Щукина Е.Г., Беппле Р.Р., Архинчеева Н.В. Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности при производстве строительных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Восточно - Сибиркий государственный

технологический университет

Комплексное использование минерального сырья

и отходов промышленности при производстве строи-

тельных материалов

Учебное пособие

для студентов специальности 290600 «Производство

строительных материалов, изделий и конструкций».

Составители:

Щукина Е.Г.

Беппле Р.Р.

Архинчеева Н.В..

Улан-Удэ – 2004

В данном пособии рассмотрены сведения о составах и

свойствах отходов топливно-энергетичсекой, деревообраба-

тывающей, металлургической, строительной и других от-

раслей промышленности и их использование в производст-

ве строительных материалов и изделий.

Учебное пособие позволит студентам более глубоко

изучить свойства и применение строительных материалов с

использованием минерального сырья и отходов промыш-

ленности.

Ключевые слова техногенное сырье, гипсовые отходы, тепло-

энергетическая промышленность, перлитовые породы

Учебное пособие по «Дисциплине специа-

лизации» раздел «Комплексное использование

минерального сырья и отходов промышленности

для производства строительных материалов»

выполнено с учетом использования промышлен-

ных отходов и природного минерального сырья

в том числе и Забайкалья и предназначено

для студентов специальности 290600 «Произ-

водство строительных материалов, изделий и

конструкций» очного и заочного отделения.

В данном пособии рассмотрены сведения о составах и

свойствах отходов топливно-энергетичсекой, деревообраба-

тывающей, металлургической, строительной и других от-

раслей промышленности и их использование в производст-

ве строительных материалов и изделий.

Учебное пособие позволит студентам более глубоко

изучить свойства и применение строительных материалов с

использованием минерального сырья и отходов промыш-

ленности.

Для успешного усвоения теоретического материала

предусматривается выполнение курсовой работы.

Зам.министра строительства,

архитектуры и ЖКХ РБ

к.т.н.. Баранников В.Г

Введение.

При современном уровне и масштабах потребления

природных сырьевых материалов значение фактора полно-

ты использования и вовлечения в общественное производ-

ство вторичных материальных ресурсов имеет первостепен-

ное значение. Роль этого фактора особенно велика при

оценке экономической эффективности народного хозяйства

в различных его отраслях, в том числе отходов производств,

сельского хозяйства и некондиционных природных полез-

ных ископаемых.

Комплексное использование сырья и отходов важно

еще и потому, что оно связано с решением проблемы созда-

ния безотходных и экологически чистых промышленных

технологий. Разработка и освоение безотходных технологий

имеют важное значение для предприятий химической, гор-

нохимической, микробиологической, металлургической,

угольной, строительной и других ресурсоемких отраслей

промышленности.

Большая часть их проходит стадии добычи и обогаще-

ния, в результате которых образуются значительные объе-

мы различных отходов (вскрышные породы, отходы обога-

щения и переработки, пылегазовые выбросы и др.). В каче-

стве примера идентичности использования различных по

свойствам сырья и отходов можно привести тот факт, что

вскрышные породы, образующиеся при добыче горнохими-

ческого сырья, каменных, бурых углей и ряда руд черных

металлов, могут найти широкое применение для производ-

ства различных строительных и вяжущих материалов. Тех-

нические гидролизные лигнины и некоторые виды уголь-

ных отходов могут использоваться в качестве топлива, уг-

леродистых восстановителей для ряда металлургических

производств, в качестве адсорбентов для очистки сточных

вод, обезвреживания газовых выбросов и др.

Предотвращение загрязнения окружающей среды -

одна из важнейших проблем современности. Практика по-

казывает, что наиболее широко и эффективно попутные

продукты промышленности могут быть применены в произ-

водстве строительных материалов.

Проблема утилизации отходов остро стоит во всем

мире. Непрерывно растущий объем строительства в Буря-

тии вызывает необходимость изыскания новых источников

сырья для производства строительных материалов и изде-

лий.

Защита окружающей среды от загрязнений промыш-

ленными отходами является наиболее актуальной пробле-

мой современности, решению которой с каждым годом уде-

ляется все большое внимание не только в нашей стране, но

и за рубежом.

Доля использованного вторичного сырья в производ-

стве строительных материалов незначительна. Медленное

освоение отходов обусловлено недостаточным исследова-

нием как самого сырья, так и физико-химических процес-

сов, протекающих в составах керамических масс при тер-

мической обработке. Решать эту проблему необходимо на

региональном уровне, создавая рынки природного и техно-

генного сырья. Кроме того, существуют разведанные, но не

используемые месторождения как рудного, так и нерудного

сырья.

В настоящее время приняты четыре основных класси-

фикаций промышленных отходов: химическая, отраслевая,

по коэффициенту насыщения и по агрегатному состоянию.

1. Классификация промышленных отходов

а) Химическая (в основу положен химический прин-

цип).

- кремнистые отходы (свободного SiO

>50%)

- силикатные (Са, MgS)

- карбонатные (CaCО

, MgCО

)

- сульфатные (CaSО

- хлорсодержащие (MgCl

)

- фторсодержащие

- смешанные минеральные

- органические

- водоорганоминеральные

- органоминеральные

б) Отраслевая

Химическая

Деревообрабатывающая

Металлургическая

Энергетическая

Строительный комплекс

Нефтеперерабатывающая

в) По коэффициенту насыщения

нас

=(CaO+MgO)/(SiO

+Al

+Fe

)

Коэффициент насыщения прогнозирует вяжущие свойства,

если К

=0 – отходы ультракислыe, К

=0-0,8 – кислые,

=0,8-1,2 – нейтральные; К

=1,2 -3 – основные, при К

ультраосновные.

Ультракислые и кислые отходы вяжущими свойст-

вами не обладают, к ним относятся отходы с преобладанием

SiO

нейтральные обладают скрытыми вяжущими свойст-

вами к ним относятся доменные шлаки, вяжущие свойства

проявляются в автоклавах; к основным относится нефели-

новый шлам, к ультраосновным – известь, карбидный ил.

Боженовым П.И. была предложена классификация по

агрегатному состоянию (см. табл.1)

Таблица 1.

г) Классификация техногенного сырья по агрегатно-

му состоянию в момент выделения их из основного техно-

логического процесса.

Класс

Основные

продукты

Попутные

продукты

Агрегат-

ное со-

стояние

Характеристика

А Продук-

ты, не ут-

ратившие

природ-

ных

свойств

А) карьер-

ные остат-

ки при до-

быче гор-

ных пород

Б) остатки

после обо-

гащения на

полезное

ископаемое

Твердое

Жидкое

Твердое

Крупный камень,

щебень, пески, по-

рошки

Растворы, суспен-

зии, шламы, грязи.

Крупный камень,

щебень, пески, по-

рошки

Газ Газы, смесь газов,

водяной пар, паро-

газовая смесь

Б Искусст-

венные

продукты,

получен-

ные в ре-

зультате

глубоких

физико-

химиче-

ских про-

цессов.

А) Образо-

вавшиеся

при обра-

ботке ниже

температу-

ры спека-

ния

Жидкие Растворы, суспен-

зии, шламы, грязи

Продолжение таблицы 1.

Твердые Крупный камень,

щебень, пески-ос-

татки после выще-

лачивания, сепара-

ции и отмучивания.

Порошки – осажде-

нная пыль, проду-

кты самопроизво-

льного рассыпания

крупных кусков.

Газ Газы, смесь газов,

водяной пар

Жидкие Растворы, смесь

газов, водяной пар,

парогазовая смесь

Б) образо-

вавшися

при темпе-

ратурах,

вызвавших

полное или

частичное

расплавле-

ние

Твердые Крупный камень,

щебень, пески, по-

рошки, измельчен-

ная осажденная

пыль

Жидкие Растворы, шламы,

грязи, суспензии

В) образо-

вавшиеся

осаждени-

ем из рас-

творов

Твердые Крупный камень,

щебень, порошки,

измельченная оса-

жденная пыль

Продолжение таблицы 1.

Газ Газы, смесь газов,

водяной пар

Жидкие Растворы, эмуль-

сии, суспензии

В Продук-

ты, обра-

зовав-

шиеся в

результа-

те дли-

тельного

хранения

в отвалах

Твердые Щебень, пески, по-

рошки

ВНИИстромом имени П.П. Будникова совместно с

ВЗИС усовершенствована и дополнена классификация ос-

новных видов отходов, использование которых возможно и

целесообразно в производстве строительных материалов. В

основу этой классификации были положены следующие

принципы: отрасль промышленности или вид производства,

где образуются отходы; источник образования отходов; на-

значение использования отходов; материалоемкость произ-

водства; топливоемкость и электроемкость изготавливаемой

продукции; характеризуются показатели замены данных

традиционных сырьевых ресурсов отходами при производ-

стве

Основные параметры, характеризующие любой про-

мышленный отход: химико-минералогический состав, агре-

гатное состояние и объем образования. Для выбора направ-

ления использования каждый вид промышленного отхода

должен пройти несколько уровней оценки по различным

критериям с учетом основных параметров.

Первый уровень – оценка по токсичности. Ток-

сичность отхода оценивается путем сравнения состава с

ПДК канцерогенных (токсичных) веществ и элементов. При

этом возможно три варианта:

1) отход содержит значительное количество токсичных

веществ, концентрация которых превышает ПДК;

2) отход с небольшим количеством тяжелых металлов;

3) отход не содержит вредных веществ.

В первом случае отход без специальных мер очистки не

может быть использован при производстве строительных

материалов и должен быть направлен на захоронение. При

наличии в составе отхода примесей тяжелых металлов мож-

но рекомендовать использовать его в обжиговых техноло-

гиях при условии образования в массе, достаточного для

концентрации (капсулирования) тяжелых металлов распла-

ва. В случае отсутствия токсичных элементов, рассматри-

ваемый отход рекомендуется ко второму уровню оценки.

Второй уровень – оценка по химико-

минералогическому составу. Химико-минералогический

состав является определяющим фактором выбора направле-

ния использования. Для объективной оценки необходимо

определить: органическую и минеральную часть; вид орга-

ники (масла, смолы, битумы, дегти, растительные остатки и

т.п.); в минеральной части кроме содержания основных ок-

сидов (SiO

, Al

, Fe

, FeO, CaO, MgO, Na

O, K

O) необ-

ходимо знать элементарный состав с целью выявления ред-

коземельных металлов, а также наличие и количество

аморфных компонентов.

По соотношению между органической и минеральной

частью, с ориентацией на использование в строительных

материалах, все отходы, как это принято, следует подразде-

лять на три группы: органические, органоминеральные и

минеральные.

Введение в качестве критерия содержание аморфных

компонентов позволяет минеральные отходы разделить

также на три группы: активные (в случае преобладания

аморфных фаз), инертно-активные (при незначительном со-

держании аморфных фаз), а также оставшиеся следует отне-

сти к инертным (при отсутствии аморфных компонентов).

Первый и второй уровни оценки следует считать под-

готовительными, раскрывающими основную специфику

анализируемого отхода. Конкретные рекомендации по при-

менению в строительных материалах можно получить на

следующих уровнях оценки.

Третий уровень – выбор из числа отходов готовых

строительных материалов или их компонентов. В неко-

торых случаях отход по химико-минералогическому соста-

ву является готовым строительным материалом. При этом, в

первую очередь, обращают внимание на его активность.

Поэтому анализируемый отход, попавший в группу “актив-

ный” или “инертно- активный”, можно рекомендовать в ка-

честве активной минеральной добавки в составы пуццола-

нового портландцемента и смешанных вяжущих.

Оценочным критерием всех остальных групп является

минеральный состав традиционных материалов. Химико-

минералогический состав в этом случае сопоставляется с

составом традиционных строительных материалов из соот-

ветствующей группы по количеству преобладающих мине-

ралов. На данном этапе оценки возможно два варианта: в

случае совпадения сравниваемых параметров отход оцени-

вается как готовый строительный материал, в противном

случае отход рекомендуется для дальнейшей оценки.

Четвертый уровень – выбор из числа отходов гото-

вых сырьевых смесей (шихт) для производства строи-

тельных материалов. Отдельные виды отходов такие как

гранитные отсевы для производства кирпича могут стать

готовым сырьем (сырьевой смесью) или основным сырьем

для производства строительных материалов. Чтобы выде-

лить такие отходы, химический состав отхода сопоставляет-

ся с химическим составом сырьевых смесей для производ-

ства строительных материалов.

Если анализируемый отход по химико-

минералогическому составу не соответствует известным

строительным материалам, его следует рассматривать как

компонент сырьевых смесей, а выпуск строительных мате-

риалов на основе его возможен только при работе на искус-

ственных, в достаточной степени гомогенизированных,

шихтах.

Пятый уровень – оценка по агрегатному состоя-

нию. Условия образования отходов сказываются на их агре-

гатном состоянии. По агрегатному состоянию выделяют:

твердые – сыпучие (кусковые, порошковые дисперсные и

высокодисперсные), волокнистые, жидкие – эмульсии,

сточные воды; пастообразные – шламы, осадки, концентри-

рованные эмульсии.

Шламы могут быть получены двумя способами: кол-

лоидно-химическим осаждением из растворов (сточных

вод) – так называемые истинные шламы, и механической

смесью тонкодисперсных частиц с водой.

Агрегатное состояние можно учитывать при выборе

технологии производства строительного материала. Так,

высокопластичные свойства истинных шламов должны

быть использованы для получения технологических свойств

строительных материалов, а значительное их водосодержа-

ние – для получения гомогенных масс, например, по техно-

логии фильтрпрессовании.

Шестой уровень – оценка по объему образования.

По объему образования все отходы можно разделить на

многотоннажные и малотоннажные. Объем образования оп-

ределяет функциональное назначение его: многотоннажным

отходам отводится роль основного сырья, а малотоннажным

– роль корректирующих добавок.

После такой многоуровневой оценки отход приобре-

тает определенный статус. Но, обычно, перед использова-

нием в стройиндустрии, требуется первичная переработка,

которую следует осуществлять на месте образования отхо-

да. В качестве основополагающей технологии подготовки

следует считать интенсивную раздельную технологию,

предложенную академиком В. И. Соломатовым и получив-

шую развитие в работах его учебников и последователей.

Она предполагает разделение процесса подготовки на само-

стоятельные блоки, одним из которых является блок приго-

товления добавок и смесей.

Доминирующая роль принципа раздельности непо-

средственно вытекает из полиструктурной теории компози-

ционных строительных материалов. В соответствии с этой

теорией все строительные композиты представляются по-

листруктурными, то есть составленными из большого числа

структур как на атомно-молекулярном уровне, так и во всем

объеме изделия. Для оптимизации формирования каждого

уровня структур рекомендуется определенный комплекс

технологических переделов. Такой подход детально прора-

ботан применительно к золам.

Качество строительных материалов на основе про-

мышленных отходов также должно определяться показате-

лями однородности. Обычно показатели неоднородности

состава отходов выше неоднородности природного поли-

минерального сырья (глин, трепелов).

Следовательно, применение отходов в технологии

должна предшествовать предварительная подготовка, на-

правленная, преимущественно, на усреднение и гомогени-

зацию до уровня минерального сырья. Начать такое слож-

ное и трудоемкое дело можно только совместными усилия-

ми ученых с экологической службой, комитетом по охране

окружающей среды, руководителями предприятий, где ис-

пользуются отходы, бизнесменами, при поддержке спонсо-

ров и рекламных информационных служб.

Техногенное сырье часто бывает сильно обводнено

(например, золы гидроудаления, фосфогипсовые шламы,

нефелиновые шламы содержат до 60% воды), что требует

дополнительной обработки перед их непосредственным ис-

пользованием.

Что необходимо сделать, чтобы широко использо-

вать отходы производства:

-дать оценку возможности промышленного

использования;

-должна быть проведена детальная разведка или ис-

следование промышленных отвалов;

-должно быть произведено усреднение состава;

-необходимо провести специальные технологические

разработки с целью освоения этих отвалов.

Рациональное использование природных богатств –

одна из важнейших задач современной науки и техники.

Хотя общие запасы минерального сырья неисчерпаемы, все

же месторождения с высоким содержанием полезного иско-

паемого в доступных к настоящему времени глубинах зем-

ной коры истощаются, и будут встречаться все реже. Про-

изводства, потребляющие «бедное» (т.е. содержащее менее

10% полезного ископаемого) сырье или требующие сложно-

го технологического процесса и многокомпонентной смеси,

характерны наличием большого количества побочных про-

дуктов-«отходов производства». Даже при переработке бо-

гатых руд большие объемы производств приводят к образо-

ванию отвалов, что порождает проблему использования от-

ходов (доменные шлаки, золы и шлаки твердого топлива,

фосфогипс и т.д.)

Предлагается система критериев, которая включает

многостороннюю оценку техногенных материалов и преду-

сматривает их комплексное использование для получения

вяжущих веществ. Традиционные сырьевые материалы ха-

рактеризуются, как правило, узкой направленностью при-

менения. Сложный химико-минералогический состав боль-

шинства промышленных отходов предопределяет их уни-

версальность. Предлагаемый подход предназначен для

оценки многотоннажных твердых техногенных материалов

минерального происхождения. Новый подход предусматри-

вает определенную последовательность тестирования, не-

сколько уровней оценки отходов по различным критериям.

1-й уровень-химический состав Полная информация о

содержании основных оксидов, элементов, потерях при

прокаливании имеет первостепенную важность при оценке

материалов и определяет характер последующих действий.

П уровень-экологические характеристики. Критерием

экологической чистоты служат данные о концентрации тя-

желых металлов, токсичных веществ и значении удельной

эффективной активности естественных радионуклидов.. при

невысоком содержании тяжелых металлов допускается ис-

пользование отходов в обжиговых технологиях при условии

образования в массе достаточного для консервации распла-

ва. Экологически опасные отходы без предварительной

очистки не могут быть использованы и направляются на за-

хоронение.

Ш уровень-минеральный состав Техногенные мате-

риалы существенно отличаются от традиционного сырья-

вещественным составом, структурой исходных минералов

Это объясняют тем, что глубина карьеров по добыче сырья

для стройиндустрии (20-50м) не столь значительио изменя-

лась за последние 50 лет по сравнению с глубиной рудных

месторождений, где она достигает 350-500м

1У уровень-реакционная способность. Функциональ-

ная особенность вяжущих веществ проявляется при форми-

ровании технического камня в ходе физико-химических

процессов. Химическая активность по отношению к затво-

рителю зависит от состава вяжущих веществ, который

обеспечивается при обжиге сырья или за счет смешивания

различных компонентов.

Для ряда техногенных материалов тепловая обработка

обеспечивает проявление вяжущих свойств. Это способны

подтвердить исследования гидратационной активности тер-

мообработанных отходов.

Для смешанных вяжущих критерием реакционной

способности является гидратационная активность техноген-

ного компонента. Реакционная способность фактически

предопределяет возможные пути использования техноген-

ного сырья.

У уровень- физико-механические свойства. Изучение

размолоспособности, пластичности, водопотребности и

других характеристик отходов позволит оценить степень их

подготовленности к участию в технологических процессах,

уточнить способы и параметры обработки техногенного

сырья.

У1 уровень - технико-экономические показатели

Анализ результатов комплексного исследования отхо-

дов позволит выделить рациональные направления утили-

зации. Современное развитие научно-технического про-

гресса позволяет уже сейчас использовать значительную

часть отходов производства большинства отраслей про-

мышленности, превращая их в ценное сырье. В производст-

ве строительных материалов и в строительстве применяют-

ся различного рода шлаки, золы, горные породы, отходы в

виде боя, лома, обрези и т.д. Наличие этих видов отходов

свидетельствует о несовершенстве технологического про-

цесса, отсутствие комплексности производства. С развити-

ем строительного производства эти недостатки устраняют-

ся, постепенно должно исчезнуть понятие «отходы», сами

отходы превращаются в попутные или даже основную ком-

плексно производимую продукцию данного предприятия.

ЗАХОРОНЕНИЕ

(специальная обработка)

применение в обжиговых составах

при образовании достаточного

для консервации расплава

Активная минеральная добавка

Строительный материал

Готовая сырьерая смесь для производства СМ

Фрагмент оценочной блок-схемы для выбора на-

правления использования минеральных отходов.

Оп

еление токсичных ве

еств

1. ПДК

Средне- токсичные>> ПДК

<П

Химический состав минерал.

Органич. Минерал. состав

Часть часть

Масла, смолы SiO

, Al

, Fe

Битумы, дегти FeO, CaO, MgO,

Растительные Na

O, K

осадки, т.п. содержание

аморфных компон

Определение химико-минералогического

состава

содержание

органической

и минераль-

ной части

органический

Органо-

минерал

ческий

минеральный

количество

минер

лов

Моно-

минеральный

Два преобла-

дающих мине-

рала

Поли-

минерал

ный

Инертно-

активный

инертный

2. Содержа-

ние активных

компонентов

3. состав строитель-

ных материалов

5. требования по

химсоставу

4. Состав сырьевых

смесей для производ-

ства СМ

Группа сырья по

химсоставу

В настоящее время ежегодно в России образуется бо-

лее 100 млн. т. золошлаковых отходов от сжигания твердого

топлива, свыше 70 млн.т. доменных, конверторных и элек-

троплавильных шлаков, миллионы тонн вскрышных пород

предприятий по добыче руд черных и цветных металлов,

химического сырья и топлива, накапливаются хвосты обо-

гащения основного полезного ископаемого. Объемы отхо-

дов угледобычи и углеобогащения превышают 2 млрд.т. в

год. В промышленности используются меньше половины

этих отходов, остальная часть складируется в отвалах, за-

нимая пахотные земли площадью около 1 млрд. га, что при-

водит к физическому, химическому загрязнению окружаю-

щей среды, воздействуя на земную кору и меняя ландшаф-

ты. Вместе с тем эти отходы представляют собой минераль-

ное сырье, которое может использоваться для изготовления

строительных материалов и изделий различного назначе-

ния, заменяет дорогостоящее дефицитное традиционное сы-

рье.

Из более трех сотен естественных радионуклидов

(ЕРН), содержащихся в строительных материалах, изделиях

и конструкциях, наиболее существенное значение имеют

радионуклиды урана и тория, а также калий. Их поглощен-

ная доза гамма-излучения из всех земных источников излу-

чения составляют 25, 40, 35% соответственно. В России по-

казателем оценки и нормирования радиационных парамет-

ров минерального сырья и строительных материалов явля-

ется удельная А

уд

и эффективная А

эфф

активность естест-

венных радионуклидов, в зависимости, от значения которой

все строительные материалы и изделия делятся на четыре

класса:

класс 1, до 370 Бк/ кг-все виды строительства;

класс 2, 370 –740 Бк/ кг –дорожное строительство в

пределах населенных зон и строительство производствен-

ных сооружений;

класс 3, 740-1350 Бк/кг – дорожное строительство вне

населенных пунктов;

класс 4, свыше 1350 Бк/кг – вопрос об использовании

материалов решается по согласованию с Госкомсанэпид-

надзором.

Наибольшую А

эфф

имеют золы, шлаки ТЭЦ и ГРЭС;

глинистое сырье и керамические материалы (керамзит, кир-

пич, керамическая плитка), однако их значение не превы-

шает А

эфф

материалов, применяемых во всех видах строи-

тельства согласно ГОСТ 30108-94 “Материалы и изделия

строительные. Определение удельной эффективной актив-

ности естественных радионуклидов”. На основании анализа

статистических показателей А

эфф

зол и шлаков ТЭЦ и ГРЭС

разных краев и областей можно отметить достаточно низ-

кую удельную активность естественных радионуклидов зол,

шлаков и золошлаковой смеси, получаемых при сжигании

бурых углей КАТЭКа. Следует отметить, что среднее зна-

чение А

эфф

керамических материалов: керамической плитки

(170Бк/кг), кирпича (171 Бк/кг), керамзита (168 Бк/кг)-

находится в области допустимых значений, но выше, чем

сырья –глин и суглинков (159 Бк/кг). Это обусловлено обо-

гащением материалов естественными радионуклидами в

процессе обжига. По сравнению с зарубежными радиацион-

ные параметры отечественной керамической плитки значи-

тельны. Обратная закономерность наблюдается у минераль-

ных вяжущих веществ : величина А

эфф

цемента (101Бк/кг),

строительного раствора (79,9Бк/кг), силикатного кирпича

(59,7Бк/кг) значительно ниже, чем карбонатного сырья, пес-

ка и щебня (131 Бк/кг). Широкий диапазон разброса актив-

ности ЕРН свидетельствует о возможности управления та-

ким параметром качества, как радиоактивность строитель-

ных материалов и изделий, путем нормирования содержа-

ния сырья в материалах, использования сырья с низким со-

держанием радионуклидов и ограничения количества при-