ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы
Разрабатываемая в настоящее время концепция устойчивого развития техносферы предусматривает, в частности, утилизацию горнопромышленных отходов. Необходимость этого обусловлена как неблагоприятным воздействием отходов на окружающую природную среду, так и нехваткой многих видов минерального сырья. Необходимость разработки технологических решений, обеспечивающих минимизацию антропогенного воздействия на окружающие экосистемы, обусловлена тем, что интенсивное развитие горнопромышленного комплекса привело к целому ряду неблагоприятных факторов, нарушающих экологическое равновесие. Так, увеличивающиеся площади хранилищ отходов выводят из хозяйственного оборота значительные площади земли. Во-вторых, горнопромышленные отходы являются источником загрязнения воздушного бассейна пылью. В-третьих, данный вид отходов, как правило, содержит значительные остатки флотореагентов, цветных металлов, железа, сульфатов, фтора и ряд других вредных для окружающей среды и здоровья человека компонентов, поступающих с течением времени в подземные и поверхностные воды.
Использование вторичного сырья в таких материалоемких отраслях, как промышленное, гражданское и дорожное строительство и производство строительных материалов позволяет заметно снизить нагрузку на окружающую среду, путем утилизации отходов из существующих хранилищ, а также существенно сократить объем специальных разработок месторождений нерудного сырья, что, как следствие, позволяет1 избежать появления новых хранилищ отходов горнопромышленного комплекса.
Однако, несмотря на очевидные преимущества, объем используемых горнопромышленных отходов в настоящее время составляет небольшой процент от общего объема извлекаемой из недр горной массы. Одной из главных причин, сдерживающих их утилизацию, является непостоянство состава и свойств этого вида вторичного сырья, что не позволяет при заданных технологических параметрах процесса обеспечить стабильно высокое качество готовой продукции.
Цель работы
На основе статистического анализа степени неоднородности состава и свойств горнопромышленных отходов разработать физико-химическое обоснование возможности сокращения антропогенной нагрузки на окружающую среду путем переработки горнопромышленных отходов в строительные и технические материалы.
Для осуществления этого разработать технологию их первичной подготовки, выбора параметров и технических приемов стабилизации их свойств и управления качеством конечного продукта, что позволит снизить процент брака в конечном продукте.
Разработать приемами математического моделирования алгоритм и программу, обеспечивающие управление технологическими параметрами процесса для снижения нагрузки на окружающую среду и обеспечения получения конечной продукции высокого качества из вторичного сырья, что позволит увеличить объемы вовлекаемых в переработку горнопромышленных отходов.
Задача исследований:
Обосновать и разработать возможности снижения нагрузки на биосферу, вовлечением в переработку вторичного сырья, для чего:
1. На основании мониторинга вскрышных пород, хвостов обогащения, шлаков Баренц региона оценить степень неоднородности различных видов горнопромышленных отходов и ее влияние на возможности использования в качестве сырья для получения строительных и технических материалов.
2. Определить границы возможности использования различных видов вторичного сырья в качестве корректирующей добавки для стабилизации свойств жидких шлаков цветной металлургии при производстве минерального волокна с целью снижения нагрузки на окружающую природную среду путем уменьшения процента брака в готовой продукции.
3. Разработать программу оптимизации расхода корректирующих добавок при непостоянстве состава, как шлаковых расплавов, так и корректирующих добавок, способствующую вовлечению в переработку горнопромышленных отходов с це-
лью их использования в качестве техногенного сырья и снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду в местах расположения предприятий горнопромышленного комплекса.
4. На основании зависимостей технологических параметров разнообразных составов, определяющих свойства составов и стекол с целью их оптимизации разработать математическое описание, позволяющее оперативно управлять технологическими параметрами производства, что приводит к снижению количества отходов.
5. Разработать программу вычисления важнейших технологических свойств расплавов и стекол по их химическому составу и температуре с целью оптимизации технологических параметров процесса производства стекла и обеспечения возможностей использования в качестве техногенного сырья отходов горнопромышленного комплекса и создания условий для рекультивации освобождающихся площадей.
6. Оптимизировать технологические параметры и обеспечить управление технологическим процессом на основании полученных зависимостей, что позволит снизить процент брака в готовой продукции и тем самым предотвратить загрязнение окружающей среды отходами производства.
Методы исследований
При осуществлении мониторинга и экспериментальных исследованиях минимизации нагрузки на окружающую среду в работе использованы методы рент-генофазового, кристаллооптического, микрозондового, химического анализов, оптической микроскопии. Диаграммы плавкости систем исследованы с применением дифференциально-термического анализа и визуальной политермии, закалочного метода. При исследовании свойств разработанных материалов применены стандартные методы испытаний.
Обработка результатов экспериментов и данных, приводимых в литературных источниках, производилась с использованием математического аппарата статистической обработки, в частности, методами корреляционно-регрессионного анализа и математического моделирования. Для графического анализа и разра-
ботки программы использовались возможности Excel и VBA. Программа разрабатывалась с учетом принципов структурного подхода к программированию и разработке программного обеспечения и с использованием приемов и методов визуального и объектно-ориентированного проектирования и программирования приложений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Обоснование степени неоднородности горнопромышленных отходов как одного из видов техногенного сырья по различным признакам с выявлением причин неоднородности с целью снижения антропогенной нагрузки на биосферу.
2. Описания взаимосвязей основных свойств базальтоидных и шлаковых расплавов с их составом в виде математических зависимостей и процедуры вычисления этих свойств по составу и температуре расплавов с целью оперативного управления технологическими параметрами процесса переработки вторичного сырья в строительные материалы, позволяющее снизить объем образующихся отходов.
3. Разработанный алгоритм и программа вычисления оптимального расхода корректирующих добавок к шлаковому расплаву при непостоянстве состава, как добавок, так и шлаков для обеспечения возможности их использования в качестве техногенного сырья.
4. Алгоритм и программа вычисления основных технологических свойств по составу и температуре откорректированного расплава, определения важнейших параметров технологического процесса (температуры начала и конца выработки, температуры отжига) и свойств материала для снижения процента брака в готовом продукте, что позволит минимизировать загрязнение окружающей среды отходами производства строительных материалов.
Научная новизна:
1. В рамках исследования возможности снижения нагрузки на окружающую природную среду впервые проведен мониторинг составов горнопромышленных отходов с позиций их использования как возможного вторичного сырья. Дана количественная оценка распространенности в составе горнопромышленных отходов маложелезистых, умеренно железистых, железистых и высокожелезистых серпен-
8
тиновых компонентов. Показано, что кристаллохимические особенности минерала, его морфология, агрегатное состояние мало влияют на параметры, играющие определяющую роль при выборе области применения (магнезиально-силикатный и магнезиально-железистый модули, содержание в прокаленном веществе оксидов магния, кальция и алюминия, величина потери при прокаливании), состав керамических масс и технологические параметры производства керамических изделий. Определена связь между указанными параметрами, видом и условиями образования основного полезного ископаемого.
2. Дано математическое обоснование видов неоднородности вторичного сырья, которая классифицирована по природе (первичная и вторичная - техногенная) и масштабам проявления, определяемым уровнями (формаций, месторождений, отдельных залежей и в пределах одного и того же минерала); предложены пути ее устранения.
3. На основании мониторинговых исследований количественно оценена степень неоднородности состава шлаковых расплавов переработки медно-никелевых руд, используемых в производстве минерального волокна. Показано, что существуют колебания состава этих расплавов как от месяца к месяцу, так и в более коротких временных интервалах - от плавки к плавке. Неоднородность обусловлена, преимущественно, нестабильностью состава руд и концентратов.
4. С целью оперативного управления процессами переработки техногенного сырья в стеклокристаллические материалы, минимизирующими нагрузку на природную среду на базе проведенных анализов зависимости температуры ликвидуса от нормативного минерального состава базальтоидных расплавов, предложены алгоритмы, позволяющие применять технологии утилизации горнопромышленных отходов, имеющих непостоянный минеральный и химический состав, и дающие возможность оперативного управления технологическими параметрами. Дано математическое описание поверхностей ликвидуса в наиболее распространенных базальтоидных системах.
5 • Описаны зависимости логарифма вязкости базальтоидных расплавов от состава и температуры. Разработана программа вычисления температуры ликвидуса и
логарифма вязкости таких расплавов по их химическому составу, с целью оперативного управления технологическими параметрами процесса при использовании таких расплавов в качестве техногенного сырья, что позволит снизить нагрузку на природную среду.
б. Дано математическое описание поверхности ликвидуса металлургических шлаков системы CaO-MgO-A^Cb-SiC^ и зависимости их вязкости от температуры и состава. Предложены алгоритмы вычисления важнейших характеристик шлаковых расплавов, реализованные в виде приложения с использованием возможностей Excel и VBA, что позволяет свести к минимуму дополнительные исследования их физико-химических свойств при использовании металлургических шлаков для получения строительных материалов и снизить процент выхода брака в конечном продукте, тем самым, сводя к минимуму загрязнение окружающей среды отходами производства.
Практическая значимость:
Предложенный в работе подход позволяет снизить антропогенную нагрузку на биосферу, а именно: улучшить состояние атмосферы, уменьшив пыление отвалов; улучшить состояние подземных и поверхностных вод путем вовлечения в переработку горнопромышленных отходов, как из существующих хранилищ отходов горнопромышленного комплекса, так и путем недопущения образования новых хранилищ. Предложенный подход позволяет применять в качестве сырья для получения строительных и технических материалов практически любое неоднородное по составу вторичное сырье даже в том случае, когда производство предполагает глубокую физико-химическую его переработку (спекание или полное плавление). Установленные взаимосвязи и разработанные алгоритмы вычисления оптимальных расходов корректирующих добавок, а также - важнейших технологических параметров позволяют автоматизировать процесс шихтовки и регулировки параметров (температуры варки, выработки, отжига и др.), тем самым, сводя к минимуму процент брака в готовой продукции, что также снижает нагрузку на окружающую среду.
10
Реализация работы:
Полученные в работе результаты реализованы на ОАО «Кольская ГМК» (Комбинат «Североникель») при производстве минерального волокна из шлаков рудно-термической плавки медно-никелевых руд и концентратов (Акт внедрения технологии получения минерального волокна из огненно-жидких шлаков с применением программы для ЭВМ от 01.02.2001 г.). Оптимизация расхода корректирующих добавок и технологических параметров процесса позволила снизить в два раза выход брака и в 2-2.5 раза - содержания корольков в готовой продукции, что привело к возможности рекультивации земель и, соответственно, обеспечило состояние атмосферы и водных ресурсов в требуемых нормативами пределах.
Способ получения минерального волокна, а также ряд составов стекол защищены патентами РФ. (Патент 2183205 РФ. С 03 С 13/06, С 03 В 37/01. Способ получения минерального волокна на основе высокожелезистых шлаков переработки медно-никелевых руд. - Калинников В.Т., Макаров В.Н., Суворова О.В., Макарова И.В., Захарченко А.И.; Патент № 2151751, Москва, 27 июня, 2000 г., опубл. 27.06.2000, Б.И. 18 Декоративное стекло. - Макаров В.Н., Суворова О.В., Макаров Д.В., Скиба В.И., Макарова И.В.) Апробация:
Основные положения работы докладывались на следующих Всероссийских и Международных конференциях: «Промышленность стройматериалов и строй-индустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений», Белгород, 1997; Международной научно-технической конференции «Механика машиностроения», Набережные Челны, 1997; 8-й научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, 1997; 16 Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, С.Петербург, 1998; VII Международной конференции «Высокотемпературная химия силикатов и оксидов», С. Петербург, 1998; VI Международной конференции «Теория и практика процессов измельчения, разделения, смешения и уплотнения», Одесса, 1998; Юбилейной научной сессии Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им И.В. Тананаева, Апатиты, 1998; V Международной конференции «Наукоемкие химические технологии» Ярославль,
11
1998; 4-м Российском семинаре «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов» Курган, 1998; 1-й Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», Нижний Новгород, 1999; региональной конференции «Информационные технологии в региональном развитии», Апатиты, 1999 г.; международной научной конференции «Моделирование, вычисления, проектирование в условиях неопределенности»., Уфа — 2000; международная научно-техническая конференция «Технико-экономические проблемы промышленного производства», Набережные Челны, 2000; Шестых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения», Иваново 2000; одиннадцатой научно-технической конференции МГТУ, Мурманск 2000; научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», Пенза 2001; . V международной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования», Иваново, 2001; VI международном семинаре AT AM «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века», Новосибирск 2001; четвертой международной те-плофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века», Тамбов .2001; XXIX международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе», Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2002г.; международной конференции «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов», Апатиты,2003; конференции «Наука и практика. Диалоги нового века», Набережные Челны, 2003; XXX международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе» Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2003, XVII Международной научной конференции ММТТ (Математические методы в технике и технологиях) г. Кострома, 2004г.
Публикации:
По результатам работы опубликовано 68 научных статей и тезисов докладов, в том числе две монографии, и получено 2 авторских свидетельства.
12
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав заключения и приложения, изложенных на 342 страницах, включая 66 рисунков, 90 таблиц и библиографического списка литературы из 226 источников.
Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель работы, выделены научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава представляет собой литературный обзор общих проблем хранения и утилизации горнопромышленных отходов. Рассматриваются горнопромышленные отходы как техногенные месторождения с точки зрения возможности их использования в качестве сырья для производства строительных материалов. Указываются причины, ограничивающие возможности использования горнопромышленных отходов и возможные методы решения возникающих проблем.
Во второй главе описываются материалы и методы исследований, приводятся методы обработки экспериментальных данных.
Третья глава посвящена рассмотрению неоднородности горнопромышленных отходов как главной особенности вторичного сырья, сдерживающей его утилизацию и приводятся возможные области его применения. Дается экологическая характеристика объекта исследования, состояние и перспективы образования отходов горнопромышленного комплекса. Указаны факторы, вызывающие природную и техногенную неоднородность состава и свойств горнопромышленных отходов. Разработана классификация серпентинов и серпентинсодержащих продуктов по перспективности их утилизации и возможным областям применения. Показана необходимость стабилизации свойств техногенного сырья и оперативного управления технологическим процессом его переработки.
В четвертой главе рассматриваются возможности снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду путем переработки отходов горнопромышленного комплекса. Рассмотрены возможности переработки металлургических шлаков и управления качеством сырья путем введения корректирующих добавок. Исследованы возможности использования в качестве добавок различных видов отходов
13
и приводится разработанный алгоритм определения их оптимального состава, а также сопоставление эффективности корректировки шлакового расплава мелили-титом, карбонатитом и стеклобоем.
Пятая глава посвящена исследованию взаимосвязи важнейших технологических свойств с минеральным и химическим составом различных видов расплавов. Дано математическое описание поверхностей ликвидуса в пироксеновых, пироксен-полевошпатовых системах, ряде систем с избытком и недостатком кремне-кислоты. Исследуется влияние состава расплава на химическую стойкость и вязкость. Разработана программа вычисления температуры ликвидуса и логарифма вязкости таких расплавов по их химическому составу. Приводится алгоритм и программа вычисления важнейших технологических свойств базальтоидных расплавов по их составу и температуре.
В шестой главе приводится эколого-экономическая оценка эффективности использования серпентинсодержащих горнопромышленных отходов и металлургических шлаков при производстве строительных материалов.
В заключении диссертации отражены результаты и выводы, полученные автором.
Автор выражает признательность академику Калинникову В. Т., д.т.н., профессору Макарову В.Н. за поддержку этой работы, коллегам и соавторам, в том числе сотрудникам Института химии Кольского научного центра РАН к.т.н., с.н.с. Суворовой О.В., к.т.н., с.н.с. Макарову Д.В. за помощь в проведении экспериментов и участие в обсуждении результатов, д.х.н., профессору Фридланду СВ., за научные консультации, помощь в написании и оформлении работы, а также за моральную поддержку на заключительных этапах работы над диссертацией.
14
ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХРАНЕНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
1.1. Горнопромышленные отходы как техногенные месторояедения
В последние годы, после II конференции по окружающей среде и развитию (КОСР), состоявшейся в Рио-де-Жанейро в июне 1992 г., всемирную поддержку получила концепция устойчивого развития техносферы, предполагающая такую промышленную деятельность человечества, которая не приводила бы к непоправимым изменениям окружающей среды. Рациональное использование невозоб-новляемых ресурсов, в первую очередь, минерально-сырьевых, - главная составная часть этой концепции. В соответствии с ней, первичное минеральное сырье может использоваться только в тех случаях, когда нет возможности заменить его вторичным сырьем или отходами производства. Горнопромышленный комплекс является не только единственным источником минерально-сырьевых ресурсов для народного хозяйства, но и крупнейшим поставщиком твердых промышленных отходов (более 95% от общего объема отходов).
Россия занимает одно из ведущих мест в горно-металлургическом и топливно-энергетическом комплексах мира, являясь ведущим производителем алюминия, меди, никеля, олова, вольфрама, фосфатного сырья, золота, алмазов и др. [1].
Вместе с тем, наша страна вступила в новый век с рядом глобальных проблем в области минерально-сырьевых ресурсов. Эти проблемы характерны и для других стран с развитыми горнопромышленными комплексами. К ним относятся, прежде всего, значительное ухудшение или сокращение разведанных запасов важнейших полезных ископаемых, снижение их качества на разрабатываемых и проектируемых месторождениях, серьезное усложнение промышленного освоения месторождений [2, 3]. По данным В.А. Чантурия, за последние 20 лет содержание цветных металлов в рудах снизилось в 1,3-1,5 раза; железа в 1,25; золота в 1,2 раза; доля труднообогатимых руд возросла с 15 до 40 % от общей массы сырья, поступающего на обогащение [3]. Это приводит к значительному увеличению количества отходов горнопромышленного комплекса. В горнодобывающем производстве цветной металлургии России накоплены десятки миллиардов тонн
15
вскрышных пород, миллиарды тонн хвостов обогащения и сотни миллионов тонн металлургических шлаков [4-7].
95,60%
0,16%
0,10%
0,03%
Щ горнопромышленные отходы
¦ бытовые отходы
Dзолошлаковые смеси тепловых электростанций
Ометаллургические шлаки
¦пиритные огарки производства серной кислоты
Шфосфогипс
¦отходы газификации топлива, нефтепереработки, производства пластмасс и др.
а)
вскрышные породы 65,98%
никель и медь 0,44%
металлургические шлаки 2,70%
хвосты обогащения 30,88%
б)
Рис. 1.1 .Соотношение отходов различных видов (а) и горнопромышленных отходов (б) По данным Г.В. Калабина [8], горно-обогатительные комбинаты Мурманской области ежегодно складировали до 1991 года более 250 млн.т. вскрышных пород
16
и хвостов. Как следствие, в природной среде Кольского полуострова накоплено около 6 млрд. т отходов [8], зачастую представляющих ценное сырье для промышленности. Это сырье принято называть техногенным, а объекты по размещению однотипного техногенного сырья (отвалы, хвостохранилища) называют техногенными месторождениями (рис. 1.1).
На Урале накоплено свыше 220 млн. т. хвостов обогащения, складировано свыше 110 млн. т. медных шлаков, в отработанных и законсервированных хвосто-хранилищах уральских обогатительных фабрик накоплено свыше 46 млн. т. отходов [4]. Подобная ситуация наблюдается и в других промышленно развитых странах [см., например, 9 - 17].
Таким образом, экстенсивный характер использования природных ресурсов привел к резкому сокращению запасов богатых месторождений практически всех полезных ископаемых, снижению кондиций и значительному накоплению горнопромышленных отходов. В этой связи реализация концепции по обеспечению комплексного и экологически безопасного освоения георесурсов обусловливает необходимость широкой разработки в новом столетии техногенных месторождений. К.Н. Трубецкой отмечает, что вовлечение в производство техногенного сырья является важным резервом для интенсивного развития ресурсосбережения, охраны недр, рационального землепользования и защиты окружающей среды и, кроме того, это важная сторона нашей экономики [2]. По ориентировочным оценкам геологов, суммарная ценность полезных компонентов в таком сырье сопоставима с оценкой потенциальных ресурсов минерального сырья в недрах [2].
Только на Урале имеется 177 млн.т. хвостов обогащения медных и медно-цинковых руд, в которых содержится 475 тыс.т. меди, 680 тыс.т. цинка, 37,4 млн.т. серы. В России объем хвостов свинцово-цинковых фабрик составляет 90 млн.т., включающих 145 тыс.т. свинца и 400 тыс.т. цинка [2].
В [6] представлены данные по запасам различных видов техногенного сырья и содержания в них меди, цинка и серы для горно-металлургических предприятий Уральского региона.
Горнопромышленные отходы создают серьезные экологические проблемы,
17

Получить работу