Шлам это в строительстве

От контакта с буровым раствором шлам насыщается вредными компонентами, которые используются при бурении. Часть токсичных компонентов он приносит с собой из недр земли.

Советуем почитать: Экологические проблемы Западной и Восточной Сибири

Буровые шламы содержат преимущественно смесь каолина (входит в состав белой глины) и кварца (основной компонент буровых пород). Остальные минералы представлены в меньших количествах. Их присутствие определяется особенностями породы и параметрами бурения.

Содержание воды в шламах может достигать 70%.

Химический и минеральный состав твердой фазы бурового шлама:

Si	Кремний	Кварц в составе полевого шпата и глинистых минералов	до 50%
Al	Алюминий	Каолин, ортоклаз (разновидность полевого шпата, относится к силикатам), альбит (белый полевой шпат).	до 20%
Ca	Кальций	Гипс, мел.	до 6%
S	Сера	Сульфиды, сульфаты.	до 4%
K	Калий	Ортоклаз, растворимые соли.	каждый до 3 %
Mg	Магний	Природный минерал доломит
Na	Натрий	Альбит, растворимые соли.

Переработка бурового шлама на Ватьёгане

Также в шламе в небольших количествах содержатся органические соединения и нефтяные углеводороды.

В буровые отходы могут попадать глубинные радионуклиды – опасные радиоактивные вещества. При выявлении радиоактивного заражения применяют специальные методы дезактивации.

Методы утилизации бурового шлама

Утилизация бурового шлама возможна путем снижения его опасности с целью дальнейшего использования для рекультивации земель. Для этого используют неопасные малотоксичные реагенты и минеральные песчаные и суглинистые смеси. Метод хорош тем, что применяется непосредственно на месте бурения. Обезвреженная таким образом масса используется для строительства насыпей буровых площадок.

Заслуживает внимания американская методика, по которой буровой шлам в центрифуге разделяется на фракции воды, нефти и сухого остатка. Нефть и вода используются в технических целях. Порода – в качестве сырья для производства строительных материалов.

Путем спекания смеси шламовой массы и песчано-глинистой фракции в термических печах получают прочный строительный керамический материал.

Советуем почитать: Использование энергии морских приливов и отливов

Технически оправдывает себя 4-ступенчатая очистка и сушка шламовой смеси. После обезвреживания ее закладывают в траншеи при строительстве буровых площадок. Этот метод прошел апробацию в условиях Крайнего Севера и вечной мерзлоты.

Шлам смешивают с песком в соотношении 1:0,5-0,7. Одновременно добавляют соляную кислоту. В итоге получается грунт со стандартной кислотностью рН 5-8.

Существует много схем обезвреживания нефтешлама, их применение зависит от предприятий-нефтедобытчиков.

Шламоотвал. Что это такое шлам?

Последовательная система обработки бурового шлама

Очистка и утилизация жидкой фазы отходов

Отходы бурения размещают в амбарах, которые защищены от утечки опасных отходов в грунт. В этих отстойниках происходит естественное расслоение на поверхностную нефтяную пленку, жидкую фазу отходов и осадок в виде породы.

Вначале отбирают поверхностную нефть, затем сливают жидкость в отстойник, добавляют сорбенты. Через несколько дней с поверхности собирают новую порцию нефти, которая находилась в растворенном состоянии.

Оставшуюся воду фильтруют и используют в технических целях. Если технологией предусмотрен сброс в естественные водоемы, то вода проходит дополнительную очистку.

Донные остатки сушатся в вертикальной центрифуге – осушителе бурового шлама.

Очистка бурового раствора от шлама

Буровой шлам обрабатывается паром, промывается горячей водой с добавлением поверхностно активных веществ и высушивается в вертикальных центрифугах.

На производствах используются другие механические устройства: сепараторы, сита, гидроциклонные, вибрационные установки для грубой, затем тонкой очистки.

Механическим средствами можно достичь степени очистки 90% и выше.

Утилизация твердой фазы отходов бурового шлама

Большой опыт зарубежных коллег и прогрессивные наработки передовых российских компаний позволяют использовать малоотходные и безотходные способы:

• Повторное применение в бурении скважин.
• Добавление в цементные растворы.
• Производство строительной керамики, керамзита, глинопорошка.
• Рекультивация земель.

Проблема уничтожения буровых отходов

Суть основной проблемы, касающейся уничтожения отходов бурения в России, заключается в том, что руководители большого числа компаний, занимающихся нефтедобычей, не хотят тратить денежные средства на осуществление правильной и безопасной утилизации шламов. В результате не обезвреженные буровые отходы просто отправляются на хранение в амбары, из которых затем откачивают водную смесь углеводородных соединений. Оставшиеся после откачки жидкости шламы заливаются бетоном и засыпаются грунтом. Как следствие, происходит образование большого количества захоронений, в составе которых содержатся углеводороды нефти, токсичные соединения, металлы и т.д. Причем с увеличением числа установок бурения осуществляется постоянное загрязнение огромных по площади земельных участков, что крайне негативно сказывается на состоянии окружающей среды.

Однако решение проблемы все-таки есть. Оно заключается в принятии комплекса мер:

1. Должны быть ужесточены санкции за нарушения безопасной технологии утилизации отходов бурения.
2. Должно поощряться внедрение в работу нефтедобывающих предприятий новейшего оборудования для переработки бурового шлама с целью его обезвреживания и последующего применения в качестве сырья в различных отраслях промышленности.

Правила утилизации

Существует несколько способов утилизации буровых шламов:

• заполнение подземных пустот, образовавшихся после добычи нефти, смесью измельченных твердых и жидких отходов;
• применение безвредной твердой отработки в производстве строительных материалов;
• вывоз на спецполигоны для захоронения.

Твердые отходы, независимо от выбранного метода утилизации, подлежат предварительной тщательной очистке. Для этого разработаны различные методики приведения шламовых масс в состояние, которое позволяет использовать или ликвидировать отходы бурения. Основные из них:

1. Термический способ. Отработку обжигают в специальных печах с получением на выходе продукта, не содержащего органические примеси.
2. Метод физико-химического воздействия предполагает использование реагентов с целью изменения свойств отходов.
3. Физический способ предусматривает фильтрование отработки под высоким давлением, либо с применением центробежных аппаратов.
4. Биологический метод подразумевает поэтапное разложение обрабатываемой массы в месте консервации при помощи микроорганизмов.

Шлам, освобожденный от вредных примесей, часто используют в производстве неответственных строительных конструкций (тротуарной плитки, бордюров), низкомарочных бетонов, растворов.

Утилизация и захоронение бурового шлама

Предотвращение загрязнения окружающей среды продуктами нефтедобычи и нефтепереработки – одна из самых сложных и многоплановых проблем, которая требует и значительных средств и требует постоянного контроля. Именно этот продукт считается самым опасным, так как применим во многих сферах и распространен на больших территориях по всей стране. Этот источник загрязнения лидер по величине нагрузок на природную среду.

Эти механические примеси имеют высокий класс опасности, вредны для окружающей среды, и поэтому проблема утилизации отходов выходит на первый план. Особую опасность представляют вырубленные породы, которые образуются при добыче нефтедобыче, таким образом, именно такие породы называются буровым шламом.

Основными клиентами, пользующимися услугами по утилизации, являются буровые компании, которые занимаются горизонтально-направленным бурением и некоторые строительные организации, которые осуществляют рытье котлованов. Дорожные службы часто нуждаются в услугах компании, цель которой – утилизация бурового шлама, так как при рытье туннелей и проведении других работ могут оказаться специфические участки породы.

Буровой шлам включает в свой состав 4 вида отходов:

1. Отработанный бетонит;
2. Жидкий грунт;
3. Осадок в виде глины;
4. Грунтовые воды.

Грамотная утилизация бурового шлама является задачей, которая должна решаться в кротчайшие сроки и с высокой эффективностью, так как от этого зависит состояние окружающей среды не только России, но и сего мира в целом. Существует несколько вариантов утилизации бурового шлама, но универсального способа обработки и утилизации нефтешлаков не существует. Многие спорят, какой из методов лучше, но к единому мнению специалисту до сих пор не пришли.

Отходы гальванического производства

Утилизация отработанных нефтепродуктов охватывает электромеханические производства, где для улучшения качеств оборудования применяется напыление металлизированными покрытиями.

Суть подобных защитных слоев в придании металлу особых антикоррозийных свойств, продлении эксплуатационного срока, прочего.

Утилизация нефтешламов гальванического происхождения начинается со сбора отходов, накапливающихся на дне специализированных ванн. Далее в зависимости от выбранного способа материал отправляется на утилизацию гальваношламов. Подобно буровому шламу, отходы гальванического производства проходят фильтрацию под воздействием реагентов, грубую и тонкую очистку.

Гальванические ванны, где образуются гальванические отходы

В ваннах горячего цинкования также образуются отходы гальваники

Каждый из методов преследует одну из двух целей:

восстановить механические свойства растворов для дальнейшего использования (это труднодостижимо и находится в стадии разработок);

создание специальной минерализованной пульпы на базе шлама.

Получаемые смеси используются для синтеза строительных материалов, качества которых максимально идентичны с природными. Сюда относят:

особо прочный битум;

В силу столь инновационного использования дорогостоящая установка по переработке нефтешламов полностью оправдывает свое предназначение. Удается сохранять труднодобываемые металлы. Однако в некоторых случаях для достижения цели стали использоваться плазменные реакторы, внутри которых происходит максимальное смешение реагентов с разносортным шламом.

В разных случаях может использоваться низкотемпературная или активная воздушная плазма, создаваемая электрическими разрядами. Плазменный реактор отличается высокой эффективностью работы и универсальностью выполняемых функций, возможен даже сбор углеводородов, образовавшихся от сжигания или в процессе утилизации нефтеотходов. Все работы проводятся внутри специально оборудованной печи, а иногда даже серии подобных емкостей. Это конечно, повышает затратность очистки.

Методы его обезвреживания и утилизации

В силу значительного вреда окружающей среде шлам необходимо утилизировать. В странах Европы следующие методы все шире внедряются в промышленность и горнодобывающую сферу:

• Сброс в водоемы или накопители. Техническую воду и жидкую фазу шламов сбрасывают во внешние водоемы, а остатки отправляют для добычи углеводородов из нефтепродуктов. Недостаток этого метода — изменение экосистемы и загрязнение окружающей среды;
• Термическая обработка. Шламы часто подвергаются термической обработке в печах, амбарах, чтобы обезводить остаток и получить битуминозные остатки;
• Химический метод. Для устранения негативных эффектов шламов подключают химические методы и процессы. Например, нейтрализация, отвердение органическими добавками, экстрагирование и так далее;
• Физико-химический метод. Кроме чисто химических методов можно воспользоваться смешанными способами для эффективной утилизации шламов. В зарубежье активно разрабатываются технологические методики на стыке физики и химии. К примеру, изменяют физико-химические свойства шламов в результате реакций или обработки на специальном оборудовании;
• Микробиологическое и биотермическое разложение. Один из малоизученных и перспективных способов — биотермическое разложение микроорганизмами: бактериями, одноклеточными, грибами. Они могут перерабатывать шламы с выделением метана;
• Процессы с отделением отдельных элементов. Шлам — это смесь, поэтому перед утилизацией можно собрать из остатков составляющие для различных целей, например, углеводороды выделяют и применяют в качестве топлива. Таким образом можно добывать металлическую пыль.

Вопросы утилизации

Отходы, которые появляются во время работы с нефтяными продуктами, являются опаснейшими поллютантами, которые оказывают отрицательное влияние на экологическую среду. Так как нефтешламы загрязняют воздух, растительный и почвенный покровы, грунтовые воды.

Наверное, любой человек в нашей стране знает, что Российская Федерация — это государство, которое лидирует по количеству переработки и добычи нефти (углеводородное топливо в нашей стране больше преобладает над остальными разновидностями источников энергии). Поэтому появляется множество нефтешламов, которые нуждаются в утилизации. 4−8% нефтяных продуктов теряются в виде загрязнений на любых этапах технологического процесса.

Важно: ученые подсчитали, что нефтяные предприятия в России каждый год образуют приблизительно 600 тысяч тонн нефтешлама, а общий объем во всем мире равен 6 миллионам тонн. Но, невзирая на значительное количество отходов, в нашей стране еще слабо разработаны рациональные методы по переработке шламов

Чаще всего в России используются недорогие варианты утилизации: сжигание и захоронение — что очень отрицательно отражается на состоянии здоровья людей и внешней среде. Потому можно смело сказать о том, что проблемы переработки нефтешламов очень актуальны и нуждаются в быстром решении

Интересное Переработка и утилизация драгметаллов: обработка лома оборудования с драгоценными металлами

Но, невзирая на значительное количество отходов, в нашей стране еще слабо разработаны рациональные методы по переработке шламов. Чаще всего в России используются недорогие варианты утилизации: сжигание и захоронение — что очень отрицательно отражается на состоянии здоровья людей и внешней среде. Потому можно смело сказать о том, что проблемы переработки нефтешламов очень актуальны и нуждаются в быстром решении.

Способы извлечения металлов из шлама

Кислотно-щелочное выделение

Осадок, подвергаемый извлечению, обрабатывают серной кислотой для перевода шлама в жидкий вид. Происходит реакция окисления, катионы металлов связываются с анионами сульфата, образуя соль. После окончания реакции раствор фильтруют, чтобы убрать из сферы реакции песок и глину. Измеряется pH, а после кислотность среды доводят до необходимого значения, вследствие металл начинает оседать. Затем осадок отфильтровывают и обеззараживают.

Экстракция при помощи органических веществ

Экстракция проводится для выделения цветных и благородных металлов, для процесса берут негорючие вещества. Эту реакцию нельзя вызывать летучими растворителями.

Иногда проводят экстракцию расплавом органического вещества. После самого процесса продукт охлаждают в емкости, образуется достаточно густая масса, ее легко отделить от жидкой фазы. Эта масса долго хранится, это удобно для транспортировки.

Переработка

Откачка бурового шлама необходима с практической точки зрения. Если этого не делать, она будет мешать работе техники в районе бурения. Техническую операцию проводят лицензированные организации при помощи насосных установок с резервуарами для сбора жидкости – илососов.

Эти же организации занимаются переработкой и утилизацией продуктов бурения.

Перед переработкой буровые отходы обезвреживают. Делается это несколькими способами:

Название	Принцип работы	Преимущества	Недостатки
Термический	Продукт выжигают в печах при температуре 800-12000 С.	Полученная масса используется для изготовления битума.	Продукты горения токсичны. Процесс дорогой из-за большого потребления тепловой энергии.
Механический	Шламовая суспензия разделяется на фракции в центрифугах. В результате получают жидкую и твердую фракции, которые затем утилизируют.	Автоматизация, биологическая безвредность.	Требуется специальное оборудование. Сложности утилизации.
Химический	При помощи химических растворителей и отвердителей с последующей переработкой.	Высокая эффективность. Образовавшийся порошок используется в дорожном строительстве.	Необходимо сложное оборудование, большое количество растворителей.
Физико-химический	Совмещает два предыдущих. Шлам обрабатывают коагулянтами и флокулянтами. Затем на центрифуге отделяют водную, нефтяную и механические примеси.	Экологически безопасен. Не требует серьезных технологических работ.	Применим не для всех нефтешламов. Высокая цена на реагенты.
Биологический	Разложение продукта непосредственно на месте с использованием бактерий и микроорганизмов.	Простота, незначительная вредность.	Низкая производи-тельность.

Экономичным и экологически чистым является совмещение нескольких видов переработки бурового шлама.

Выгода переработки

Обезвреженный шлам используется в строительстве. В переработанный продукт добавляют сорбенты, впитывающие вредные вещества, и цемент, который придает материалу твердость.

• бетонные смеси;
• шлакоблоки;
• бордюрные плиты, тротуарную плитку;
• компоненты дорожного покрытия.

Уничтожение буровых отходов

В России проблема утилизации бурового шлама стоит очень остро. Нефтедобывающие компании не готовы нести дополнительные расходы на промышленную переработку шлама. Поэтому они захоранивают отходы – откачивают воду из резервуаров, вредоносные остатки бетонируют и засыпают землей.

Природные возможности не безграничны. Подобных опасных захоронений становится все больше. Площадь могильников токсичных отходов продолжает расти.

Решить проблему можно только на федеральном уровне. Для этого нужно ужесточить контроль и внедрить неотвратимость наказания за нарушения при утилизации буровых отходов. Одновременно целесообразно поощрять, субсидировать, предоставлять льготы тем предприятиям, которые внедряют на производствах инновационные технологии переработки отходов.

Целесообразность захоронения

Лицензированные полигоны, предназначенные для утилизации бурового шлама, расположены на удалении от добывающих и строительных площадок. Они в первую очередь должны принимать те отходы, которые невозможно использовать в производстве и для вторичной переработки.

Задействование таких площадок является экономически и экологически нецелесообразным по следующим причинам:

1. Транспортировка большого объема грузов на дальние расстояния влечет за собой неоправданные транспортные расходы.
2. Загазованность атмосферы от работы тяжелой большегрузной техники.
3. Возрастает риск аварий на дорогах.
4. Негативное влияние на флору и фауну по пути следования грузов.
5. Необходимость изъятия лесных угодий под строительство новых полигонов повлияет на стабильность биосферы.

Метод захоронения предназначен для тех видов шламов, где класс опасности выше IV, превышены предельно допустимые концентрации содержания нефти и радиоактивных веществ.

Извлечение на поверхность большого количества породы предполагает рациональность возврата обезвреженных отходов обратно в земную кору путем вовлечения в процесс образования почвы.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И КАЧЕСТВА РАБОТ

Процесс обеспечения качества и безопасности закачки обеспечивает целостный подход ко всем аспектам проекта закачки отходов в пласт. После проведения анализа предоставленных заказчиком данных специалисты компании разрабатывают решения, полностью оптимизированные для каждого конкретного проекта. Наш процесс обеспечения качества и безопасности закачки отходов является уникальным продуктом в нефтегазовой отрасли, так как с его помощью обеспечивается контроль до, во время и после выполнения всего проектного цикла закачки отходов. Данная программа значительно повышает уверенность в успешности осуществляемого проекта.

«АКРОС» стремится обеспечить высокие стандарты качества обслуживания и использует iCRIs как комплексные решения безопасного и бесперебойного процесса по закачке буровых отходов, которые включают в себя несколько важных технологических этапов проведения работ, описанных ниже:

Классификация

При утилизации бурового шлама классификация веществ имеет важное значение. Вещества разделяются по количественным и качественным характеристикам

К наиболее важным свойствам относят:

1. Физико-химические.
2. Состав растворов.
3. Агрегатное состояние.

Физико-химические показатели используемого с бурением раствора определяются геологическим составом разбуриваемых горных пород и задач, которые вспомогательные компоненты раствора должны выполнять. Кроме охлаждения и смазки инструмента, задействованные скважины облегчают вынос пробуренной породы на землю.

Используемые растворы состоят из стабилизаторов температуры, поверхностно-активных компонентов, противопенных присадок, утяжелителей удельного веса, увеличителей текучести. На основе этих веществ создается технология утилизации раствора. Помимо неорганических компонентов в отработанном растворе есть металлы, парафиновые осадки.

По агрегатному состоянию растворы бывают жидкими (высокая текучесть), полужидкими и твердыми. Главным свойством отношения раствора считается процентное отношение твердой и жидкой фазы.

1. До 40 – растворы текучие и жидкие.
2. 40-85% — пастообразные и полужидкие.
3. От 85% — твердые.

Очистка водяных скважин

Если скважина – «строительная», то есть, предназначена под опорные сваи или для укрепления фундамента, то, конечно же, ей очистка не требуется.

Но скважины на воду через несколько лет эксплуатации имеют тенденцию заиливаться. Менее глубокие скважины «на песок» приходится чистить раз в 2-3 года (в зависимости от интенсивности эксплуатации), более глубокие «на известняк» — раз в 5-8 лет.

При этом очистка скважины является технически сложным мероприятием. Прибегая к услугам илососа, работы можно существенно ускорить и упростить.

Для очистки скважины с помощью илососа из устья вынимается скважинный насос с тросом и кабелем. Далее в скважину до упора опускается вакуумный рукав илососа (необходимо чтобы длина рукава была достаточной), и напорно-вакуумная машина отсасывает ил и донные отложения из скважины.

Часовой приток грунтовой воды в скважину называется ее дебетом. Обычно дебет небольшой скважины составляет от 1 до 3 кубических метров воды в час. Этого объема может не хватить для качественной очистки скважины с помощью илососа. В этом случае операцию повторяют несколько раз по мере заполнения скважины водой.

Если скважина слишком старая и давно не чистилась, возможно, понадобится ее промывка. В этом случае в скважину под давлением подается вода из чистой цистерны илососа с последующей ее откачкой.

Гидродинамическая очистка более эффективна, но требует аккуратности, чтобы не разрушить армировку или нижнюю часть скважины.

Утилизация и переработка

Перед непосредственной утилизацией буровых отработок необходимо их обезвредить. В промышленной экологии освещены несколько способов обезвреживания бурового шлама:

1. Термический способ. Процесс происходит в специальных установках – печах (или в амбарах) в условиях высоких температурных значений. В результате горения образуется продукт, который может быть использован в дальнейшем для изготовления битума.
2. Физический способ. Методами центрифугирования и флокуляции производят разделение жидкости от твердой части отходов, после чего каждая из выделенных фракций отдельно друг от друга утилизируется.
3. Химический способ. Основан на проведении экстракции из отходов чистых пород путем добавления в шлам растворителей, а затем отвердителей, в состав которых могут входить глина, цемент, смолы, полиуретан и т.д.
4. Физико-химический способ. Заключается в обработке отходов химическими веществами, которые вызывают изменения их свойств, и последующей переработке шламов с использованием определенных установок.
5. Биологический способ. Суть способа состоит в разложении отходов специальными микроорганизмами, которые производят обезвреживание отработок путем извлечения из них веществ для поддержания собственной жизнедеятельности. Обезвреживание таким способом производится на непосредственных местах загрязнения буровыми отработками.

После процесса обезвреживания буровые шламы могут направляться на захоронение или переработку.

Эффективной технологией утилизации буровых отработок является их солидификация. Согласно этому способу осуществляется смешивание очищенного бурового шлама со специальными сорбентами и цементом. Сорбент связывает токсичные соединения, которые после добавления цементной массы переходят в форму, нерастворимую при любых погодных условиях. Поэтому произведенный таким образом обезвреженный продукт применяется в изготовлении материалов для строительства.

Переработка шлама может вестись в нескольких направлениях. Из отходов бурения возможно получить:

• тротуарную плитку;
• бордюрные ограждения;
• бетонные смеси;
• компоненты для автодорожного покрытия;
• шлакоблоки, использующиеся в строительстве подсобных помещений и др.

Схематическое изображение процесса переработки отходов бурения с целью получения новых изделий и материалов можно посмотреть в видео, основанном на применении 3D моделирования

В зависимости от способа обезвреживания буровых шламов используется различное оборудование для переработки. Так, например, актуальной и востребованной для предприятий нефтедобывающей отрасли является установка, в которой осуществляется термическая деструкция буровых отходов.

Принцип работы такой установки основывается на проведении пиролиза в низких значениях температуры. В результате обработки отходов происходит образование кондиционной продукции. Работа установки обеспечивается за счет получения в ней пиролизного газа. Такой аппарат для переработки буровых шламов может работать в периодическом или непрерывном режиме (в зависимости от модификации) и иметь производительность, равную соответственно 100 и 1000 кг/час.

О том, как выглядит установка термической деструкции шламов, и о принципе ее работы рассказывают в следующем небольшом видео

Для снижения затрат на переработку буровых отработок и для лучшей защиты природной среды многие компании используют в своей работе вертикальную центрифугу — осушитель бурового шлама. Принцип действия этой установки основывается на создании центробежных сил с целью отделения жидких и твердых фаз в составе отходов. После удаления жидкости такой центрифугой шлам становится более сухим.

Радиоактивные элементы могут попадать в буровые отходы совместно с пластовой водой. Приборы для проведения измерений радиоактивности бурового шлама позволяют выявить необходимость применения специальных методов обезвреживания таких отходов.

При расчетах объемов полученных шламов используют значения их плотности (средней плотности).

Кто перерабатывает буровой шлам? Переработку отходов бурения осуществляют компании, специализирующиеся на охране природной среды. Часто такие компании проводят разные исследования в области безопасного обращения с отходами нефтегазодобывающей отрасли и разрабатывают современные технологии по переработке шламов и т.д. Вывоз буровых отходов также осуществляется организациями, которые производят откачку, транспортировку и/или обезвреживание и переработку шламов. При перевозке отработок бурения используется транспорт, оснащенный специальными контейнерами.

Источник: musormaster.ru

Шламы нефтяные

Шлам — это разбуренная порода, выносимая буровым раствором с забоя скважины на дневную поверхность.

Нефтешламы (нефтяные шламы) — это сложные физико-химические смеси, состоящие из нефтепродуктов, механических примесей (глины, окислов металлов, песка) и воды.

Шлам — это разбуренная порода, выносимая буровым раствором с забоя скважины на поверхность земли.

Нефтяные шламы образуются в основном при разведке и добыче, реже при переработке и транспортировке нефти.

Нефтешламы токсичны и представляют большую опасность для окружающей среды, подлежат захоронению или переработке.

Образовываться нефтешламы могут как в результате естественных контролируемых процессов (например, очистка нефти от примесей и воды), так и от всевозможных аварий (разливов).

В зависимости от способа образования и, соответственно, физико-химического состава нефтяные шламы подразделяются на несколько групп или видов:

• придонные, образующиеся на дне различных водоемов после произошедшего разлива нефти;
• образующиеся при бурении скважин буровыми растворами на углеводородной основе;
• образующиеся в процессе добычи нефти, а, точнее, в процессе ее очищения (подготовки);
• резервуарные нефтешламы — отходы, которые образуются при хранении и транспортировке нефти в резервуарах;
• грунтовые, являющиеся продуктом соединения почвы и пролившейся на нее нефти (причиной этого может быть как технологический процесс, так и авария).

Это представляет реальную угрозу токсичного экологического загрязнения почв, подземных вод, рек и морей в зонах их складирования.

Существует и потенциальная опасность остановки некоторых нефтеперерабатывающих предприятий из-за фактического переполнения нефтяных амбаров нефтешламами в результате зачистки резервуаров от остатков нефтепродуктов.

Строительство же новых современных полигонов и амбаров для хранения нефтешламов дорого и не решает проблему.

Очевидно, что все сложности, возникающие при переработке нефтешламов, обусловлены, в большинстве случаев, неоднородным поликомпонентном составом этих смесей: в них присутствуют нефть, вода, нефтяные эмульсии, асфальтены, гудроны и ионы металлов, различные механические примеси, иногда даже радиоактивные элементы.

Кроме того, нефтяные шламы имеют 3 ярко выраженных фракции: водную, нефтяную и твердую, что также значительно осложняет процессы переработки.

Переработка и утилизация нефтешламов — это важная экологическая и экономическая задача.

Унифицированного способа переработки нефтешламов нет, однако любая технология базируется на 2-х последовательных этапах: предварительная подготовка (обезвоживание и удаление механических примесей) и непосредственно переработка.

Существует несколько методов конечной переработки нефтешламов:

биологические — микробиологическое разложение в почве непосредственно в местах хранения, биотермическое разложение;

физические — захоронение в специальных могильниках, разделение в центробежном поле, вакуумное фильтрование и фильтрование под давлением;

химические — экстрагирование с помощью растворителей, отвердение с применением (цемент, жидкое стекло, глина) органических (эпоксидные и полистирольные смолы, полиуретаны и др.) добавок;

физико-химические — применение специально подобранных реагентов, изменяющих физико-химические свойства, с последующей обработкой на специальном оборудовании;

термические — сжигание в открытых амбарах, печах различных типов, получение битуминозных остатков;

Так, например, методом термического крекинга (высокотемпературная переработка нефти, смол и нефтешламов) удается получать легкие моторные и котельные топлива, высокоароматизированное сырье, нефтяной кокс.

Подбором углеводородного и фракционного состава сырья, а также температуры, давления и продолжительности процесса крекинг направляют в сторону получения заданных целевых продуктов.

Термический крекинг дает бензины с недостаточно высоким октановым числом (65-68 по моторному методу).

С повышением температуры реакции термического крекинга не только увеличивается скорость процесса, но и несколько возрастает октановое число бензина.

Но, как правило, не более чем на 2,5 пункта.

Цетановое число полученных при крекинге дизельных фракций равно 47-50.

Остаточным продуктом термического крекинга является нефтяной кокс — твердый пористый продукт от темно-серого до черного цвета, который используется в качестве насыпной масса.

При переработке нефтешламов применяется также метод пиролиза. В результате на выходе получаются твердые, газообразные и жидкие продукты сложного состава.

Выход и состав жидких продуктов в большой мере зависит от сырья.

С ростом атомарного отношения водород/углерод значительно увеличивается доля органической массы, переходящей в жидкий продукт.

Однако наиболее современным и эффективным из существующих технологических методов следует признать электроогневую технологию утилизации нефтешламов. Сущность ее состоит в комплексном подходе, включающем последовательные операции отделения и изъятие из нефтешламов верхнего слоя чистых нефтепродуктов, и последующее чистое электроогневое сжигание прочих тяжелых фракций нефтешламов в сильном электрическом поле.

Данная технология может быть использована как для утилизации нефтешламов из нефтяных амбаров, так и во всех безотходных производственных технологиях переработки нефтепродуктов.

Она также может быть использована для чистого превращения энергии токсичных нефтешламов в полезные продукты — топливо, тепло и электроэнергию.

Тем не менее, на данный момент в результате утилизации нефтешламов уже получают много полезных продуктов: товарную нефть, топливо для котельных установок, некоторые строительные материалы.

Известны также технологии и специальное оборудование для переработки нефтяных шламов с извлечением остаточной нефти и утилизацией твердых отходов (кека) в материалы для дорожного строительства.

Громадные объемы сырья, предоставляемого в процессе утилизации нефтешламов, дают возможность производства большого количества сероасфальтобетона — долговечного дорожного покрытия с улучшенными фрикционными и прочностными характеристиками.

Источник: neftegaz.ru

Шлаки и их использование в строительной отрасли

В металлургической промышленности шлак — это многокомпонентный неметаллический расплав, покрывающий поверхность жидкого металла в ходе металлургических процессов: плавки сырья, обработки расплавленных промежуточных продуктов и рафинирования жидких расплавов. После завершения металлургических процессов шлак представляет собой затвердевшее камне- или стекловидное вещество — сплав оксидов переменного состава.

Шлаки в металлургическом производстве образуются в процессе восстановления руды и извлечения из нее пустой породы, коксовой золы и флюсов при их химическом взаимодействии с карбонатными породами.

Основные компоненты шлака: кислотные оксиды SiO2 и TiO2, основные оксиды CaO, FeO, MgO, а также нейтральные оксиды Al2O3, ZnO. В зависимости от преобладания тех или других оксидов, шлаки разделяются на основные и кислые.

Ниже представлена структура шлаков по видам производства:

Шлаки черной металлургии: доменные и сталелитейные

Наибольший интерес для строительной отрасли представляют доменные шлаки, получаемые в процессе производства чугуна:

Негранулированный доменный шлак получается при воздушном охлаждении шлака с последующим дроблением и грохочением. Используется преимущественно в дорожном строительстве в качестве щебня. Гидравлическими свойствами не обладает.

Гранулированный доменный шлак получается при выплавке чугуна путем резкого охлаждения на гранустановке. Используется преимущественно в качестве активной минеральной добавки в цемент.

Шлаковая пемза — литой шлак кислый. Требуется особый режим охлаждения. Вяжущими свойствами не обладает. Используется в качестве утеплителя, шумопоглотителя, в производстве легких бетонов и изделий из них.

Для получения одной тонны чугуна требуется в среднем 1,3 тонны железной руды, 0,75 тонны кокса, 0,25 тонны известняка и 4,0 тонны воздуха. После накопления в доменной печи достаточного количества чугуна открывается выпускное отверстие (примерно 5 раз в сутки) и металл выливается в емкости для транспортировки на следующий этап сталеплавильного производства. Расплавленный шлак сливается по желобу, находящемуся выше уровня расплавленного металла, примерно каждые 2 часа. Далее шлаки либо проходят стадию грануляции в специальных установках, либо поступают на организованные отвалы, где часть из них проходит переработку для последующей утилизации.

На крупных металлургических комбинатах — Магнитогорском, Орско-Халиловском («Носта»), Челябинском («Мечел») — отвалы разделяются по видам и производствам — доменные, сталеплавильные шлаки и производственный мусор складируются раздельно. На некоторых предприятиях устраиваются общие отвалы, смешивая шлаки и мусор.

В последние годы на ряде отвалов (Магнитогорск, Электросталь и др.) организована их разработка, включающая несколько стадий: грохочения, измельчения (преимущественно в каскадных мельницах) и магнитной сепарации. Продукт грохочения — шлаковый щебень, применяемый в дорожном строительстве и производстве шлакобетонных изделий. При этом возвращаются в хозяйственный оборот значительные территории. Так, в результате разработки шлакоотвала и переработки шлаков только в г. Электросталь освобождена территория около 50 тыс. м2.

При грануляции выходящий из печи шлак с температурой около 1500°С сливается в гранустановку. Гранулы образуются путем распыления потока шлака водяными струями высокого давления. В нижней части гранулятора шлак охлаждается в водяных ванных, откуда он транспортером подается на склад.

Грануляция шлака может осуществляться также путем формирования мелких окатышей в барабанах с воздушной продувкой или на дисках (тарелках) с водяным охлаждением. При получении гранул шлака по первому способу, с резким водяным охлаждением, предотвращается формирование инертных кристаллов, а образующаяся стекловидная фаза является скрытогидравлическим материалом, продукт измельчения которого обладает вяжущими свойствами. Значительное количество доменных печей используют устройства воздушного охлаждения шлаков. Такой материал вяжущими свойствами не обладает.

Основными качественными характеристиками доменных шлаков являются их основность, сопротивление измельчению, реакционная способность, химический состав и его стабильность. Плотность шлаков колеблется в пределах 2,7-3 г/см3, насыпная плотность — 1,3-1,5 г/см3. Гидравлические свойства доменного граншлака определяются по величине коэффициента качества (К), который в зависимости от содержания окиси магния определяется по формулам:

при содержании MgO больше 10%:

По сопротивлению измельчения доменные шлаки разделяются на легко-, средне- и трудно-разламываемые. За единицу сопротивления измельчения принят удельный расход электроэнергии при измельчении шлаков до определенной величины дисперсности, характеризуемой остатками на сите 008 и удельной поверхностью.

Шлаки, как правило, измельчаются труднее, чем цементный клинкер, и при совместном помоле шлака и клинкера гидравлический потенциал шлака раскрывается не в полной мере. Поэтому предпочтительно производить раздельный помол шлака и клинкера и использовать молотый шлак как компонент цемента или как товар для других целей. Эффективность использования шлака в производстве цемента определяется его реакционной способностью, которая зависит от состава и содержания стекловидной фазы. На практике предприятие обязано контролировать химический состав сырья и шлака, и при необходимости отбраковывать некондиционный продукт или получать заданный химический состав шлака и физические характеристики, отвечающие требованиям потребителя.

Всего около 60% сталеплавильных шлаков составляют шлаки мартеновского производства, 32% — шлаки конвертерного производства, 8% — электросталеплавильного и других видов производств.

Основные направления использования сталеплавильных шлаков: дорожное строительство, наполнители в асфальтобетон и бетон, в сельском хозяйстве для раскисления почв, а также в качестве железосодержащего материала для вторичной переплавки в доменных печах.

Шлаки цветной металлургии

Из шлаков цветной металлургии для строительства и производства строительных материалов представляют интерес медеплавильные и никелевые шлаки. Отвальные медеплавильные шлаки имеют черный цвет. Они не подвержены распаду. Средняя плотность шлаков составляет 3300-3800 кг·м3, водопоглощение 0,1-0,6%, предел прочности при сжатии 120-300 МПа.

Никелевые шлаки обладают такими же высокими показателями физико-механических свойств, как и медные. По химическому составу они относятся к кислым. Никелевые гранулированные шлаки, несмотря на наличие стекловидной фазы, практически не обладают гидравлической активностью.

При переплавке алюминиевых сплавов получают алюминиевые (вторичные) шлаки. Химический состав их следующий: KCl — 38-59%, NaCl — 11,4-34,1%, CaCl2 — 3,0-4,2%, MgO — 2,0-7,2%, Al2O3 — 6,5-12,6%, SiO2 — 1,8-3,5%. Водорастворимые соединения в шлаке составляют 75-85% массы. При длительном нахождении шлаков в воде или на отрытых площадках водорастворимые соединения выщелачиваются, после чего шлаки можно использовать в качестве сырья для производства сульфоалюминатного клинкера, расширяющихся добавок в бетон и т.п.

Шлаки цветной металлургии применяют пока в небольшом количестве при производстве цемента, а также при получении минеральной ваты и литых изделий. Потенциально шлаки цветной металлургии являются перспективной базой различных строительных материалов. Их выход в 10-25 раз превышает выход цветных металлов.

Шлаки химической промышленности

Электротермофосфорные гранулированные шлаки представляют собой отходы производства фосфора методом электротермической возгонки. Получаются быстрым охлаждением силикатного расплава, образующегося в электропечах при плавке шихты из фосфорной руды, кварцита и кокса. При выпуске 1 тонны фосфора получается 10-14 тонн огенножидкого шлака.

Структура шлаков представлена стекловидной фазой (до 98%) метасиликатного состава. Кристаллическая фаза — преимущественно псевдоволластонит. Колебания химического состава основных оксидов составляют: CaO — 44,7-50,0%, SiO2 — 34,0-45,0%, Al2O3 — 1,07-3,29%, MgO — 0,91-4,38%, P2O5 — до 2,5%, NaF — до 3%. В гранулированном виде содержится 95-98% стекловидной фазы.

Ресурсы и утилизация шлаков

Для промышленности строительных материалов наибольший интерес представляют доменные шлаки. Извлечение из руды оксидов кремния, алюминия и других вредных примесей происходит в результате высокотемпературных твердо- и жидкофазовых реакций с специально приготовленным известняком, при этом образуются минералы CaO·SiO2, CaO·Al2O3, 2CaOSiO2.

Эти и другие минералы являются промежуточными фазами при производстве цемента. Обладая при определенных условиях (грануляция) вяжущими свойствами, такой шлак может быть с высокой эффективностью использован как взамен природных сырьевых компонентов при производстве клинкера, так и в качестве добавки в цемент или бетон. При утилизации шлаков придание им необходимых потребительских свойств и их дальнейшая переработка должны рассматриваться в рамках интегрированной концепции обращения с отходами как безальтернативный вариант. Это станет возможным в случае принятия соответствующей законодательной базы предусматривающей значительное увеличение затрат на отчуждение земель под отвалы.

Структура производства и использование доменного шлака в странах ЕС и в России представлены на рис. 1 и 2.

Рис. 1 Структура производства потребления шлаков в ЕС в 2007 г.

Рис. 2 Структура производства потребления шлаков в РФ в 2007 г.

Общее производство доменных шлаков в России в 2007 году составило около 17,3 млн. тонн, в том числе гранулированных шлаков около 5,8 млн. тонн, шлакового щебня — 8,1 млн. тонн. Основным потребителем гранулированных доменных шлаков являются цементные предприятия — 4,9 млн. тонн или 84% от общего объема граншлаков. Остальные 0,9 млн. тонн используют более 100 различных предприятий с годовым объемом переработки шлаков от 0,2 до 200 тыс. тонн. Среди них — Гайский ГОК, который потребляет около 200 тыс. тонн граншлаков в год.

В России значительная доля доменных шлаков (около 20%) направляется в отвалы, в то время как в зарубежной практике широко используются импортные поставки гранулированных шлаков, в том числе молотых. Например, в ЕС импортируется около 10% доменных шлаков, в США — до 20%.

Анализ представленных данных показывает возможность двукратного увеличения объемов производства гранулированного шлака и существенного увеличения ввода шлака в цемент.

В 70-80-е годы средний ввод добавок в цемент составлял более 20%, в том в числе использовалось доменных шлаков — 14 млн. тонн (17%). Кроме того более 1 млн. тонн шлака вводилось в сырьевую шихту. По итогам работы за 2007 год (лучший год в постперестроечный период) ввод добавок в цемент составил 6,3 млн. тонн (11,5%), в том числе доменных шлаков — 5,3 млн. тонн (0,4 млн. тонн завезено из стран СНГ).

Шлак доменных печей, не оснащенных гранустановками, в основном перерабатывается путем трехстадийного дробления на щебень или направляется в отвал. В 2007 году металлургическими предприятиями всего отгружено для строительного комплекса 8,1 млн. тонн шлакового щебня, который используется в основном для асфальтобетонных покрытий и устройства дорожного полотна. В то же время значительная доля шлаков доменного, сталеплавильного, литейного и ферросплавного производства направляется в отвалы, где в настоящее время накоплено более 350 млн. тонн шлаков. Под эти отвалы занято более 2,2 тыс. га земельных угодий.

К настоящему времени научными учреждениями доказана возможность высокоэффективного вовлечения шлаков металлургического производства в народно-хозяйственный оборот. Помимо указанного использования шлаков в производстве строительных материалов (цемент, щебень, дорожное покрытие) установлена также целесообразность их использования для шлакового и шлакокаменного литья, в энергетике, химической, стекольной и других отраслях промышленности. Исходя из теоретических предпосылок, потребность в гранулированных доменных шлаках только в цементной промышленности удовлетворена менее чем наполовину.

Представленные на рис. 1 и 2 структуры производства и потребления доменных шлаков в странах Евросоюза и России показывают совершенно разные подходы к утилизации шлаков, как, впрочем, и отношение к проблемам вовлечения в народно-хозяйственный оборот всех вторичных ресурсов. В 50-60-е годы прошлого века отраслевыми институтами Минчермета СССР и Минстройматерилов СССР была доказана возможность эффективного использования доменных шлаков в производстве цемента и начато широкое внедрение результатов исследования в цементной промышленности гранулированных доменных шлаков, а в последствии — и других видов шлаков, которые использовались в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Объемы переработки граншлаков в цементной промышленности Российской Федерации за последние 25 лет характеризуются следующими показателями:

Не имея достаточного сбыта граншлаков по указанным выше причинам, ряд металлургических предприятий снизили в последние годы объемы их производства. В настоящее время ресурсы выпуска шлаков на ведущих предприятиях России представлены в таблице 2. Сложилась ситуация, когда при увеличенном спросе на цемент его удовлетворение будет возможным преимущественно за счет строительства на металлургических заводах новых установок по придоменной грануляции.

Однако, организация увеличения производства гранулированных доменных шлаков при существующей российской законопроектной базе по использованию вторичных ресурсов маловероятна. Пока практически единственным стимулом в решении таких проблем является получение прибыли, а она зачастую невелика (по сравнению с прибылью от основной деятельности). По этой причине утилизация промотходов производится в основном методом захоронения и санкционирования свалок. По данным Минпрмонауки РФ уровень использования промышленных отходов в России составляет 36%, а доля их использования в качестве вторичного сырья в производстве промышленной продукции не превышает 11%. Основными причинами такого положения Минпромнаука РФ считает:

отсутствие экономических условий для сбора и рентабельной переработки значительной массы отходов;

несовершенство правовой базы и государственного регулирования в вопросах утилизации отходов.

Совершенно другие подходы к этим проблемам показывает зарубежная практика. В 70-80-е годы прошлого столетия западные страны, изучив опыт СССР, разработали свои технические требования и стандарты на использование граншлаков в производстве цемента.

Исследования проводились с участием представителей металлургов — производителей шлака и вероятных его потребителей, но под кураторством государственных органов. Основываясь на результатах совместной работы, в Германии были приняты законы, согласно которым металлургические шлаки из категории отходов были переведены в разряд побочных продуктов производства. А уже в 1995 году было принято такое же решение об исключении металлургических шлаков из Европейского каталога отходов и Европейских правил обращения отходов в Европейском сообществе. При этом для каждого вида шлаков (доменного, конвертерного, электроплавильного) разработаны технические требования (начиная от обработки жидких шлаков и заканчивая технологией переработки в твердом состоянии), влияющих на их свойства и определяющих виды производственных сфер, где они с наибольшей пользой могут быть использованы.

Предприятия — производители шлаков, обеспечивающие исполнение установленных критериев качества, получают специальные сертификаты ассоциации контроля качества, после чего им разрешается ставить на отгрузочных документах соответствующий знак сертификации.

На базе немецкого исследовательского института металлургических шлаков в 2000 году была создана общеевропейская ассоциация шлаков «ЕВРОШЛАК», главной целью которой является разработка максимальной эффективности использования шлаков в производстве строительных материалов и в строительстве.

Учитывая, что в последние годы разработано высокоэффективное оборудование для размола шлаков до удельной поверхности 4000-4500 см2/г, представляется целесообразным ввод тонкомолотого шлака осуществлять преимущественно в процессе приготовления бетонов, а не в производстве цемента.

Утилизация доменных шлаков в странах Азии, Америки и Африки также развивается по пути использования их в производстве строительных материалов. Более 60% доменных шлаков гранулируется и измельчается до высокой удельной поверхности (4000-4500 см2/г) для последующего их использования при приготовлении бетонов. По данным зарубежных аналитиков производство тонкомолотых доменных шлаков в настоящее время составляет более 100 млн. тонн. При этом в большинстве случаев помол шлаков организуется при металлургических комбинатах и его стоимость составляет 75-95% от цены на цемент.

Утилизация сталеплавильных шлаков, также как и в России затруднена из-за значительных колебаний физико-химических свойств. В соответствии с технологическими процессами и плавильным оборудованием эти шлаки подразделяются на две основные группы: конвертерные — около 60% общего объема, и электроплавильные — около 30%. Остальные 10% — это шлаки вторичных металлургических процессов. В странах Евросоюза мартеновские печи ликвидированы полностью. Из общего объема сталеплавильных шлаков в отличие от доменных, полезно могут быть использовано 60-75%, остальные направляются в отвалы или на захоронения.

Исходя из тенденций, сложившихся в мировой практике в части экономической целесообразности максимально возможных объемов грануляции доменных шлаков и их использования преимущественно для снижения доли цемента в производстве бетона, можно прогнозировать замену расхода цемента по России в объеме 12-15%. При организации тонкого помола шлака для приготовления бетонов и использования пуццолановых и других активных минеральных добавок в цемент, этот показатель можно довести до 30-35%. Достигнуть показателей, прогнозируемых европейской ассоциацией «Еврошлак» (50% замены цемента шлаками), можно при условии увеличения объемов грануляции доменных шлаков путем восстановления выведенных из эксплуатации гранустановок или строительства новых. Окупаемость затрат на увеличение объемов грануляции шлаков составит не более 3 лет.

Шлакопортландцемент: вяжущие на основе шлаков

В начале 20 века производители чугуна начали искать возможные сферы применения доменного шлака — продукта, полученного вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава. В 1908 году компания «Карнеги Стил» начала исследование возможных областей применения доменного шлака.

В 1911 году в отчете компании «Карнеги Стил» — «Использование доменного шлака в производстве бетона» впервые обосновано говорилось о возможности использовать доменный шлак в производстве бетона.

К 1917 году стало очевидно, что шлак является ценным продуктом, и что компаниям — производителям шлака стоит объединиться для более эффективного продвижения нового продукта. В 1918 году в США была создана Национальная Шлаковая Ассоциация. В 1919 году в США существовало 14 компаний — производителей шлака, которым принадлежало 32 завода.

За все время существования человечества доменный шлак прошел путь от использования в дорожном строительстве (в качестве агрегата) в Античном Риме до ценного строительного материала с разнообразными сферами применения в наше время. Сейчас шлак находит широкое применение в строительной индустрии, включая: производство гранулированного доменного шлака, смешанного (многокомпонентного цемента), гидравлических закладок, монолитного и конструкционного бетона, асфальтобетона, гранулированного заполнителя, минеральной ваты, кровельного материала, стекла, проведения оструктуривания почвы и много другого.

Определение и описание шлака

Американское общество по испытанию материалов (ASTM C125) определяет доменный шлак как «неметаллический продукт, состоящий в основном из силикатов и алюминатов кальция, полученный вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава».

При производстве чугуна в доменную печь загружают железную руду, флюсовый камень (известняк и/или доломит) и кокс. Получаемая на выходе из печи продукция — расплавленный чугун и шлак. Шлак состоит в основном из кварца и оксидов алюминия (от железной руды) и оксидов кальция и магния (от флюсового камня).

Из печи шлак выходит в расплавленном состоянии, причем температура расплава может превышать 1480?C (2700?F). Существует четыре основных способа обработки расплавленного шлака: охлаждение воздухом, быстрое охлаждение холодной водой (вспучивание шлака), дробление и помол. При каждом из данных методов обработки получается уникальный шлаковый материал, обладающий отличительными свойствами.

Основные составляющие доменного шлака — кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 95% всего состава шлака. Остальные 15% — марганец, соединения железа и серы и следовое количество других элементов. Однако, следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав шлака не встречаются в свободной форме.

В доменном шлаке, охлажденном воздухом, оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как мелилит, мервинит, волластонит и др., которые также существуют в виде природных пород. В дробленом и молотом шлаках, данные элементы присутствуют в виде стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и смешивается.

Типичный химический состав доменного шлака, %

оксид кальция (CaO)

окись магния (MgO)

оксид железа (Fe203)

оксид марганца (MnO)

* в основном в виде сульфида кальция

Физические характеристики шлака, такие как вес, размер частиц, структурные свойства и т.д. различаются в зависимости от метода обработки расплавленного шлака. Соответственно, конечное применение обработанного шлака также различается в зависимости от метода обработки.

В последнее время в России и других странах большое внимание уделяется проблеме использования вторичных ресурсов. Одним из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов является использование их в производстве строительных материалов.

Металлургия занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. На основных технологических переделах производства черных и цветных металлов образуются побочные продукты — отходы, химико-минералогический состав и физико-механические свойства которых позволяют считать их ценным сырьем для производства строительных материалов. Основная масса отходов металлургических процессов образуется в виде шлаков.

Шлаки — продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов — топлива, руды, плавней и газовой среды. Трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как шлак. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности.

Самая ранняя попытка использования доменного шлака относится к 1589 г., когда в Германии из него отливали пушечные ядра. В строительстве шлак стали применять только в 18 веке. В Нижнем Тагиле из шлаковых расплавов начали отливать плиты для ступеней, брусчатку для дорог. В Швеции литые шлаковые камни применялись вместо кирпича для кладки верхней части шахт доменных печей.

В России и других странах отвальный шлак использовали в качестве щебня при постройке дорог. В последующие годы ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.

Для решения вопросов организации переработки шлаков, использования их, координации научных исследований и опытных работ, в Москве в 1933 г. была создана Всесоюзная контора по шлакопереработке. Во многих странах созданы специальные институты и организации, занимающиеся вопросами использования шлака в строительстве, иногда на базе металлургических заводов: в США — Национальная шлаковая ассоциация, во Франции — Техническая ассоциация по изучению и использованию доменных шлаков, в Канаде — Национальная шлаковая ассоциация, В Англии — Британская ассоциация шлака.

Организация переработки шлаков в разных странах неодинакова, что объясняется специфическими условиями каждой страны. В Англии и Германии шлаковую продукцию, получают непосредственно на металлургических заводах, в других странах шлак в жидком состоянии или частично обработанный передают компаниям и специальным фирмам по производству строительных материалов.

Необходимо отметить весьма результативные действия Национальной шлаковой ассоциации США, к заслугам которой относится создание шлакоперерабатывающей индустрии. Шлак признан минеральным сырьевым материалом.

Переработка шлака в основном осуществляется фирмами, независимыми от металлургов, и только в немногих случаях металлургические компании перерабатывают шлак для своих нужд и продают его [3]. В США, Англии, Германии, Франции воздушно охлаждаемые металлургические шлаки в основном перерабатываются на щебень, применяемый в качестве балласта при строительстве железных дорог, а также используют как заполнитель при сооружении аэродромных покрытий и автомобильных дорог.

Асфальтобетонные покрытия с применением шлакового заполнителя характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к истиранию, большим коэффициентом сцепления, отсутствием сдвиговых деформаций. Вся продукция шлакопереработки экономически выгодна. Например, шлаковый щебень в 1,5-2 раза дешевле природного и требует в 4,5 раза меньше удельных капитальных вложений. Шлаковая пемза в 3 раза дешевле керамзита и требует в 1,5 раза меньше удельных капитальных вложений.

Основным видом промышленной продукции, производимой на основе металлургических шлаков, является шлакопортландцемент. Впервые гранулированный шлак был применен как добавка при производстве цемента в Германии в 1892 г.

Шлакопортландцементы широко применяются в настоящее время во многих странах для общих строительных работ, для гидротехнических сооружений и для сборных железобетонных изделий (например, бетонные трубы). По прочности они не уступают портландцементу, но нуждаются в более тщательном уходе при повышенных и пониженных температурах.

Исторически сложилось так, что доменные гранулированные шлаки в России и некоторых европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих материалов, особенно для производства шлакопортландцемента. В США и Японии они применяются в основном для производства заполнителя.

Последнее направление позволяет вовлечь в строительный комплекс значительно большее количество шлака, чем в производство из него вяжущих веществ. Особенно эффективно производство шлакового щебня при использовании технологии придоменной переработки шлака. При этом используется та тепловая энергия, которая была аккумулирована шлаковым расплавом в процессе производства чугуна. Такая технология позволяет достичь значительную экономию топливно-энергетических ресурсов.

В последние годы наблюдается рост шлаковых отвалов вокруг металлургических заводов России. Одной из причин уменьшения использования доменных гранулированных шлаков цементной промышленностью является падение спроса на шлакопортландцемент. В этой связи приобретает большое значение расширение масштабов производства шлакового заполнителя, в том числе шлаковой пемзы, которая является заменителем керамзита, а также литого шлакового щебня для тяжелых бетонов.

Необходимо подчеркнуть, что бетоны с заполнителем из доменных гранулированных шлаков отличаются рядом преимуществ перед традиционными бетонами. Как было установлено в работах доменный шлак в составе портландцементного бетона выполняет функцию активного заполнителя, т.е. его поверхностный слой реагирует с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе алита.

При этом образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция, которые создают чрезвычайно прочную связь заполнителя с цементной матрицей, полностью исчезают капиллярные каналы, которые в результате усадки цементного камня образуются между ним и поверхностью заполнителя. Это приводит к значительному повышению коррозионной стойкости бетона с активным заполнителем по сравнению с традиционными составами в большинстве агрессивных сред, в том числе даже против такого грозного вида химической агрессии, как кислотная. Кроме того, благодаря специфической структуре и отсутствию микрозазоров на границе раздела вяжущего и заполнителя, такие бетоны обладают отличительными физико-механическими характеристиками. Именно этим обусловлено широкое применение бетонов на шлаковом заполнителе в США, Японии и других странах.

В России шлаковый заполнитель используется сравнительно редко, поэтому имеются огромные резервы расширения производства бетонов на шлаковом заполнителе, что позволит приостановить рост шлаковых отвалов в районах расположения металлургических заводов России.

Колошниковый (доменный) газ.

Очищенный колошниковый доменный газ, давно известный металлургам как энергоноситель, используется в технологии с начала 19 века, однако эффективность его использования на большинстве Российских заводов оставляет желать лучшего — ночное небо нередко озаряют факела от сжигания так называемого избытка доменного газа. Причиной этого является отсутствие буферных емкостей (газгольдеров) и невозможность гибкого регулирования содержания доменного газа в смеси. На ТЧМ эта проблема решена после пуска в эксплуатацию котла № 8, что позволило снизить потребление природного газа на 10% и существенно сократить выбросы СО2 в атмосферу.

Кроме того, в настоящее время, в связи с вступлением в действие Киотского протокола на нашем предприятии рассматривают возможность возрождения технологии использования горячих восстановительных газов (ГВГ), разработанной и внедренной в НПО «Тулачермет» в сотрудничестве с учеными МИСиС и ЦНИИЧЕРМЕТ в период 1983-1989 гг. Технология ГВГ предполагает тонкую очистку колошникового газа, отмывку его от СО2, компремирование, нагрев в шахтных воздухонагревателях и вдувание в доменную печь. Такая технология позволит значительно снизить расход доменного кокса и резко уменьшить выброс СО2 в атмосферу.

В период проведения опытно-промышленных работ по ГВГ на нашем предприятии было выплавлено 230 тыс. т чугуна, расход сухого скипового кокса удалось снизить до 360 кг/т чугуна. В последующем без госфинансирования это направление было заброшено, а оборудование демонтировано. В то же время западные металлургические концерны, такие как ARCELOR, CORUS, TISSEN и по сей день ведут разработки в этом направлении.Применение технологии доменной плавки с использованием ГВГ кроме уменьшения выбросов СО2 позволит значительно сократить расход доменного кокса, и как следствие, снизить техногенную нагрузку на недра при добыче и обогащении коксующегося угля.Такого рода технологии безусловно надо развивать и на российских метзаводах, но поскольку при их внедрении решаются народнохозяйственные задачи, металлурги (как на Западе) вправе рассчитывать на государственную поддержку при реализации такого рода программ. К сожалению, в настоящее время государство практически полностью устранилось от проблем в металлургии, хотя эта отрасль является второй после топливно-энергетического комплекса по наполнению федерального бюджета и одной из ведущих по внесению вклада в валютные поступления страны.

От работы металлургических предприятий во многом зависит социально — экономическое развитие как страны в целом, так и отдельных регионов. Кроме того, продукция российской металлургии по-прежнему остается одной из крупнейших составляющих мирового рынка металлопродукции.Не смотря на это, сейчас металлурги остались один на один со своими проблемами — отсутствует не только госфинансирование важнейших направлений развития отрасли, но и развалена отраслевая наука.В такой обстановке только крупные металлургические корпорации могут позволить себе содержать подразделения “R МК50 (10-50мм), МК250 (50-250мм) и дробленый чугун со шлакообразующими добавками (250-800мм). Металлоконцентрат фракции МК10 применяется в качестве компонента шихты в агломерационном производстве и в составе металлургических брикетов, фракций МК50, МК250 и дробленый чугун — в шихте доменного производства. Содержание железа в металлодобавке составляет от 60 до 95%.На ПДСУ доменный шлак перерабатывается на следующие строительные материалы:-щебень фракционного состава: 5-20мм, 20-40мм, 10-40мм, 40-70мм,-песок шлаковый 0-5мм; -щебеночно-песчаную смесь 0-10мм.

Номенклатура строительных изделий включает плиты бетонные тротуарные. Они выпускаются по ТУ14-127-324-2003 различной конфигурации: квадратные, фигурные, декоративные с широкой гаммой цветов в зависимости от требований потребителя, что не создает никаких ограничений при их применении по стилю.

Исходя из этого на ТЧМ еще 3 года назад большая часть возвращенного из отстойников аглодоменного шлама грузилась в ж/д вагоны и транспортировалась на цементные заводы в качестве добавки к портландцементу.Безусловно, те средства, которые удавалось получить от цементников за такую продукцию, с трудом окупали затраты на ее разработку и погрузку, а также на эксплуатацию шламового хозяйства. И это при том, что сам по себе шлам может служить полноценным заменителем некоторой части железорудной шихты при производстве агломерата (таблица 2).Химический состав шлама и железорудного концентрата

Однако, как отмечалось ранее, традиционная схема переработки шлама весьма трудоемка и затратна. С целью улучшения качества шлама, пригодного для аглопроизводства, УКР ГНТЦ «Энергосталь»(г. Харьков, Украина) была спроектирована и построена установка обезвоживания шлама (УОШ) от газоочисток доменных печей.

Пыль колошниковая и от установок аспирации.

Колошниковая пыль — давно известный металлургам материал и как вторичное сырье применяется с появлением процессов окускования, брикетирования, агломерации, производства окатышей и гранул.Ценность этого материала обусловлена близостью его химического состава составу доменной шихты, но по причине высокого содержания углерода и дисперсности он плохо окомковывается, что до поры до времени сдерживало его применение при производстве агломерата. В настоящее время металлургами в той или иной степени решены проблемы использования колошниковой пыли в составе аглошихты, хотя некоторые специалисты считают, что по указанным выше причинам значительная часть пыли не попадает в состав аглоспека, уносится с аглогазами и опять переходит в шлам.Специалистам ТЧМ удалось решить проблему окомкования таких мелкодисперсных материалов, как шлам и колошниковая пыль, применив при подготовке аглошихты к спеканию комплекс технологических мероприятий, включающий использование обоженной извести, специального диспергатора, регулирование температуры и влажности шихты.В настоящее время в составе аглошихты доля вторичных продуктов — шлама и колошниковой пыли установок аспирации — составляет 80 — 100 кг/т агломерата.

Простой расчет, а также практика ТЧМ (попытки использования шламов до 150 кг/т агломерата) показывают, что дальнейшее увеличение количества побочных продуктов в аглошихте без надлежащей технологической подготовки приводит к резкому снижению его производства, а также уменьшению прочности агломерата и, как следствие, увеличению в нем количества мелочи и повышенному пылевыделению на перегрузках.С целью решения этой проблемы в ТЧМ совместно с «ЭКОМАШГЕО» разработана и внедряется технология производства виброформованных металлургических брикетов, или по принятой ныне на Западе терминологии — «холодного агломерата».

Современные предприятия черной металлургии имеют возможность перерабатывать в собственном производстве значительную часть своих отходов (точнее — побочных). Как известно, специфические особенности технологических процессов (высокие температуры и эффективность тепломассообмена, окислительно — восстановительный потенциал и т. д.) обеспечивают новые возможности ресурсосбережения. Большинство образующихся побочных продуктов может возвращаться в технологический процесс через агломерационное и доменное производство, и доля утилизации вторичных ресурсов может достигнуть 95-98%.

В совокупности со стратегией снижения объемов образующихся выбросов и сбросов, такой подход позволит обеспечить экономию первородного сырья и топлива, и улучшить экологическую обстановку вокруг металлургических предприятий

Источник: studbooks.net