Существующие технологии производства и переработки угольной продукции объективно связаны с выходом большого количества твердых отходов. Техногенные месторождения в местах ликвидации угольных предприятий и твердые отходы при производстве угольной продукции занимают обширные площади земель, негативно воздействуют на состояние водных ресурсов, атмосферы. Предприятия угольной и топливно-энергетической отрасли расходуют значительные средства на транспортировку и складирование твердых отходов, платят за их размещение и загрязнение окружающей природной среды, возникающее вследствие вредных выбросов и сбросов в местах размещения терриконов и отвалов.
Золошлакоотвалы
Терриконы
К отходам топливно-энергетической промышленности относятся продукты, получаемые в виде отходов при добыче, обогащении и сжигании твердого топлива. Эту группу отходов разделяют по источнику образования, виду топлива, числу пластичности минеральной части отходов, содержанию горючей части, зерновому составу, химико-минералогическому составу, степени плавкости, интервалу размягчения, степени вспучиваемости.
Отходы добычи и обогащения угля. Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли. При добыче и обогащении углей побочными продуктами служат шахтные и вскрышные породы, отходы углеобогащения.
Отходы добычи называют вскрышными или шахтными породами в зависимости от способа разработки. При подземном способе добычи извлекается меньше попутных пород, чем при открытом, но и они составляют значительные объемы. Так, например, на 1 т угля при открытой добыче образуется до 3-5 т вскрышных пород, при подземной – до 0,2-0,3 т шахтных.
Вскрышные и шахтные породы имеют неоднородный химический и минералогический состав и представляют осадочные породы – глины, суглинки, супеси, аргиллиты, песчаники, глинистые и песчаные сланцы, известняки. Больше всего в их составе аргиллитов (до 60%). Кроме того, они содержат в своем составе уголь до 20%, серу, содержание которой пропорционально содержанию угля, в небольших количествах цветные, редкие металлы.
Таблица – Гранулометрический состав отходов добычи угля (шахтных пород) Ростовской области
| Класс размеров обломков, мм | Содержание классов в объеме отвалов, % | |
| среднее | пределы колебаний | |
| 0-6 | 12,8 | 2,0-70,0 |
| 6-50 | 23,9 | 3,0-60,0 |
| 50-70 | 22,1 | 2,0-50,0 |
| 70-100 | 21,3 | 3,0-50,0 |
| 100-450 | 14,5 | 0,0-76,0 |
| более 450 | 5,4 | 0,0-32,0 |
Таблица – Химический состав отходов добычи угля (шахтных пород) Ростовской области
| Содержание компонентов, мас. % | |||||||||||||
| п.п.п. | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | TiO2 | K2O | Na2O | MnO | P2O5 | S | Cорг |
| 3,19-21,11 | 45,1-62,0 | 14,89-21,5 | 1,89-7,72 | 0,68-6,6 | 1,05-2,69 | 0,05-4,27 | 0,71-1,27 | 3,05-4,89 | 0,85-1,46 | 0,01-0,11 | 0,14-0,37 | 0,12-1,86 | 1,22-8,57 |
Для применения в производстве строительных материалов наибольший интерес представляют отходы углеобогащения, характеризуемые наименьшими колебаниями состава и свойств. Содержание угля, не выделенного в процессе обогащения, может достигать 20%. Отходы углеобогащения представлены обычно в виде кусков крупностью 8-80 мм.
В соответствии с типовыми схемами технологического процесса обогащения уголь из шахт после измельчения подвергают гидравлической классификации по крупности, затем обогащают методом гравитации, выделяя концентрат, промышленный продукт и породу (отходы гравитационного обогащения углей). При обезвоживании концентрата выделяют шлам с размером зерен менее 1 мм, который направляют на флотацию. После флотационного обогащения получают концентрат и отходы флотации (хвосты).
В зависимости от способа получения отходов и их класса по крупности содержание угля, а соответственно химический состав и число пластичности изменяются в широких пределах. Наибольшее количество угля (15-40%) находится в отходах флотации. В отходах гравитационного обогащения класса 1-13 мм количество угля может достигать 15%, а в отходах класса 13-150 мм — 4-7%. В отходах угледобычи содержание угля колеблется от 0 до 10%. Весьма важным ограничивающим фактором применения отходов обогащения углей является наличие в них серы. Содержание ее, например, в породах центрального Донбасса достигает 3-4%.
Таблица – Химический состав отходов гравитационного обогащения углеобогатительных фабрик Ростовской области
| п.п.п. | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | TiO2 | K2O | Na2O | MnO | P2O5 | S | Cорг |
| 8,72-20,53 | 47,78-56,32 | 15,52-22,39 | 1,75-6,23 | 1,87-5,66 | 0,95-2,36 | 0,05-3,47 | 0,65-1,12 | 3,12-4,57 | 0,73-1,28 | 0,01-0,10 | 0,12-0,54 | 0,11-2,87 | 8,95-14,75 |
Таблица — Химический состав отходов флотации (шлам) углеобогатительных фабрик Ростовской области
| Содержание компонентов, масс. % | |||||||||||
| п.п.п. | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | TiO2 | K2O | Na2O | MnO | Cорг |
| 11,21-19,59 | 43,16-49,43 | 15,71-21,23 | 1,81-7,95 | 1,63-3,14 | 1,69-3,25 | 0,43-3,56 | 0,82-1,15 | 3,45-4,31 | 0,45-1,16 | 0,01-0,08 | 15,22-40,28 |
Влажность отходов зависит от способа их получения. Естественная влажность аргиллитов 4-5%. Отходы флотации углей, добываемые из шламонакопителей, имеют влажность 25-30%.
В отличие от отвальных пород угольных шахт отходы углеобогащения характеризуются более высоким содержанием угля, более стабильным вещественным составом, меньшим содержанием песчаников и большим содержанием аргиллитов, увеличением содержания серы и уменьшением механической прочности.
Продуктами обжига пустых пород, сопутствующих месторождениям каменных углей, являются горелые породы. Их разновидностями являются глиежи — глинистые и глинисто-песчаные породы, обожженные в недрах земли при подземных пожарах в угольных пластах, и отвальные перегоревшие шахтные породы.
Залежи природных горелых пород широко распространены в различных регионах. Истинная плотность их составляет 2,4-2,7 г/см³, средняя плотность — 1300-2500 кг/м³, прочность на сжатие — 20-60 МПа. По основным физическим и химическим свойствам они близки к глинам, обожженным при 800-1000 °С. Химико-минералогический состав горелых пород разнообразен, однако общим для них является наличие активного глинозема в виде радикалов дегидратированных глинистых минералов или в виде активных глинозема, кремнезема и железистых соединений. В отличие от зол и шлаков горелые породы почти не содержат стекловидных компонентов и характеризуются высокой сорбционной способностью. Содержание несгоревшего топлива в глиежах достигает 2—3%, в отвальных горелых породах оно может быть более значительным.
К горелым породам, наряду с природным сырьем, относятся и перегоревшие пустые шахтные породы, содержащие минимальное (менее 5%) количество углистых примесей и минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени. Породы смешаны с отходами угля, горючих сланцев, серой и др. Под действием кислорода воздуха уголь и сера окисляются и самовозгораются, а под влиянием высоких температур (до 1000 °С) порода подвергается естественному обжигу. Органические примеси при этом частично выгорают. Наиболее интенсивно горят породы в терриконах шахт с коксующимися или антрацитовыми углями. Степень обжига горелых пород зависит от многих причин. Неравномерное поступление влаги в горячий слой породы, неравномерное количество воздуха, соприкасающегося с поверхностью породы в терриконе, а также большое количество мелких фракций, затрудняющих доступ кислорода к очагам горения, приводит к тому, что обжиг происходит крайне неравномерно, несмотря на высокую температуру в терриконе. В результате образуется материал различной степени обжига (от спекшегося до слабообожженного) с неодинаковыми физико-механическими свойствами. Неоднородность материала в терриконе — один из его существенных недостатков. Размер частиц колеблется в пределах от 40 см до долей миллиметра. В терриконах встречаются плотные и пористые разновидности горелых пород.
Золошлаковые отходы. При сжигании твердых видов топлива в топках тепловых электростанций образуются зола в виде пылевидных остатков и кусковой шлак, а также золошлаковые смеси. Они являются продуктами высокотемпературной (1200—1700 °С) обработки минеральной части топлива.
В зависимости от температурных условий образование золы и топливных шлаков возможно без плавления, в присутствии расплава и при полном расплавлении исходных компонентов. В первом случае золы и шлаки образуются при сжигании низкокалорийных видов твердого топлива. Получение из расплава характерно для гранулированных топливных шлаков. Наиболее характерно получение топливных зол и шлаков в результате взаимодействия расплава с твердыми фазами.
Образование шлаков и зол первых двух групп происходит обычно в слабоокислительной среде, что способствует окислению органических соединений и сульфидов и присутствию соединений железа в трехвалентном виде. Образование отходов третьей группы происходит в восстановительной среде, что приводит к сохранению сульфидной серы и преобладанию двухвалентных соединений железа.
Зольная часть Донецкого, Печорского, Кузнецкого, Карагандинского и ряда других бассейнов содержит не более 8-10% СаО. Высококальциевой зольной частью с содержанием СаО 15-40% характеризуются каменные и бурые угли ряда бассейнов Средней Азии и Сибири, многие типы торфа и горючие сланцы. У последних содержание в зольной части СаО составляет 25-60%.
Топливо сжигают в слое над колосниковой решеткой в виде мелких кусков или при вдувании в пылевидном состоянии. Золы-уноса пылевидного сжигания проходят высокотемпературную обработку. Они имеют сравнительно однородный химический состав и незначительное содержание несгоревших частиц топлива. Некоторая часть золы оседает на трубах котла, поде и стенках топки, но основная ее масса (зола-унос) уносится с дымовыми газами, улавливается и скапливается в бункерах, откуда удаляется потоком воды или пневмотранспортом. На большинстве действующих ТЭС применяют систему гидроудаления для транспортирования золошлаковых смесей в отвалы.
Зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий в основном из частиц размером 5-100 мкм. Ее химико-минералогический состав соответствует составу минеральной части сжигаемого топлива. Например, при сгорании каменного угля зола представляет собой обожженное глинистое вещество с включением дисперсных частиц кварцевого песка, при сгорании сланцев — мергели с примесями гипса и песка. При обжиге минеральной части топлива дегидратируется глинистое вещество и образуются низкоосновные алюминаты и силикаты кальция.
Зола-уноса
Таблица — Химический состав зол-уноса электростанций Ростовской области
20%) и низкокальциевые (СаО 5%) — при сжигании сланцев.
Интегральной характеристикой химического состава зол служит модуль основности МО, который для основных зол составляет МО > 0,9; кислых — 0,6-0,9; сверхкислых — М0 5 Май 2014