Разработка научных и практических основ ресурсосберегающих технологий переработки и утилизации твердых дисперсных отходов горнорудной и металлургической промышленности : На примере Кузбасса Черепанов, Корнилий Александрович

Введение к работе

Актуальность работы.

В Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию отмечается, что: "...значительная часть основішх производственных фондов России не отвечает современным экологическим требованиям, а 16 процентов ее территории, где проживает более половины ее населения, характеризуются как неблагополучные". В ней указывается на ряд задач, решение которых позволит повысить темпы социально-экономического развили, защитить окружающую среду и сохранить природно-ресурсный потенциал. Одной го них является: "... ввести хо-зяйствешгую деятельность в пределы емкости экосистем на основе массового внедрения эперго-и ресурсосберегающих технологий...". Это конкретизируется в основных положениях «Государственной стратепш Рос-сішской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития» по следующим направлениям: а) рациональное использование невозобновимых природных ресурсов; б) расширенное использование вторичных ресурсов, утилизация, обезвреэ/сивание и захоронение отходов.

В Российской Федерации ежегодно образуется около 7 млрд.т. отходов, из которых используется около 2 млрд.т, примерно 80% (вскрышные породы и отходы обогащения) применяются при закладке выработанного пространства карьеров, разрезов и шахт, 2% используются в качестве топлива и минеральных удобрений, а 18% - вторичное сырье. В стране накоплено более 80 млрд. т. твердых отходов, которые являются источником вторичного загрязнения поверхностных и подземных вод, атмосферы, почвенного покрова. В Кузбассе ежегодно образуется 150-160 млн. т различных отходов производства, около 500 млн. т. вскрышных и вмещающих пород, а в отвалах горнорудной и металлургической промышленности хранится около 180 млн.т. пылевидных отходов, которые являются техногенным сырьем, но используется незначительно. Одна из причин этого положения заключается в отсутствии эффективных технологий их переработки к утилизации, реализация которых позволит улучшить экологическую обстановку в регионе и более рационально использовать природные минеральные ресурсы.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой "Сибирь", утвержденной совместным по станов лением Прези-дігума Российской академии наук № 1 от 11.02.93 г., ассоциации "Сибирское соглашение" №1 от 11.02.93 г. и Министерства науки и технической политики №129 от 24.03.93 г., а также на основе Государственного контракта №563 от 26.07.96 г. федеральной целевой программы "Интеграция".

Цель работы заключается в разработке и внедрении научно обоснованных ресурсосберегающих технологий переработки и утилизации дисперсных отходов горнорудной и металлургической промышленности.

Задачи исследований.

1. Разработать метод получения композиционного строительного материала из хвостов обогащения железных руд с содержанием их в сырьевой смеси 70-80% вместо обычных 45-50%.

2. Изучить особенности протекания физических и химических процессов при переработке и использовании дисперсных отходов завода по производству ферросилиция и создать ресурсосберегающие технологии их утилизации.

3. Разработать методы получения пористых материалов из тонкодисперсных отходов известкового производства, гидравлической добычи угля, золы-уноса ТЭС для создания гранулированных безобжиговых теплоизоляционных засыпок для стальных слитков.

4. Выполнить эколого-экономическое обоснование для созданных и внедренных технологий переработки и утилизации отходов.

Методы исследований.

В работе при исследовании структуры, свойств и физико-химических характеристик дисперсных твердых отходов, получаемых материалов и изделий использован комплекс методов: калориметриче-еккй, электронно-микроскопический, лазерного светорассеяния, статической адсорбции (БЭТ), химический, рентгенофазовый, рентгеноструктур-ный, седиментационный, металлографический, дифференциальный термический (ДТА) анализы, а также методы математической статистики и моделирования.

На защиту выносятся:

5. Концепция создания безотходного промышленного производства, основанного на интегрированных в технологические процессы локальных ресурсосберегающих технологиях, в которых . отходы используются в качестве сырья.

6. Научные и практические основы получения композиционных строительных материалов матричной структуры методом двойного дисперсного упрочнения.

7. Механизмы структурообразования при механохимической обработке ультралегких пылевидных отходов и ресурсосберегающие технологии их утилизации.

8. Научно обоснованные технологические решения по применению твердых дисперсных отходов при раскислении и разливке стали.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

соответствием основных положений работы принципам безопасного устойчивого промышленного развития;

экспериментальными исследованиями дисперсных систем с применением математического моделирования и современных физико-химических методов;

сходимостью результатов лабораторных и промышленных экспериментов с данными исследований, посвященных изучению структурно-механических свойств новых материалов, получаемых из техногенного сырья;

высокой эффективностью научно обоснованных технологических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедренных в производство.

Научная новизна.

9. Разработан и реализован метод двойного дисперсного упрочнения, позволяющий получить из отходов обогащения железных руд композиционный строительный материал матричной структуры, который имеет высокие эксплуатационные характеристики при содержаїши хвостов в сырьевой смеси до 80%, защищенный патентом РФ №2005702.

10. Разработан способ уплотнения кремнеземистой пыли-уноса (отходы производства ферросилиция) от плотности 170-200 кг/м³ до 1000-1200 кг/м³ посредством обработки ее в высокоэнергетичных механических активаторах с энергонапряженностыо 1,0-150,0 вт/г, защищенный патентом РФ №2139245.

11. Установлен эффект образования коллоидного раствора (кремнезоля) при механохимической обработке в дисперсионной среде с регулируемым значением рН кремнеземистой пыли-уноса, который по своим характеристикам относится к классу водных керамических вяжущих суспензий (ВКВС), а по величине объемной доли твердой фазы является неорганическим клеем-связкой, защищенный положительным решением о выдаче патента РФ по заявке №98106273/04(007026)

12. Обнаружен эффект экзотермического упрочнения гранул и брикетов из ферросилициевой пыли изготовленных с применением ВКВС, на основе которого создана энергосберегающая технология их производства.

13. Найдена зависимость от технологических факторов скорости растворения и степени усвоения кремния окомкованного ферросилиция, способ получения которого защищен положительным решением о выдаче патента РФ.

14. Обосновано применение ферросилициевой пыли для глубинного раскисления стали путем вдувания ее в ковш с металлом при кото-

ром, за счет развитой контактной межфазной поверхности, усвоение кремния достигает 90-92%.

7. Предложен механизм взаимодействия грубо- и тонкодисперс
ных частиц твердой фазы и золя кремниевой кислоты, на основе которого
разработана технология получения технической керамики из отходов
металлургической и огнеупорной промышленности.

8. Доказано, что шлам от "закрытых" печей для выплавки ферросилиция, в котором имеется до 5-7% углерода в виде органических соединений, может быть использован в качестве минерального порошка -основного компонента асфальто-бетонной смеси.

9. Установлено, что известково-известняковая пыль-уноса, образующаяся при производстве извести по химическому и минералогическому составам является аналогом карбонатной извести, обладающеіі высокими вяжущими свойствами, которая может быть использована как связующее при изготовлении изделий из дисперсных отходов.

10. Определены оптимальные соотношения компонентов теплоизоляционной засыпки для стальных слитков из золы-уноса ТЭС с учетом ограничений технологического и производственного характера.

Личный вклад автора состоит в:

научном обосновании, разработке и реализации ресурсосберегающих технологий на основе использования отходов в качестве сырья;

разработке метода двойного дисперсного упрочнения при получении строительных композиционных материалов;

раскрытии механизма уплотнения ультралегковесной кремнеземистой пыли-уноса посредством механической активации ее в энергонапряженных аппаратах;

' - установлении основных закономерностей получения из пылевидных отходов производства ферросилиция связующего нового поколения - водной керамической вяжущей суспензии;

открытии и научном обосновании эффекта экзотермической сушки изделий из отходов ферросплавного производства;

исследовании зависимости основных характеристик композиций из пылевидных отходов от количества связующего, гранулометрии компонентов, режимов тепловой обработки;

участии в проведении экспериментов, обработке данных и обобщении результатов.

Практическая значимость.

1. Предложены технологии раскисления стали ферросилициевой пылью, в которых усвоение кремния достигает 75,0-80,0%, обеспечивающие экологическую безопасность на производстве.

2. Разработана технология изготовления строительного кирпича марки 125, в сырьевой массе которого содержание хвостов обогащения железных руд доведено до 80,0%.

3. Составлена генеральная схема рециклинга твердых отходов завода по выплавке ферросилиция, в соответствии с которой внедрены технологии их утилизации и получена продукция с высокими физико-техническими и эксплуатационными свойствами.

4. Разработаны и прошли промышленные испытания технологии получения теплоизоляционных засыпок для стальных слитков на основе отходов известкового производства, золы уноса ТЭС и дисперсных отходов добычи угля гидравлическим способом.

Реализация результатов работы.

Экономический эффект от внедрения технологии диффузионного раскисления гранулированной ферросилициевой пылью (отходами) при выплавке стали марки ШХ-15 на Кузнецком металлургическом комбинате составляет 0,276 млрд. рублей в год (в ценах 1997г.). Внедрение технологии вдувания ферросилициевой пыли (отходов) в ковш с металлом при внепечной обработке, вместо применяемого по обычной технологии раскисления порошкообразным ферросилицием, в условиях Кузнецкого металлургического комбината дает экономический эффект 3 млрд. 540 млн. рублей в год (в ценах 1997г.). Экономический эффект от внедрения в производство керамических элементов электропечей сопротивления, применяемых в организациях общественного питания, составляет 100 000 руб. на единицу продукции (в ценах 1997г.). Результаты работы были использованы при подготовке лекционных курсов: " Введение в специальность", " Экология металлургического производства", " Элементы безотходной технолопш", при проведении лабораторных работ и практических занятий, внедрена в учебный процесс лаборатория рециклинг - технологий.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на 5-й Всесоюзной конференции по горению органического топлива, Новосибирск, 1984г., Всесоюзном семинаре о направлении НИР в области технологій! гидродобычи угля, Кемерово, февраль 1985г., научно-технической конференции "Повышение эффективности металлургического производства", Новокузнецк, апрель, 1985г., семинаре-совещании исполнителей программы "Сибирь", Новосибирск, март, 1988г., региональной научно-технической конференции "Проблемы энерго- и ресурсосбережения в черной металлургии", Новокузнецк, октябрь, 1988 г., Всесоюзной научно-технической конференции "Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома и эффективности развития производственных сил Кузбасса", Кемерово, апрель, 1989г., Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы обезвоживания и утилизации хвостов горнообогатительных комбинатов", Кривой Рог, сентябрь, 1990г., региональной научно-практической конференции 'Особенности проектирования и

строительства жилья для районов Западной Сибири", Новокузнецк, октябрь, 1990 г., Республиканской научно-технической конференции "Научный прогресс в технологии строительных материалов", Алма-Ата, ноябрь, 1990г., Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы исследования и преодоления экологической опасности в промышленном регионе", Кемерово, декабрь 1990г., Международной научно-технической конференции "Экология большого промышленного центра", Новокузнецк, 1995г., Международной конференции "Экотехнология-96", Иркутск, июнь 1996г., Межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века", Магнитогорск, май 1996г., Международной научно-технической конференции "Структурная перестройка в металлургии: экономика, экология, управление, технология", Новокузнецк, октябрь 1996г., V-ой международной конференции "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии", Новокузнецк, январь 1997г., Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии", Новокузнецк, сентябрь 1997г., Третьей всероссийской студенческой научно-практической конференции, Иркутск, апрель 1998г., Третьей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности", Санкт-Петербург, июнь 1998г., Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии", Новокузнецк, декабрь 1998г., Научно- техническая конференция "Наука и молодежь на пути в XXI век", Новокузнецк, сентябрь 1998г., I научно-практический семинар "Эффективные технологии утилизации и переработки выбросов промышленных и бытовых отходов", Новокузнецк, ноябрь 1998г., Научно-практическая конференция "Взаимодействие научно-образовательных, промышленных, предпринимательских и административных структур. Правовые и экономические аспекты", Новокузнецк, апрель 1999г.

Публикации: Результаты исследований изложены в 57 научных работах, в их числе учебное пособие, два авторских свидетельства, четыре патента.

Структура и объем работы: