Технологія використання відходів вуглезбагачення

Міністерство освіти і  науки, молоді та спорту України

Національний транспортний університет

Кафедра дорожньо-будівельних матеріалів і хімії

КУРСОВА РОБОТА

 З дисципліни:

«Технологія виробництва матеріалів з техногенних відходів некондинційних та місцевих матеріалів»

на тему: „ Технологія використання відходів вуглезбагачення”

Студента 3 курсу групи ТК-ІІІ-1

напряму підготовки   «Будівництво»

спеціальності  «Технологія будівельних конструкцій, виробів та матеріалів»

Слободяника О.В.

Керівник   ст.в. Борковський П.П.

Національна шкала ________________

Кількість балів: ______Оцінка:  ECTS ____

                                          Члени комісії          _______________ Дорошенко Ю.М. 

                                                                                                                                            (підпис)                        (прізвище та ініціали)

                                                                                                      _____________________ Заіченко В.В.

                                                                                                                                              (підпис)                        (прізвище та ініціали)

                                                                                                                                ____________________________________ 

                                                                                                                                              (підпис)                         (прізвище та ініціали)

м. Київ 2013 рік 

Зміст

1. Загальні відомості

До відходів паливно-енергетичної промисловості відносяться продукти, одержані у вигляді відходів при видобутку, збагаченні і спалюванні твердого палива. Цю групу відходів поділяють по джерелу виникнення, виду палива, числу пластичності мінеральної частини відходів, вмісту горючої частини, зерновим складом, хіміко-мінералогічним складом, ступенем плавкості, інтервалу розм'якшення.

Основними видами твердого палива є кам'яне і буре вугілля. При видобутку і збагаченні вугілля побічними продуктами є шахтні й розкривні породи, відходи вуглезбагачення. Шахтні відвальні породи найбільш часто представлені аргілітами, алевритами, пісковиками, вапняками.

У табл. 1.1 показано поширення  основних типів гірських порід у  вугільних пластах Донбасу. Метаморфізовані аргіліти, алеврити і пісковики мають високу щільність і, як правило, важко розмокають у воді. Їх можна віднести до мало пластичної або непластичної глинистої сировини.

У порівнянні з глинами  аргіліти мають більш високу міцність, яка становить 2-4 МПа в природному заляганні.

Алеврити в порівнянні з аргілітами мають більш грубозернисту  будову. Для застосування відходів вуглезбагачення у виробництві  будівельних матеріалів найбільший інтерес представляють відходи, що характеризуються найменшими коливаннями складу і властивостей.

Вміст вугілля, не виділеного в процесі збагачення, може досягати 20%. Відходи вуглезбагачення представлені зазвичай у вигляді шматків крупністю 8-80 мм. У відповідності з типовими схемами технологічного процесу вуглезбагачення з шахт після подрібнення матеріал піддають гідравлічній класифікації за крупністю, потім збагачують гравітаційним методом, виділяючи концентрат, промисловий продукт і породу (відходи гравітаційного вуглезбагачення). При зневодненні концентрату виділяють шлам з розміром зерен менше 1 мм, який направляють на флотацію. Після флотаційного збагачення отримують концентрат і відходи флотації (хвости). В залежності від способу отримання відходів і їх класу по крупності вміст вугілля, а відповідно хімічний склад і число пластичності змінюються в широких межах. Найбільша кількість вугілля знаходиться у відходах флотації. У відходах гравітаційного збагачення класу 1-13 мм кількість вугілля може досягати 15%, а у відходах класу 13-150 мм - 4-7%. У відходах вугледобування зміст вугілля коливається від 0 до 10%. Дуже важливим обмежуючим фактором застосування відходів вуглезбагачення є наявність в них сірки. Вміст її, наприклад, в породах центрального Донбасу досягає 3-4%. Вологість відходів залежить від способу їх отримання. Природна вологість аргілітів 4-5%. Відходи флотації вугілля, отримані з шламонакопичувачів, мають вологість 25-30%.

Таблиця 1.1. Поширення в % різних типів гірських порід у вугільних пластах Донбасу

Характеристика відходів вуглезбагачення деяких вуглезбагачувальних  фабрик наведена в табл. 1.2.

Таблиця 1.2. Характеристика відходів вуглезбагачення

Примітка. В чисельнику вказані дані для відходів гравітації, в знаменнику - флотації.

На відміну від відвальних порід вугільних шахт відходи  вуглезбагачення характеризуються більш високим вмістом вугілля, більш стабільним речовинним складом, меншим вмістом пісковиків і великим вмістом аргілітів, збільшенням вмісту сірки і зменшенням механічної міцності.

Продуктами випалу порожніх порід є горілі породи. Їх різновидами  є глієжі - глинисті і глинисто-піщані породи, обпалені в надрах землі  при підземних пожежах у вугільних пластах, і відвальні перегорілі шахтні породи. Поклади природних горілих порід широко поширені в різних регіонах.

 Їх істинна щільність 2,4—2,7 г/см³, середня щільність - 1300—2500 кг/м³, міцність на стиск — 20—60 МПа.

За основними фізичними  і хімічними властивостями вони близькі до глин, обпалених при 800-1000 °С. Хіміко-мінералогічний склад горілих  порід різноманітний, проте загальним  для них є наявність активного  глинозему у вигляді радикалів дегідратованих глинистих мінералів або у вигляді активного глинозему, кремнезему і залізистих сполук.

На відміну від зол  і шлаків горілі породи майже не містять склоподібних компонентів і характеризуються високою сорбційною здатністю. Вміст незгорілого палива в глієжах досягає 2-3%, у ​​відвальних горілих породах він може бути значно більшим.

До горілих порід, поряд  із природною сировиною, відносяться  і перегорілі порожні шахтні породи, що містять мінімальну (менше 5%) кількість вуглистих домішок і мінеральну глинисто-піщану частину, обпалену в тій чи іншій мірі.

2. Породи, змішані з відходами вугілля, горючих сланців, сіркою

 й іншими домішками.

 Під дією кисню вугілля  і сірка окислюються і самозаймаються, а під впливом високих температур (до 1000 ° С) порода піддається  природному випалу. Органічні домішки  при цьому частково вигорають. Найбільш інтенсивно горять породи в териконах шахт з коксівним або антрацитовими вугіллям. Ступінь випалу горілих порід залежить від багатьох причин. Нерівномірне надходження вологи в гарячому шарі породи, нерівномірна кількість повітря, що стикається з поверхнею породи в териконі, а також велика кількість дрібних фракцій, що ускладнюють доступ кисню до вогнищ горіння, призводить до того, що випал відбувається вкрай нерівномірно, незважаючи на високу температуру в териконі. В результаті утворюється матеріал різного ступеня випалу (від спеченого до слабо випаленого) з неоднаковими фізико-механічними властивостями. Неоднорідність матеріалу в териконі - один з його істотних недоліків. Розмір часток коливається в межах від 40 см до декількох міліметрів. У териконах зустрічаються щільні і пористі різновиди горілих порід.

3. Будівельні матеріали з застосуванням

відходів вуглезбагачення.

Відходи вуглезбагачення використовуються в основному у виробництві стінових керамічних матеріалів і пористих заповнювачів. За хімічним складом вони близькі до традиційного глинистої сировини. Одна із шкідливих домішок в них — сірка, що міститься в сульфатних і сульфідних з'єднаннях.

 При вмісті А1₂О₃ в мінеральній частині відходів більше 15% та вмісті вуглецю менше 15% відходи можна застосовувати в якості сировини для одержання керамічних стінових виробів марок М75-М300 без добавок глини. При вмісті А1₂О₃ і вуглецю понад 15% в сировинну суміш додають глину. При вмісті А1₂О₃  у відходах менше 15% і вуглецю понад 15% вони непридатні в якості основної сировини і можуть бути використані як добавка в глиняну шихту.

У виробництві стінових керамічних виробів на базі каолінітів і гідрослюдистих глин, суглинків і глинистих сланців відходи вуглезбагачення застосовують як випалюючу паливовмісну добавку. До введення в керамічну шихту кускові відходи подрібнюють. Помел відходів відбувається в молоткових дробарках, кульових або інших млинах. Для шламу з розміром частинок менше 1 мм попереднє подрібнення непотрібне, його висушують до вологості 5-6%.

При отриманні цегли пластичним способом добавка відходів становить 10-30%. Введення вуглевмісних порід до певної межі може збільшувати в’яжучу  здатність керамічної шихти і  особливо збільшує опір на стиск. При  порівняно високому вмісті цих порід  в шихті (до 20-30%) різко знижується в’яжуча здатність глинистої  сировини. Полегшення умов міграції вологи підвищує висушувальні властивості сирцю. Введення оптимальної кількості паливовмісних добавок в результаті більш рівномірного випалу покращує міцнісні показники виробів (до 30-40%), економить паливо (до 30%), а також виключає необхідність введення в шихту кам'яного вугілля і підвищує продуктивність печей.

Кращими добавками в керамічні  маси є відходи збагачення антрацитового вугілля. Відходи видобутку вугілля, так звані шахтні породи, відрізняються великою нестабільністю речовинного складу. У складі шахтних порід у великій кількості можуть бути присутні пісковики та вапняки.

Тому перед їх вибором необхідно ретельно вивчити гірничогеологічні умови видобутку вугілля в даному районі. Використання шахтних порід виправдане в тих випадках, коли в районі підприємства немає інших паливних добавок і можлива доставка відходів на завод. Якщо в якості основної керамічної сировини використовуються аргіліти, алевроліти або інші породи, вироби з них після випалу мають незадовільну структуру, неморозостійкі і володіють незадовільними теплоізоляційними властивостями, тому вуглевмісні відходи застосовують як поризуючі добавки, які вводяться в шихту в кількості 30-40 %.

Продуктивними добавками  до такої керамічної сировини можуть бути також відходи флотаційного збагачення газового вугілля. Для точного  дозування їх попередньо гранулюють, пропускаючи через глиномішалки з фільтруючою головкою, а потім отримані гранули вводять в шихту через об’ємний дозатор за загальноприйнятою технологією. При застосуванні худих гідрослюдистих, гідрослюдисто-монтмориллонітових і лесовидних суглинків вуглевмісні відходи можуть служити в якості паливно-мінеральної добавки, яка поліпшує кераміко-технологічні властивості суміші і суттєво підвищує міцнісні характеристики готових виробів. Для цього вибирають породи з меншим ступенем метаморфізаціі, що дають при помелі і затворенні водою пластичне тісто з числом пластичності більше 10, вміст оксиду алюмінію має становити в прийнятій до використання сировині не менше 20-25%.

Штучну суміш вибирають  такого складу, щоб сумарний вміст  Аl₂O₃ було не менше 15%. Помел вуглевмісних відходів в цьому випадку ведуть до отримання більш дрібної фракції (<1 мм).

Велика кількість горючих  речовин містять відходи флотації. У відходах збагачення жирного довгополум'яного газового вугілля присутні летючі речовини, тому при їх застосуванні необхідно враховувати можливість виділення значної кількості газів, що може призвести до розпушення виробів. Меншу калорійність мають відходи видобутку вугілля, а також вуглезбагачення великих фракцій (40-100 мм). Ефективними добавками в керамічну масу можуть служити відходи флотації, що не потребують подрібненні. Однак вони поставляються споживачам з вологістю більше 25%, що перевищує формувальну вологість шихти. Вологі відходи флотаційного збагачення збираються у грудки, що затрудняє введення їх в шихту і гомогенізацію суміші.

Шлами вуглезбагачення з  порівняно високою теплотворною здатністю (18 900-21 000 кДж /кг) застосовують в якості технологічного палива. Вони не вимагають додаткового дроблення, добре розподіляються по ковшу і  засипаються через паливні отвори, що сприяє рівномірному випалу виробів. Вуглевмісні породи застосовують не тільки як паливовмісну добавку, але і як основний компонент керамічної шихти. Існує ​​можливість виробництва пустотілої цегли і керамічних каменів на основі відходів вуглезбагачення як пластичним, так і напівсухим формуванням.

З усіх видів відходів вугільної  промисловості відходи вуглезбагачення  найбільш стабільні за складом. Вони містять більше глинозему, ніж більшість інших пересічних глин. Глиниста речовина в них представлена високоглиноземистими мінералами - каолінітом і гідрослюдою. Вміст вуглецю в цих породах в кілька разів перевищує вміст, необхідний для випалу стінової кераміки. Після тонкого подрібнення відходи вуглезбагачення за своїми властивостями ідентичні глинам, малочутливим до сушіння.

Технологічна схема виробництва  стінових виробів із відходів вуглезбагачення методом пластичного формування передбачає наступні етапи: помел вихідної породи в млині сухого подрібнення; формування сирцю на стрічковому вакуумному пресі; сушку його в щілинний однорядній сушарці або сушарці з реверсивним рухом теплоносія; випал в тунельній печі за режимом, забезпечує ізотермічну витримку і окислювальне середовище при максимальній швидкості вигоряння коксового залишку. Жорстке пресування при тиску 2,2-4,5 МПа має ряд переваг у порівнянні з пластичним формуванням, так як міцність одержуваного сирцю дозволяє укладати його відразу на обпалювальну вагонетку в кілька рядів, виключає ряд технологічних операцій, а отже, зменшує кількість машин і агрегатів в технологічної лінії, підвищуючи надійність роботи і коефіцієнт її корисної дії.

Необхідна формовність при жорсткому пресуванні досягається завдяки високому тиску, при якому скорочується потреба у воді для замішування, і підвищеній температурі бруса (до 60 °С), що сприяє швидкому висушуванню відформованого сирцю. При цьому усадка і чутливість до сушіння внаслідок зниженої вологості відформованого сирцю і підвищеного ступеня ущільнення виявляються нижчими, ніж у сирцю, отриманого при пластичному способі пресування. При жорсткому пресуванні для досягнення необхідної міцності і для фарбування виробів потрібна знижена на 50-80 °С температура випалу.

При виробництві керамічних стінових виробів заміна глинистих  порід, що добуваються в кар'єрах, переробленими відходами вуглезбагачення  призводить до зниження витрати технологічного палива приблизно на 80% і собівартості виробів на 19-28%. Вуглевмісні породи є ефективною сировиною для виробництва пористих заповнювачів. Однак значні коливання за змістом палива (5-25%) і його дисперсний розподіл у породі, низька пластичність і в’яжуча здатність, неоднорідність хімічного і мінерального складу ускладнюють переробку сировини цього виду за існуючими технологічними схемами для природних глин без додаткового корегування. Аналіз технологічних методів виробництва штучних пористих заповнювачів із паливовмісних відходів вуглезбагачення свідчить про те, що найбільш ефективним є метод агломерації. Окрім простоти технології він дає можливість ефективно використовувати паливо, що міститься у відходах.

Сутність процесу агломерації  полягає в тому, що паливо в спеченій шихті горить в тонкому горизонтальному шарі, у результаті чого повітря, що поступає в зону горіння, нагрівається і інтенсифікує процес горіння палива шихти, а гарячі гази, що виходять із зони горіння, підсушують і нагрівають наступний шар шихти. Після вигоряння палива зона горіння переміщується в лежачий нижче шар шихти. При отриманні пористого і міцного конгломерату з порошкоподібної і дрібнозернистої сировини методом агломерації вихідну сировину змішують з подрібненим паливом, зволожують і гранулюють. Потім шихту, що складається з окремих зерен (гранул), безперервно подають на верхню робочу гілку стрічкової конвеєрної агломераційної машини. На першій ділянці безперервно рухомої стрічки у верхньому шарі шихти запалюють паливо, після чого зона горіння просувається в товщу шихти за рахунок просочування через неї повітря. В кінці робочої гілки машини отримують готовий обпалений продукт.

Відходи вуглезбагачення  вважаються придатними для виробництва  аглопориту, якщо в результаті випробувань в лабораторних умовах будуть досягнуті наступні показники процесу спікання і якості готового продукту:

Для забезпечення нормального  спікання шихти у відходах вуглезбагачення повинно бути близько 10% палива. У процесі агломерації шкідливі домішки у вихідній сировині, наприклад сірка, навіть при забезпеченні оптимальних умов термообробки, переходять в аглопорит в кількості не менше 14-15% початкового вмісту. На залишковий вміст сірки в готовому продукті впливає присутність у вихідній сировині оксидів лужноземельних металів, зокрема СаО.

При агломерації відходів з високим вмістом палива необхідно  створювати відповідні умови для його вигоряння. Процес вигорання палива при агломерації легкоплавких силікатних матеріалів ускладнений через утворення при спіканні значної кількості розплаву. Тільки певне співвідношення в шихті тугоплавких і легкоплавких компонентів забезпечує нормальний режим її термообробки. Не менш важливим фактором, що забезпечує нормальний хід процесу вигоряння палива в шихті, є газопроникність спікаємого шару, зумовлюється пластичністю і в’яжучою здатністю вихідної сировини. На основі помірно пластичних порід при певному співвідношенні фракцій вихідної сировини (менше 0,3; 0,3-1,2; 1,2-2,5 мм) можуть бути отримані досить високі значення газопроникності шару.

Для поліпшення гранулюючої здатності непластичних і малопластичних порід доцільно вводити в шихту пластичний суглинок в кількості 5-20% по масі. У табл. 1.3 наведено рекомендований хімічний склад відходів вуглезбагачення придатних для виробництва аглопоритового щебеню та гравію. Для порівняння наведені такі вимоги до хімічного складу глинистих порід і зол ТЕС. Рекомендовані параметри виробництва аглопоритового гравію і щебеню наведені в табл. 1.4.

Таблиця 1.3. Хімічний склад глинистих порід і паливовмісних відходів промисловості, придатних для виробництва аглопоритових щебеню та гравію.

Таблиця 1.4. Рекомендовані параметри виробництва аглопоритового гравію і щебеню

На основі відходів вуглезбагачення  отримують в основному аглопоритовий щебінь з насипною щільністю 400-700 кг/м³ і аглопоритовий пісок з насипною щільністю 800-1000 кг/м³. Одним з критеріїв, що характеризують придатність силікатної сировини для виробництва аглопориту, є модуль плавкості, значення якого для паливовмісної сировини, придатної для виробництва аглопориту, має становити 4-20. Величина модуля плавкості характеризується відсотковим співвідношенням оксидів:

Відходи вугледобування після видалення з них надлишкової кількості вуглецю є перспективною сировиною для отримання керамзиту. Попередня обробка сировини (декарбонізація) проводиться в спеціальному апараті, який в залежності від початкового вмісту вуглецю може бути або обертовим барабаном, або реактором киплячого шару. Процес декарбонізації протікає при 800 - 900 °С. Отриманий напівфабрикат надходить у обертову піч для випалу. Використання підігрітого матеріалу дозволяє досягти заданої температури випалу при меншій витраті палива. Подача у обертову піч напівфабрикату з температурою 800-900 °С дозволяє скоротити витрату палива в порівнянні з роботою печі при холодному матеріалі на 30-35%. Вилежування відходів вугледобування в «буртах» або шихтозапасниках забезпечує повну гомогенізацію сировинної суміші за складом і властивостями, а попереднє зволоження порід сприяє руйнуванню їх структури, підвищуючи ефективність подальшої механічної обробки. Оптимальний зерновий склад сировинної суміші, що характеризується наявністю частинок розмірами не більше 2 мм, досягається при подрібненні шахтних порід у дві стадії з використанням дробарок ударної дії. Для отримання формувальної маси із заданими технологічними та структурно-механічними властивостями необхідний модуль крупності подрібнених відходів вугледобування в межах 1,6-1,9.

4. Опис технологічної  схеми

Відходи збагачення горючих  сланців по пластинчатому живлювачу 1 потрапляють до щокової дробарки 3, крізь нерухому решітку 2.  Подрібнений матеріал по стрічковому конвеєру потрапляє до конусної дробарки 4, звідти до молоткової дробарки 5. Через віброгрохіт 6 матеріал для виробництва аглопориту потрапляє по реверсивному стрічковому конвеєру 7 в бункери для зберігання запасів шихти 8. Через стрічкові живлювачі 9 шихта потрапляє у шихтозмішувач 10, після чого змішується з водою. Далі сировина потрапляє у гранулятор 11, після чого до агломераційної машини 12.  Готовий матеріал подрібнюється у роторній дробарці 13, потім у зубчатій дробарці 14. За допомогою віброгрохоту 13, готова продукція розділяється на фракції 0-5мм, 5-20 мм, 20-40 мм.

5. Вимоги до охорони праці на виробництві аглопориту