 2,7 до 4,2 лет при работе помольной установки, оснащённой мельницей МСП-25, на паре после турбин ТЭЦ.

Глава 3. Техногенные отходы в производстве строительных материалов

Условия существования и развития жизни на земле определяются экологическими факторами, то есть элементами среды, значительно влияющими на организмы. В настоящее время мировым сообществом в полной мере осознается масштаб угрозы экологического загрязнения земли и атмосферы техногенными отходами. Выход золошлаковых отходов и отходов угледобычи в год составляет примерно 1 млрд. т. Накапливаясь в районах функционирования предприятий, техногенные материалы существенно осложняют экологическую ситуацию в регионах. Создается опасность для здоровья населения, потерь вторичных ресурсов.

В Москве ежегодно образуется около 20 млн. т. отходов, из которых только 10 % подвергают либо сжиганию, что тоже не выход, либо перерабатывают в промышленности. Остальные 90 % направляют на захоронение.

В мире насчитывается более 1000 наименований техногенных продуктов, перспективных для применения в виде вторичного сырья. Из этого количества 700 наименований включены в банки данных как предмет использования, но лишь 60 из них утилизируются тем или иным способом. В то же время использованию техногенных материалов исследователи постоянно уделяют значительное внимание.

Основными видами техногенных продуктов России являются золы и шлаки ТЭС, отходы угледобычи горно-обогатительных комбинатов, переработки горючих сланцев, металлургические и бытовые отходы.

Исследования, проведенные в России в конце ХХ в., показали возможность применения биотехнологии в производстве безобжигового вяжущего автоклавного твердения на основе железистых шлаков цветной металлургии На измельченных до определенной дисперсности шлаках, затворенных биогенной добавкой, были получены вяжущие и мелкозернистые бетоны прочностью на сжатие 20-80 МПа, морозостойкостью 100-500 циклов. Экономия энергозатрат при этом составляет 50-70 %, трудозатрат - 20-40 %, экономический эффект 70-80 % по сравнению с традиционной технологией.

На кафедре строительного материаловедения Московского института коммунального хозяйства и строительства (МИКХиС) разработан теплоизоляционный жаростойкий шлакосиликатный пеновермикулитобетон плотностью 250-400 кг /м3, прочностью 0,6- 2,0 МПа, теплопроводностью 0,065-0,1 Вт/моС. Он изготовлен с использованием отходов производства тонкодисперсных доменных гранулированных шлаков, зол и предназначен для огневой защиты и теплоизоляции строительных конструкций зданий и сооружений, а также тепловых агрегатов и трубопроводов.

Одной из отраслей промышленности строительных материалов, где техногенные продукты используются максимально, является цементная промышленность. Так, в качестве карбонатного сырья широко применяются отходы таких химических производств, как, например, алюмосиликатное (использованы золы ТЭС и углеотходы). Чаще всего для производства цемента применяют породы горно-обогатительных комбинатов (Старооскольский и Подольский цементные заводы, Магнитогорский цементно-горный комбинат). Известно использование для производства цемента в качестве сырьевого компонента хвостов обогащения железных руд, электротермофосфорных шлаков, но более всего доменных гранулированных шлаков - как активной минеральной добавки, При этом получается цемент типа Д5, Д20 и шлакопортландцемент.

В мировой практике накоплен богатый опыт получения пористых заполнителей путем переработки крупнотоннажных техногенных отходов, прежде всего металлургии и топливной энергетики, Так, в середине 1990-х годов на ТЭЦ в г. Тольятти была введена в действие установка, позволяющая получать из шлаков и золы пористый заполнитель, названный шлакозитом. Особенность технологии состоит в том, что производство шлакозита увязано с производством электрической и тепловой энергий. Отсюда - существенно сниженные энергозатраты на производство этого заполнителя (более чем на 40 % по сравнению с керамзитом).

Технология разработана специалистами фирмы «Стеклозит» (г. Самара) Она успешно использовалась при переработке зол и шлаков текущего выхода ТЭЦ г. Милуоки (штат Висконсин, США). Был получен высокопрочный шлакозитовый гравий прочностью при сдавливании в цилиндре 8 МПа и насыпной плотностью 800 кг/м3.

В 1999 г, на Новолипецком металлургическом комбинате была введена установка по производству остеклованного пористого шлакового гранулята и получены конструкционные бетоны на его основе, в том числе высокопрочные - до В80. Технология разработана учеными Уральского института черных металлов (г. Екатеринбург) и НИИЖБ. По основным техническим свойствам этот вид заполнителя, названный шлакостеклогранулятом, не уступает керамзиту. При этом энергозатраты на производство ниже более чем в 10 раз, себестоимость меньше в 3-5 раз. Технология производства шлакостеклогранулята получила мировое признание и включена в каталог ООН по экологически чистым технологиям утилизации техногенных отходов.

Востребованность в заполнителе в строительном комплексе России растет. Одним из первых отечественных предприятий, которое смогло эффективно решить проблему утилизации полимерных отходов путем их переработки и изготовления из них изделий, является ОАО «РЯЗАНЬПРОМСТРОЙИНВЕСТ». На предприятии внедрена усовершенствованная технология изготовления изделий из продуктов переработки полимерных отходов и песка - полимерпесчаной композиции. По этой технологии изготовляются высокоэффективные водоотводы и черепица, превосходящая по многим показателям черепицу из других материалов. Изготавливаемые на предприятии полуавтоматические технологические линии способны производить до 6000 п.м. водоотводов в месяц и перерабатывать 40 т полимерных отходов. Полимерный водоотвод имеет превосходное соотношение цены и качества. Решетка из прочной полимерпесчаной композиции выдерживает нагрузки до 300 кгс и соответствует классу С250 стандарта DIN 19580. Внедрение полимерпесчаных водоотводов в рамках национальных программ позволит решить проблемы утилизации полимерных отходов и улучшить экологическую обстановку.

Расчеты показывают, что комплексное использование сырья и техногенных продуктов дает возможность увеличить выпуск многих видов продукции на 25-30 %, снизить ее себестоимость в 2-4 раза.

Проблема утилизации крупнотоннажных отходов интернациональна. За рубежом ее решению придается очень большое значение, лишь в США объем утилизации техногенных продуктов превышает 20 %, а в развитых странах Европы он значительно больше и составляет во Франции 62 %, в Германии 76,5 % Аналогичная картина в Болгарии и Польше.

В России нео6ходимо вывести проблему утилизации отходов на государственный уровень и осваивать масштабную промышленную переработку рассортированных отходов.

Рост требований к надежности стройматериалов, изделий и конструкций, полученных с применением минерального сырья, тесно связан с максимальной комфортностью и полной безопасностью для здоровья человека.

Долгие годы промышленность стройматериалов была ориентирована на выпуск материалов и изделий, отвечающих требованиям автоматизированного промышленного производства, индустриального применения и высокого качества готовой продукции. Из поля зрения выпадали вопросы безопасности стройматериалов. Получение высококачественной экономически выгодной и экологически безопасной продукции является основным направлением современной индустрии стройматериалов.

Использование на протяжении долгих лет традиционно считавшихся безопасными стройматериалов, в свете их радиационного воздействия на людей, заставило по-новому оценить эти материалы с экологической точки зрения (см. рис. 1).

В соответствии с ГОСТ 30108-94, эффективная удельная активность естественных (ЕРН) (Аэфф) - суммарная удельная активность ЕРН в материале, определяемая с учетом их биологического воздействия на организм человека по формуле:

Аэфф = АRa + 1,31.ATh + 0,085.AK (1)

где АRa и АTh - удельные активности 226Ra и 232Th, находящихся в равновесии с остальными членами уранового и ториевого рядов, АK - удельная активность К-40, Бк/кг.

По НРБ-99 эффективная удельная активность (Аэфф) природных радионуклидов в стройматериалах (щебень, гравий, песок, бутовый камень, цементное и кирпичное сырье и пр.), добываемых на их месторождениях или являющихся побочным продуктом промышленности (отходы промышленного производства, используемые для изготовления стройматериалов - золы, шлаки и пр.), не должна превышать:

- для материалов, используемых в строящихся и реконструируемых жилых и общественных зданиях (I класс):

Аэфф= АRa +1,3АTh+0,09АK ? 370 Бк/кг (2)

- для материалов, используемых в дорожном строительстве в пределах территории населенных пунктов и зон перспективной застройки, а также при возведении производственных сооружений (II класс):

Аэфф Ј 740 Бк/кг;

- для материалов, используемых в дорожном строительстве вне населенных пунктов (III класс):

Аэфф=1,5кБк/кг.

При 1,5 кБк/кг <Аэфф Ј 4,0 кБк/кг (IV класс) вопрос об использовании материалов решается в каждом конкретном случае отдельно, по согласованию с федеральным органом госсанэпиднадзора. При Аэфф>4,0 кБк/кг материалы не должны использоваться в строительстве.

Так как большинство стройматериалов являются многокомпонентными, выявление закономерностей содержания естественных радионуклидов в таких материалах в зависимости от эффективной удельной активности исходных компонентов является актуальным для обеспечения радиационной безопасности. Для измерения активности материалов используются дозиметрические средства (см., например, рис. 2).

В целях поиска эффективных путей снижения содержания естественных радионуклидов в строительных материалах, необходимо выявить основные закономерности получения стройматериалов с минимальным их содержанием. Учитывая, что на долю заполнителей в составе бетонов и растворов приходится большая часть объема материала, а многие заполнители имеют высокие значения эффективной удельной активности (гранитный щебень, керамзитовый гравий, шлаки, золы и др.), одной из важных задач является установление влияния различных видов заполнителей на содержание естественных радионуклидов.

Прогнозирование содержания ЕРН в стройматериалах позволит на стадии проектирования при известных значениях эффективной удельной активности исходного сырья установить их безопасность для населения и определить рациональные пути их использования. Особенно это важно в производстве, например, керамических изделий. В результате спекания глин происходит возрастание содержания ЕРН за счет их концентрирования в составе материалов [1].

Особенностью стройматериалов некоторых регионов является то, что кроме естественных, в их составе присутствуют техногенные радионуклиды. Это обстоятельство требует дополнительных мер по обеспечению контроля за содержанием не только естественных, но и техногенных радионуклидов в сырьевых материалах и готовых изделиях.

Но эффективная удельная активность ЕРН не всегда в полной мере может характеризовать опасность радоновыделения. Материалы, относящиеся к безопасным по содержанию ЕРН, могут оказаться крайне опасными по радону за счет его высокой эманирующей способности. Выявление особой роли радона в облучении людей в бытовых условиях и на производствах, далеких от радиационно-опасных технологий, является одной из причин повышенного внимания в последние годы к проблеме радона, условиям его образования и накопления в помещениях.

Различные материалы, содержащие радиоактивные элементы, выделяют в окружающую среду образующиеся в них радиоактивные эманации [2]. Количество выделяемой эманации зависит от природы, физического состояния, температуры эманирующего тела и др. Степень эманирования характеризуется коэффициентом эманирования [3].

Коэффициент эманирования представляет собой отношение количества радона, свободно выделяемого веществом единичной массы Q1, к количеству образующегося в веществе радона Q2 :

кэм = Q1/Q2. (3)

качество строительный материал цемент

Другой величиной, характеризующей эманирование, является эманирующая способность. Эманирующая способность - это количество свободного радона, выделяемого единицей массы вещества при условии радиоактивного равновесия. Эта величина связана с удельной активностью радия АRa в материале следующим соотношением [1]:

R = АRa кэм (4)

где R - эманирующая способность материала, Бк/кг;

АRa - эффективная удельная активность радия, Бк/кг;

кэм - коэффициент эманирования.

В настоящее время изучение эманирующей способности стройматериалов в нашей стране (да и за рубежом, за исключением нескольких видов строительных материалов) основано на единичных измерениях, которых явно недостаточно. Приводимые в литературе данные по коэффициенту эманирования стройматериалов малочисленны и противоречивы. Они не позволяют установить закономерности получения стройматериалов и изделий с низкой эманирующей способностью. Учитывая многообразие строительных материалов, технологии их изготовления и различные виды образующихся при этом структур, следует ожидать большое разнообразие факторов, влияющих на коэффициент эманирования.

Использование в производстве стройматериалов промышленных отходов носит комплексный характер: экономический, экологический и социальный. Они являются ресурсосырьевой базой для производства строительных материалов.

Однако промышленные отходы могут успешно быть утилизированы только в том случае, если учитываются не только технологические, но и экологические свойства как отходов, так и материалов на их основе. Поэтому строительные материалы, содержащие промышленные отходы, должны быть стабильными во времени при воздействии различных факторов, чтобы исключить вредное воздействие на человека и вторичное загрязнение окружающей среды. Исследования последних лет по определению содержания свинца и хрома в водопроводной воде, протекающей по цементным трубам, заставило по-иному взглянуть на проблему тяжелых металлов в стройматериалах. Тяжелые металлы, содержащиеся в таких промышленных отходах, как пиритные огарки, ферроникелевые, феррованадиевые, гальванические и другие шламы, отработанные формовочные смеси, пыли-уноса цементных заводов, превышают предельно допустимые концентрации в десятки и сотни раз. Попадая с сырьевыми материалами и корректирующими добавками в цемент, с заполнителями и отходами в растворы и бетоны, а из стройматериалов водопропускных сооружений в питьевую воду, могут наносить значительный вред здоровью людей. Другой путь миграции тяжелых металлов осуществляется по цепочке: стройматериалы, грунт, грунтовые воды, водопроводная вода, организм человека.

Приводимые в литературных источниках сведения по миграции тяжелых металлов не дают представления о закономерностях и особенностях процессов связывания и миграции, а также факторах, определяющих эти процессы. В настоящее время практически отсутствуют результаты теоретических исследований по данному вопросу.

Моделирование процессов миграции тяжелых металлов из цементных композиций, в зависимости от различных факторов (плотности, открытой пористости, температуры, добавок и др.), позволило выявить ряд закономерностей получения экологически безопасных строительных материалов с использованием промышленных отходов. Необходимо учитывать и тот факт, что в результате коррозионного воздействия агрессивных сред возможно вымывание тяжелых металлов из состава материала.

В настоящее время наиболее изучены экологические свойства асбеста, полимерных и материалов на основе органических вяжущих. Что касается строительных материалов на основе минеральных вяжущих, то изучение их экологических свойств находятся на начальной стадии. Отсутствуют и теоретические основы, позволяющие с научной точки зрения оценить экологические свойства стройматериалов в зависимости от их структурно-технологических характеристик. Учитывая негативное влияние промышленных отходов на окружающую среду и здоровье населения, создание и отработка новых эффективных технологий их переработки и обезвреживания в составе строительных материалов при обеспечении экологической безопасности, является важной экономической и социально-экологической задачей.