Геоэкологические аспекты совершенствования технологии переработки гипсосодержащего сырья и повышения эффективности его использования

Обостряющийся в настоящее время глобальный экологический кризис уже не первый в длительных геологических эпохах Земли. Причины их во многом до конца еще не установлены, но важно подчеркнуть, что все эти катастрофы были естественными, природными. Теперь же главнейший фактор глобального экологического кризиса на Земле — человек, и в этом заключается главное отличие настоящего кризиса от всех предыдущих. Современный экологический кризис, таким образом, противоестественен, он вызван самим человеком. Неразумная материально-хозяйственная, или техногенная (антропогенная), деятельность во всех ее сложных и многообразных формах приводит на наших глазах природу на Земле к экологическому кризису. Неразумная антропогенная деятельность, в том числе и в пределах гигантского литосферного пространства, а точнее, в ее самой верхней части, называемой геологической средой, вносит огромный дисбаланс в равновесие земной биосферы. Технологическое развитие цивилизации стало носить катастрофически быстрый, а по меркам геологического времени — взрывной характер. Индустриальная революция в мире привела к глобальному вмешательству человека в литосферу, прежде всего при добыче полезных ископаемых.

Так, например, количество только механически извлекаемого человеком материала в литосфере Земли при добыче полезных ископаемых и строительстве превышает 100 миллиардов тонн в год, что примерно в четыре раза больше массы материала, сносимого водами рек в океаны в процессе денудации, размыва суши. Ежегодный объем наносов, перемещаемых всеми текучими водами на земной поверхности, составляет не более 13 км³, то есть в 30 раз меньше, чем перемещается горных пород при строительстве и добыче полезных ископаемых /113/. При этом надо иметь в виду, что суммарная мощность производства в мире удваивается каждые 14−15 лет. То есть антропогенная деятельность по своим масштабам и интенсивности стала не только соизмеримой с природными геологическими процессами, но существенно их превосходит.

Наибольшее по масштабам техногенное воздействие человека на литосферу обусловлено прежде всего такими видами деятельности, как горнотехническая (добыча и переработка полезных ископаемых), инженерно-строительная, сельскохозяйственная и военная. Все они действуют как мощный геологический фактор, меняющий лик Земли, состав, состояние и свойства литосферы, а, следовательно, и как фактор, влияющий на состояние экосистем.

В XXI веке в мире будет продолжаться рост потребления минерально-сырьевых ресурсов, в связи с чем горнодобывающая промышленность должна будет продолжать ее удовлетворять, для чего необходимо увеличение числа открываемых и эксплуатируемых месторождений полезных ископаемых.

Однако всему есть предел, как есть предельно допустимые уровни техногенных воздействий и на литосферу. Следовательно, одной из главнейших задач современного человечества является задача по рациональному использованию природного потенциала. Данная работа посвящена повышению эффективности использования природного потенциала гипсосодержащего сырья путем разработки ресурсосберегающей экологически безопасной технологии производства из него высокоэффективных вяжущих веществ.

Актуальность исследований. Повышение эффективности использования гипсосодержащего сырья, которому посвящена данная работа, может быть достигнуто за счет создания на его основе гипсовых вяжущих с улучшенными физико-механическими показателями по экологически безопасной технологии с учётом геологических факторов образования сырья и его структуры. Гипсовые вяжущие вещества являются высокоэффективными строительными материалами как по своим технико-экономическим, так и по экологическим показателям.

Экологическая эффективность их обусловлена рядом показателей и свойств, обеспечивающих максимально комфортные с экологической точки зрения условия для человека как на стадии производства вяжущего и изделий, так и на стадии применения гипсовых материалов. Изделия на основе гипсовых вяжущих создают благоприятный микроклимат в помещениях за счет повышенной воздухопроницаемости и способности поглощать и отдавать избыточную влагу. Гипсовые изделия, утратившие свои эксплуатационные качества могут быть превращены в вяжущее вещество путем обжига с незначительной потерей прочностных показателей, либо утилизируются без нанесения урона окружающей среде.

Экономическая эффективность обусловлена огромными запасами природного сырья для их производства, относительно низким расходом топлива при их получении — в 3−4 раза меньше, чем при производстве извести и в 5−6 раз меньше, чем расходуется его при производстве цемента. /38/.

Технологическая эффективность их обусловлена относительно короткими сроками схватывания и твердения, что позволяет получать готовую продукцию на основе этих вяжущих в самые ограниченные периоды времени.

Они относятся к вяжущим, в наибольшей степени соответствующим производству изделий конвейерным способом. Весь технологический цикл изготовления изделий на их основе возможно осуществлять в заводских условиях при высокой степени комплексной механизации и автоматизации производственного процесса, при минимальных расходах тепловой энергии.

Особенно трудно переоценить достоинства гипсовых вяжущих веществ при малоэтажном, коттеджном типе возведении жилых и гражданских зданий, который получает в нашей стране значительное распространение.

Но, несмотря на это, гипсовые вяжущие продолжают оставаться пока весьма слабо используемыми для дальнейшего широкого развития скоростных методов строительства с изготовлением сложных и, в то же время, высокохудожественных элементов зданий.

За последние 20−25 лет отечественная гипсовая промышленность развивалась и совершенствовалась низкими темпами. В производстве вяжущих продолжалась ориентация в основном на временное увеличение выпуска цементов, главным образом клинкерных или клинкеросодержащих. И даже научно-производственные разработки смешанных вяжущих, в которых гипсам отводится главная роль, остаются реализованными в промышленности вяжущих веществ в довольно скромных объемах.

Общий выпуск гипсовых вяжущих составляет по нашей стране меньше 5 млн.т., в то время, как, например, в США превышает 12 млн.т., где они используются для внешних и внутренних стен, кровли и других элементов. Широкое распространение гипсовых конструкций можно проиллюстрировать примером строительства 110-этажного здания «Сире Тауэр» в Чикаго, вся внутренняя отделка которого была выполнена на.

•у основе гипсового вяжущего, свыше 743 000 м, гипсовых плит в одном здании.

Одной из причин осторожного подхода к внедрению гипсовых вяжущих в строительство является недостаточно высокая прочность их (марка) при массовом изготовлении, хотя известно, что уже через два часа твердения гипсовый камень имеет прочность до 25 МПа и выше.

Так же одной из проблем тормозящих развитие гипсовой промышленности является невозможность использовать добытый гипсовый камень в полном объеме из-за того, что существующие технологии не позволяют применять гипсовый камень всего фракционного состава. Это приводит к созданию отвалов или к необходимости организовывать параллельно производству высокопрочного гипса линию по производству низкомарочных малоэффективных вяжущих.

И тем не менее, чтобы в ближайшие годы существенно повысить эффективность использования природного потенциала добываемого гипсового камня необходимо увеличить объемы применения гипсовых вяжущих в строительстве, а следовательно важно наладить выпуск высокомарочных, высокопрочных гипсов. Перевод существующих и, тем более вновь строящихся гипсовых заводов на выпуск высокопрочных гипсов из рядового сырья с использованием в значительной мере прежних основных фондов, в том числе ранее смонтированного технологического оборудования, является актуальной задачей и имеет большое народохозяйственное значение. Актуальной является и разработка усовершенствованной экологически безопасной промышленной технологии высокопрочных гипсовых вяжущих марок Г-25.Г-30 и выше из гипсового камня низкой прочности, различного фракционного состава и различной морфологии.

Именно такие задачи совершенствования технологии и улучшения качества продукции с целью повышения эффективности использования природного потенциала добываемого гипсового камня, предусмотрены в настоящей работе с включением:

— разработки оптимальных технологических и безопасных экологически параметров получения а-полугидрата сульфата кальция (при оптимальном содержании в нем двугидрата);

— исследования влияния основного состава и морфологии природного сырья (гипсового камня) на физико-технические свойства высокопрочного гипсового вяжущего;

— исследования влияния предварительной механохимической активации на свойства конечной продукции — а-полугидрата сульфата кальция;

— отработка наиболее экологически чистых опытно-промышленных технологий получения этой продукции с применением максимально большего количества добытого гипсового камня;

— разработки технологического регламента и исходных данных для проектирования линии по производству высокопрочного гипсового вяжущего мощностью 30−50 тыс. т. в год.

Таким образом, можно заключить, что принятая к исследованию тема, посвященная повышению эффективности использования природного потенциала добываемого гипсового камня за счет переработки его в высокопрочное гипсовое вяжущее по экологически безопасной технологии является актуальной, особенно в нашей стране, располагающей огромными ресурсами природного сырья и выпускающей гипсовые вяжущие вещества в минимальных количествах. В качестве парадигмы отметим, что гипс, равно как и известь, применялся, как вяжущее вещество еще в глубокой древности — известная пирамида Хеопса, построенная 4000 лет тому назад, сложена на гипсовом растворе. И тем не менее актуальность поставленной к исследованию темы, по нашему мнению, остается достаточно острой и своевременной. В данной работе она в основном выполнялась применительно к Нижегородскому региону, в котором сосредоточено несколько крупных месторождений природного гипсового камня (в том числе и разрабатываемых).

Целью настоящей работы явилось повышение эффективности использования природного потенциала добываемого гипсосодержащего сырья за счет разработки экологически безопасной ресурсосберегающей технологии по его полной переработке в высокоэффективное гипсовое вяжущее.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд конкретных задач:

1. Изучить способы добычи и переработки гипсового камня и их влияние на экологическую среду;

2. Изучить физико-химические свойства природного гипсового камня различных условий происхождения и залегания;

3. В зависимости от химического и кристаллического состава гипсового камня проанализировать существующие технологии его переработки в вяжущее и предложить наиболее экологически безопасную технологию, позволяющую использовать максимальное количество добываемого сырья;

3. Изучить технологические параметры производства. Предложить и исследовать механохимическую активацию сырья с целью придания ему большей энергетической активности и реакционной способности;

4. Установить режимы тепл’овлажностной обработки природного гипсового камня для оптимизации процесса его обезвоживания и получения вяжущих веществ;

5. Выполнить производственную проверку и внедрение результатов исследований. Разработать технологический регламент по производству высокопрочного гипсового вяжущего из сырья разной сортности. Дать экономическое обоснование целесообразности применения данного способа производства.

Научная новизна выполненных исследований и полученных результатов заключается в следующем:

— теоретически обосновано и экспериментально подтверждено решение экологической задачи, связанной с нерациональным использованием природных ресурсов — гипсового камня за счет разработки экологически безопасной, малоэнергоемкой и безотходной технологии его переработки;

— экспериментально изучены фазовые и структурные изменения при дегидратации гипсового камня в зависимости от параметров гидротермальной обработки и фракционного состава сырьевой смеси;

— показано, что в процессе дегидратации гипсового камня происходит его самоизмельчение и что предварительная механохимическая активация гипсового камня позволяет получить кристаллы а-полугидрата оптимальной формы и размера с меньшими энергетическими затратами;

— показано влияние кристаллической структуры а-полугидрата на его технологические свойства;

— разработаны научно-обоснованные рекомендации по рациональным технологическим параметрам при получении в заводских условиях высокопрочного гипсового вяжущего марок Г-19.Г-22 из камня 1. П сортов различного и максимально широкого фракционного состава;

— на примерах нескольких месторождений гипсового сырья показано, что в пределах каждого месторождения наблюдается линейная зависимость прочности гипсового вяжущего от количественного содержания в природном сырье двугидрата (кристаллогидрата) сернокислого кальция (сульфата кальция). Вместе с тем показано также, что наличие такой прямой зависимости является недостаточным научным обоснованием для разделения природного сырья по сортности (1−1У). Отмечено, что при более высокой сортности (т.е. большем содержании в сырьевом гипсовом камне двугидрата) могут быть получены гипсовые вяжущие более низкой марки, чем при содержании в сырье меньшего количества двугидрата сульфата кальция, т. е. при сырье низшей сортности. Это обстоятельство является следствием того, что на качество вяжущего влияют кроме количества двугидрата еще и структура гипсового камня. Это должно найти отражение в последующих переизданиях стандартов на сырьевые ресурсы.

На научную новизну и приоритет разработок подана заявка к защите авторским свидетельством.

Практическое значение работы определяется нижеследующим: разработана промышленная технология производства высокопрочного гипсового вяжущего из гипсового камня 1-Ш сортов различного фракционного состава с различной морфологией и микроструктурой, позволяющей повысить эффективность использования природного потенциала гипсосодержащего сырья;

— разработаны технологический регламент и исходные данные на проектирование и строительство цеха по производству высокопрочного гипсового вяжущего вещества мощностью 100 тыс.т. в год на базе завода силикатных материалов г. Нижнего Новгорода;

— получен высокопрочный гипс, качественные показатели которого превышают соответствующие требования стандарта. Он рекомендуется для изготовления строительных изделий и производства строительных работ, а также для получения форм и моделей в фарфоровой, фаянсовой, керамической в других отраслях промышленности;

— экспериментальные и научные выводы по корректировке требований к сырью позволяют существенно расширить сырьевую базу за счет вовлечения месторождений с гипсовым камнем низкой прочности, включая II сорт, но с обязательным учетом габитуса камняобращено внимание на практическую целесообразность использовать в оценке качества гипсового вяжущего не только его стандартную марку, но и на много большие значения пределов прочности при сжатии и изгибе образцов, высушенных до постоянной массы, имея в виду, что в конструкциях и изделиях гипсовый камень практически находится именно в таком состоянии. Тогда вступает в действие известный закон конгруэнции свойств, при оптимальных структурах вяжущего камня и гипсобетона или других разновидностей материалов с конгломератным типом структуры, со всеми вытекающими из него позитивными следствиями.

Настоящая работа выполнена на кафедре строительных материалов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета и на Нижегородском заводе стеновых материалов № 3 в соответствии с планом НИР ННГАСУ. Все испытания и исследования проводились в испытательном центре «Нижегородстройиспытания» ГОССТРОЯ РФ (Аттестат аккредитации № ГОСТ Р №.9001.6.2.0038. Зарегистрирован в Госреестре 06 июля 1998 г.).

4.3. Выводы по главе 4 -i 8 'Л I.

1. Содержание в сырье CaS04−2H20 и отнесение сырья по этому: признаку к определенном сорту по /49/ не может являться достаточным ;

•1 г. оценочным критерием определения пригодности гипсового камня для — у '* • v' i производства высокопрочных гипсовых вяжущих.

2. Отмеченные зависимости позволяют сделать основной вывод: Ь касающийся качества сырья для производства высокопрочных гипсовых вяжущих: сырьевая база для производства высокопрочных гипсовых j Ь вяжущих может быть расширена за счет вовлечения месторождений с меньшим содержанием в сырье CaS04−2H20 (вплоть до III сорта), но с учетом генетических особенностей гипсового камня и вида примесей. Без применения химических добавок из гипсового камня I сорта возможно получение высокопрочного гипсового вяжущего с пределом прочности при сжатии в высушенном до постоянной массы состоянии до 32,0 МПа, а из камня II сорта — до 22,0 МПа.

ГЛАВА 5. Отработка технологических параметров I] I Iпроизводства высокопрочного гипсового вяжущего в 4 я'? аопытно-промышленных условиях.

Отработку технологических параметров получения высокопрочного 1: гипсового вяжущего осуществляли на опытно-промышленной % у технологической линии Нижегородского завода стеновых материалов № 3. «• В исследовании использовался природный гипсовый камень .- Бебяевского месторождения. Гипсовый камень, поступивший с карьера дробили в щековой дробилке и фракционировали на виброгрохоте и для производства вяжущего отбирали фракцию 0−120 мм. ' ¦

Затем гипсовый камень подвергался обработке на бегунах тонкого помола с одновременным введением в его состав раствора янтарной :'". кислоты в количестве 0,05% от массы камня. Таким образом осуществлялась механохимическая активация гипсового камня. После данной стадии обработки гипсовый камень представлял собой фракцию 0,315−1,25 мм. ^.

После осуществления предварительной подготовки гипсовый камень • укладывался в специально сконструированные перфорированные и снабженные системой перфорированных труб, металлические контейнеры, которые устанавливались на стандартные вагонетки и помещались в ' горизонтальный автоклав. Подъем пара в автоклаве до 0,5 МПа осуществляли в течение 1,5 часа, изотермическую выдержку — в течение 6 часов, снижение давления до атмосферного — в течение 1,5 часа. Сразу после выпуска пара из автоклава, не вынимая из последнего поддоны с продуктами дегидратации, производили их сушку при температуре 105−110°С. Для этого автоклав был снабжен специальной системой внутренних паровых регистров, обеспечивающих нагрев внутреннего объема автоклава при нормальном давлении. Общий вид установок, использованных при — проведении опытно-промышленного эксперимента представлен на рис. 21, 22.

Остаточная влажность материала после сушки составила не более 1%. После этого продукт дегидратации извлекался из автоклава. Полученное вяжущее в основе своей имело порошкообразное строение с незначительным комкованием. В следствии этого, было решено произвести обработку полученного материала на бегунах тонкого помола. После этого вяжущее имело дисперсность, соответствующей остатку на сите 0,2−2-3%.

Определение физико-технических показателей полученного гипсового вяжущего производили через 2 часа с момента затворения вяжущего водой и в высушенном до постоянной массы состоянии. Физико-технические показатели испытанных вяжущих приведены в табл. 15.

Анализ данных, приведенных в табл. 15, подтверждает правильность выбранной нами рабочей гипотезы и показывает, что на основе природного гипсового камня крупнокристаллической рыхлой структуры, относящегося к I сорту согласно /52/ возможно получение высокопрочного гипсового вяжущего марки Г-22 и марки Г-19 из камня II сорта.

Кривые дифференциально-термического анализа продуктов дегидратации двугидрата в промышленных условиях представлены на рис. 23.

Таким образом, испытания гипсовых вяжущих, полученных в опытно-промышленных условиях, подтвердило результаты лабораторных исследований, а именно, что из гипсового камня рыхлой крупнокристаллической структуры 1-П сорта Бебяевского месторождения можно получать гипсовые вяжущие марки Г-19, Г-22.

Рис. 22. Горизонтальные автоклавы для запарки гипсового камня.

Результаты испытаний гипсовых вяжущих, полученных в опытно-промышленных условиях.

Содержание Са804−2Н20 Физико-технические показатели вяжущего Предел прочности, МПа.

Водогипсовое отношение Сроки схватывания, мин. при изгибе при сжатии начало конец через 2 часа в высушенном до постоянной массы состоянии через 2 часа в высушенном до постоянной массы состоянии.

96,2 0,35 52 60 8,8 15,6 22,6 32,4.

92,0. 0,30 54 62 7,6 13,8 19,4 27,1.

Рис. 23. Кривые дифференцильно-термического анализа: а) природный гипсовый камень Бебяевского месторожденияб) продукт дегидратации из сырья 1-го сортав) продукт дегидратации из сырья Н-го сорта.

ГЛАВА 6. Разработка технологического регламента и технических предложений на проектирование и строительство цеха мощностью 30 тыс. тонн в год высокопрочного гипсового вяжущего.

6.1. Исходные данные на проектирование и строительство цеха по производству высокопрочного гипсового вяжущего.

Как показано ранее, основным условием производства высокопрочного гипсового вяжущего является получение а-полугидрата в гидротермальных условиях при давлении пара в автоклаве 0,7 МПа и изотермической выдержке 6 часов.

С целью сокращения сроков сушки и повышения качества продукта дегидратации используется принципиально новый вакуумный способ, который интенсифицирует процесс удаления влаги, в сравнении с общепринятыми способами в 3−4 раза.

Технологическая линия производства гипсового вяжущегося марок Г-20-Т-Г-30 состоит из следующих переделов:

— дробление и фракционирование камня;

— механохимическая активация камня- ^.

— гидротермальная обработка камня насыщенным паром в горизонтальном автоклаве;

— вакуумная сушка продуктов дегидратации;

— измельчение высушенного продукта дегидратации;

— упаковка готового продукта.

Технологическая схема производства высокопрочного гипсового вяжущего представлена на рис. 24.

Характеристика основного технологического оборудования для проектирования и строительства цеха мощностью 30 тыс. т/год по производству высокопрочного гипсового вяжущего приведена в табл. 16.

6.2. Краткое описание технического проекта цеха по производству высокопрочного гипсового вяжущего на Нижегородском заводе стеновых материалов ЛЬЗ.

Отделение приема и подготовки гипсового камня запроектировано рядом с существующим дробильно-сортировочным отделением. Оно включает приемный бункер емкостью 10 м, пластинчатый питатель, щековую дробилку, установленную под питателем на нулевой отметке. Приемный бункер установлен на отметке 5 метров в который гипсовый камень подается грейферным краном, имеющимся на существующем складе.

После дробления гипсовый камень крутонаклонным конвейером подается на виброгрохот, где происходит его разделение на два класса по размеру кусков.

Материал с размерами кусков более 150 мм ленточным транспортером возвращается в дробильно-сортировочное отделение существующего цеха, а материал с размерами кусков 0−150 мм ленточным конвейером длиной 50 метров подается в расходный бункер цеха производства высокопрочного вяжущего.

ЧМПТГП>1 [пп.

Рис. 24. Технологическая схема производства высокопрочного гипсового вяжущего:

1 — Грейферный кран.

2,7,14,17,20,24-Бункер

3,8,15,18,21,25 — Пластинчатый питатель.

4 — Роторная дробилка.

5 — Ленточный конвейер

6,16- Элеватор

9,19 — Вальцы тонкого помола.

10 — Ёмкость приготовления добавок.

11 — Дозатор весовой.

12 — Вагонетка.

13 — Тупиковый автоклав.

22 — Центробежный сепаратор

23 — Винтовой конвейер

26 — Упаковочная машина.

27 — Склад готовой продукции.