Химия твердого топлива, 2019, № 6, стр. 35-40

Образование отходов при добыче и переработке полезных ископаемых приводит к загрязнению окружающей среды: атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почв и растительности.

Современной тенденцией в промышленно развитых странах является крупномасштабное внедрение проектов, связанных с уменьшением объемов отходов добычи, переработки и потребления полезных ископаемых и решением экологических проблем, обусловленных их хранением. В России среди всех отраслей промышленности добыча твердых горючих ископаемых, главным образом углей, и их обогащение занимают одно из первых мест в мире по объему образования твердых отходов: на 1 т товарного угля при открытой и шахтной добыче углей образуется около 4–4.5 т и 0.3–0.4 т вскрышных и шахтных пород соответственно; после обогащения – 0.3–0.4 т отходов (породы гравитации и флотохвостов) углеобогащения [1].

С учетом реальных и планируемых объемов добычи и переработки углей в России на период до 2025 г. ежегодный выход вскрышных пород составит более 350 млн т, отходов обогащения – примерно 35–40 млн т.

Основная масса углеотходов направляется на хранение, среди них, преобладают вскрышные породы (около 50% от их ежегодного накопления используется для обратной закладки выработанного пространства, 45–49% составляют так называемые органоминеральные с содержанием органического углерода не менее 5%).

Вскрышные и шахтные породы, а также породы гравитационного обогащения хранятся в отвалах (терриконах и плоских отвалах); отходы флотационного обогащения – в шламоотстойниках (флотационных прудах). Многие предприятия не имеют возможности полностью реализовать шламы, т.е. уголь крупностью менее 1 мм. Не отгруженные потребителям шламы гидравлическим методом направляют в шламоотстойники, и на предприятиях, применяющих флототационное обогащение углей, они хранятся вместе с флотохвостами.

На территории России в отвалах хранится не менее 10–11 млрд т отходов добычи и обогащения углей [2]. Хранение углеотходов обусловливает выведение из хозяйственного оборота значительных площадей земельных территорий нашей страны, а строительство и эксплуатация отвалов требует существенных капитальных вложений и эксплуатационных затрат. Так, например, затраты, необходимые для сбора, транспортировки в отвалы и хранения в них пород гравитации, составляют от 20 до 25% всех расходов на обогащение углей.

Кроме того, в породах добычи и обогащения содержатся значительные количества органических веществ, что приводит к их самовозгоранию. В результате самовозгорания в атмосферу поступают экологически опасные вещества (CO, H₂S, бензопирены, токсичные соединения азота и др.). По ориентировочным данным, в России около 25% горящих отвалов отходов добычи и обогащения углей. Особенную экологическую опасность представляют отвалы углеотходов, содержащие соединения серы, которые частично окисляются с образованием высокотоксичной серной кислоты, поэтому необходимо решать экологические проблемы, связанные с загрязнением земельных территорий, атмосферы, а также грунтовых и подземных вод соединениями различных металлов (Al, Fe, Zn, Ni и др.) в результате их выщелачивания водными потоками (дожди, тающий снег), просачивающимися в почву.

В России объем утилизации отходов добычи и обогащения углей составляет менее 5% от общего объема образующихся углеотходов,что приводит к затратам на сбор, хранение и снижение неблагоприятных экологических последствий.

Экспериментальные исследования и промышленный опыт показывают, что углеотходы – эффективное сырье для утилизации, используемое в строительстве, металлургии, сельском хозяйстве, водоочистке и других областях [2–5].

На сегодняшний день актуален поиск эффективных технологических решений по переработке углеотходов. Как правило, разрабатываемые и внедряемые технологии переработки имеют монопрофильную направленность. Так, в работе [6] рекомендована технология сжигания со сбором образующихся зольных уносов и шлаков для производства товарных соединений микроэлементов. В работах [7, 8] предложены варианты использования топливосодержащих отходов в качестве сырья для производства портландцементного клинкера и цемента, а авторами работы [9] предложена технология получения коагулянтов для очистки воды из углеотходов Подмосковного бассейна. Возможности автоклавной экстракции металлов из отходов добычи и переработки металлоносных углей Восточного Донбасса рассмотрены в [10]. Физико-химические основы переработки германиевого сырья, в том числе углеотходов, изложены в монографии [11]. Отходы угледобычи и углеобогащения применяются в качестве сырья для петрургической промышленности (каменного литья) [12].

Известно, что состав углеотходов в терриконах непостоянен и изменяется в широких пределах в зависимости от горно-геологических условий местности, в которой происходила добыча угля, а также по высоте и объему отвала, поэтому перед переработкой углеотходов необходимо их предварительное усреднение.

Состав и свойства горелых и негорелых пород терриконов также имеют большие различия. Негорелые породы состоят в основном из глин, сланцев, аргиллитов, алевролитов, песчаников и песков. Глины и сланцы, представленные в горных породах терриконов, в значительной степени подверглись литификации, и для проявления типичных глинистых свойств должны быть подвержены измельчению и рыхлению. Алевролиты довольно устойчивы в воде, часто содержат углистые включения и по минеральному составу близки к тонкозернистым песчаникам, сцементированным глинистым и реже карбонатным веществом. В песчаниках преобладает кварц, присутствуют полевые шпаты и слюды.

Самовозгорание терриконов приводит к существенной потере органического вещества и дегидратации вмещающих пород. Состав и свойства горелых пород зависят от степени обжига. Низкую гидравлическую активность, как правило, проявляют сильно обожженные породы, а для среднеобожженных характерна наибольшая гидравлическая активность. Слабообожженные породы отличаются более низкой прочностью и представлены мелкой фракцией. Установлено, что негорелые отходы угледобычи – это высокоэффективные выгорающие добавки, а горелые – отощители и интенсификаторы спекания в составе сырьевой шихты для производства строительной керамики.

Для пород-оснований угленосных карьеров или почвенных пород угольных пластов, для районов залегания угля на высокоглиноземистых породах или на закарстованных известняках, для склонов поднятий и платформенных угленосных формаций характерно высокое содержание алюминия. Высокоглиноземистые породы, залегающие в угольных пластах, добываемые попутно с углем и попадающие в терриконы, представлены в большинстве случаев каолинитом. Все эти особенности следует учитывать при разработке методов переработки углеотходов. Идеей предлагаемого технологического комплекса переработки отходов добычи и обогащения углей является совмещение в едином цикле основных процессов переработки для получения широкого ассортимента товарной продукции.

Технологический комплекс переработки углеотходов разрабатывался с учетом возможности вовлечения в промышленное использование практически всех видов углеотходов: как было показано ранее [2], для обеспечения требуемого количества тепла, которое может быть получено при сжигании углеотходов, требования к твердым отходам добычи и обогащения углей при их использовании как топлива для сжигания следующие: содержание серы 1–2%, зольность 50–65%, влажность 12–25%, низшая теплота сгорания 7–10 МДж/кг. В производстве вяжущих материалов предпочтительно использовать отходы высокометаморфизированных углей, а общее содержание углерода в них ограничить. Для производства аглопорита предпочтительно использовать углеотходы с зольностью 50–82% и коэффициентом плавкости К_пл, равным 4–12, для производства керамзита – вспучивающиеся или сильно вспучивающиеся углеотходы с содержанием органического углерода менее 4%, в качестве шихты для производства цемента – углеотходы с зольностью 50–82%.

Как показали исследования, проводимые в ИГИ, для получения сульфата алюминия (коагулянта для очистки питьевых и промышленных сточных вод) наиболее пригодны глинистые углеотходы, содержащие алюминий в виде каолинита с содержанием Al₂O₃ выше 25%.

Для получения концентрата редкоземельных элементов, иттрия и скандия использована сернокислотная схема переработки, включающая операции осаждения малорастворимых двойных сульфатов редкоземельных металлов с натрием, последующий гидролиз осадков гидроокисью натрия, растворение образующихся гидроокисей редкоземельных металлов азотной кислотой и очистку их экстракцией. Схема технологического комплекса (рисунок) разработана на основании данных исследовательских работ ИГИ и накопленного опыта внедрения их результатов в опытно промышленных масштабах, преимущественно на установках Жилевской ОПОФ. В основу схемы легли технологии, разработанные в ИГИ и описанные в [1, 6, 9, 11, 13], а также системы идентификации и классификации углеотходов по промышленному использованию, предложенные в [14, 15].

Это модульная система, составные технологические части которой могут функционировать автономно в зависимости от особенностей перерабатываемого сырья, производя или весь возможный ассортимент продуктов, или отдельные продукты, выбранные по каким-то причинам (коньюнктурным, технологическим, сырьевым и др.). При разработке исходили из условия использования во всех составляющих его модулях в основном стандартного технологического оборудования. Режимы и параметры процессов описаны в [1, 6, 9, 11, 12]. В табл. 1 представлен состав базовой конфигурации технологического комплекса.

В схеме используется серокислотный метод с предварительной аморфизацией структуры каолинита для перевода его в реакционноспособное состояние (метакаолин) термообработкой при 550–600°С в течение 1–2 ч. При обработке полученного материала 20%-ным раствором серной кислоты 82–86% алюминия переходит в раствор в виде сульфата. Раствор сульфата алюминия можно использовать в качестве коагулянта для водоочистки или в качестве сырья в производстве алюмосиликатных катализаторов и цеолитов. Возможно также получение сухого товарного сульфата алюминия с содержанием Al₂O₃ более 14% упариванием раствора в многокорпусных выпарных установках.

Подготовка отходов угледобычи к переработке заключается в их предварительной сушке с последующим дроблением и измельчением до фракции не более 1мм. Предварительная сушка отходов угледобычи необходима для повышения эффективности работы дробильно-помольного оборудования.

Особенности предлагаемой схемы заключаются в следующем:

возможность переработки углеотходов с получением широкой гаммы ценных продуктов в едином комплексе по безотходной технологии;

возможность адаптации комплекса к переработке углеотходов различного происхождения, расширение спектра вовлекаемых в оборот углеотходов.

Реализация предлагаемой комплексной схемы в виде промышленной установки позволяет организовать производство продуктов, представленных в табл. 2.

Наиболее целесообразно создавать производства указанных продуктов по предлагаемой комплексной схеме в виде специализированных предприятий, расположенных вблизи крупнотоннажных источников сырья, т.е. вблизи угольных терриконов и угольных отвалов. Возможно и создание участков по переработке углеотходов в составе предприятий угледобычи и углеобогащения с инфраструктурой, необходимой для размещения установок.

Экономическая эффективность использования углеотходов (текущих твердых отходов добычи и обогащения углей и складированных в отвалах или флотошламоотстойниках) при их переработке по предлагаемой схеме во многом зависит от (транспортных расходов, цен на заменяемое минеральное сырье, топливо и других условий). Преимуществом использования углеотходов вместо традиционного минерального сырья и топлива является значительная более низкая их стоимость.

По предварительным расчетам, экономический эффект от переработки 1 т углеотходов в зависимости от направления их переработки будет изменяться от 200 до 600 руб, а суммарный объем переработки углеотходовможет составить 30–40 млн т/г.

Потребность в продуктах, произведенных из отходов добычи и обогащения углей, для производства стройматериалов для среднестатистической области центрального региона РФ может составлять 3–4 млн т/г (без учета использования в строительстве искусственных земляных сооружений и автомобильных дорог), что может дать снижение стоимости 1 м² жилья (без учета инфраструктурных затрат) приблизительно на 10%.

Для среднестатистической области, при годовом вводе в строй ~500 000 м² жилья, экономический эффект может составить до 0.5 млрд руб/г.

Производство из отходов добычи и обогащения углей топливной добавки позволит обеспечить топливом цементные заводы. Средний цементный завод, использующий в качестве основного топлива уголь, потребляет 200–250 тыс. т/г несортового угля, привозимого, как правило, с разрезов Кузбасса. Хотя бы частичный перевод завода на местное топливо из углеотходов чувствительно скажется на себестоимости производимого им цемента, так как около 60% цены цемента – это топливная составляющая. Только в регионе Москвы (радиус 500 км) работает 8 цементных заводов с общим объемом производства цемента 12–15 млн т/г, 150 бетонных и ЖБИ заводов с объемом производства 5 млн т/г, 15 кирпичных завода с с объемом производства 2.6 млн т/г. Эти предприятия в состоянии потреблять около 8–10 млн т/г отходов переработки и обогащения углей.

В процессе производства цемента в составе сырьевой шихты на отходы добычи и обогащения углей может быть заменено 12–20% алюмосиликатной и железосодержащей частей (или 0.3–0.6 т на 1 т клинкера). При средней мощности цементного завода в РФ 1 млн т клинкера количество замещаемых минеральных ресурсов может составлять 0.3–0.6 млн т на один завод. При замене части сырьевой смеси на данный вид отхода экономия может составить 13–20 млн руб/г.

Предприятия по производству железобетонных изделий различного назначения являются основой строительной индустрии. В РФ производство бетона составляет около 25–30 млн м³/г (около 60 млн т/г). Объемы потребления добавок в бетоны сопоставимы спотребностям цементных заводов.

Средний завод железобетонных изделий производительностью 400 000 м³/г требует для своего производства 560 000 т минерального заполнителя. Экономия от замещения всего объема может составить около 112 млн руб/г для одного завода.

Таким образом, предварительная оценка эффекта от внедрения предложенной технологии показала ее актуальность и перспективность как с точки зрения экономики, так и с позиции снижения техногенного воздействия на окружающую среду. Углеотходы – практически неисчерпаемый источник дешевого сырья, использование которого для получения широкого ассортимента товарных продуктов приводит к экономии капитальных вложений, повышению уровня рентабельности промышленных предприятий, высвобождению значительных площадей земельных угодий и снижению степени загрязнения окружающей среды.

Рис. 1.

Модули базовой конфигурации технологического комплекса (нумерация соответствует нумерации в табл. 1): 1 – прием и хранение сырья (бункера для приема и хранения сырья, реагентов, емкости для приема и хранения серной кислоты, воды); 2 – подготовка сырья к переработке (бункер с дозатором-питателем, дробилка-измельчитель); 3 – получение энергетического угля и добавок к стройматериалам (сепаратор-классификатор, бункеры приема энергетического угля и добавок к стройматериалам); 4 – термообработка ( бункер с дозатором, аппарат для термообработки, холодильник, бункер для сбора продуктов после термообработки, бункер для сбора мелких фракций после термообработки, смеситель, воздуходувка, емкость для сбора горячей воды); 5 – получение сульфата алюминия (емкость с мешалкой для обработки серной кислотой, емкость-дозатор для подачи серной кислоты, фильтр, емкость для раствора серной кислоты, емкости для коагулянтов); 6 – получение концентратов РЗЭ, иттрия и скандия (емкость с мешалкой, фильтр, сушилка, емкости для концентрата РЗЭ, иттрия и скандия); 7 – получение добавок к стройматериалам (емкость для приема твердого остатка, сушилка, бункер хранения добавок к стройматериалам); 8 – получение концентратов алюминия и железа (магнитный сепаратор, приемные бункеры для концентратов алюминия и железа); 9 – получение серной кислоты (узел синтеза серной кислоты, емкость для раствора серной кислоты, емкость для разбавления серной кислоты); 10 – прием и хранение готовой продукции (бункеры с дозаторами, емкости).