Technologia zastosowania wybranych odpadów z przemysłu węglowego jako substytutów energetycznych

(1)

a

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI SLĄSKIEO 1987

SeriaS ENtRGETYKA z. 97 Nr kol. 1011

Edmund K0RZ1ICH Bronisław MAŁECKI Leonard PLUTA

Jastrzębsko-Rybnickie Gwarectwo Węgłowe Główny Instytut Górnictwa, Katowice Jastrzębsko-Rybnickie Gwarectwo Węglowe

TECHNOLOGIA ZASTOSOWANIA WYBRANYCH OOPAD&W Z PRZEMYSŁU WĘGLOWEGO JAKO SUBSTYTUTÓW ENERGETYCZNYCH

Streszczenie..W referacie omówiono podstawowe kierunki utylizacji odpadów uzyskiwanych przy wydobyciu węgla kamiennego. Przeprowadzone prace i badania wykazały możliwość ich wykorzystania w procesach nieenergetycznych /roboty inżynieryjne/ i energetycznych.

Odpady powęglowe wykorzystywane jako substytuty energetyczne zostały przebadane i wprowadzone na skalę przemysłową w produkcji ceramiki czerwonej /cegła, dreny itp./, materiałów więżących /cement/ i kruszywa lekkiego.

v 1. WPROWADZENIE

Jednym z bardzo ważnych i trudnych problemów dynamicznie rozwijającego się potencjału wydobywczego kopalń Rybnickiego Okręgu Węglowego Jest zagadnienie racjonalnego zagospodarowania odpadów powstających w procesie eksploatacji górniczej i wzbogacania węgla.

Ola zilustrowania rangi zagadnienia wystarczy przytoczyć, że ilość odpadów z kopalń Rybnicko-Jaatrzębskiego Gwarectwa Węglowego wynosiła!

w 1960 r. - 3,0 min m 3 w 1970 r. - 8,2 min m3 w 1980 r. - 13,6 min m 3 w 1986 r. - 15,1 min m 3

w 1990 r. zaś przewiduje się dalszy wzrost wychodu tych odpadów do - 20,0 min m 3 .

Według stanu na dzień 1 stycznia 1970 roku odpady te zajmowały powierzchnię o k . 240 h o , w 1980 r. zaś o k . 500 ha, stanowiąc tzw. nie

użytki poprzemysłowe, które powodują dalsze zagrożenie ekologiczne dla

(2)

i tak już trudnych warunków tego regionu.

W dążeniu do kompleksowego, a zarazem najbardziej racjonalnego zagoapodi rowonia odpadów, prowadzone były liczne prace badawczo-rozpoznawcze oraz próby na skalę laboratoryjny, półtechnicznę i próby przemysłowe.

W zależności od stosowanych procesów eksploatacji górniczej i technolog;

wzbogacania węgla można wyróżnić następujące rodzaje odpadów:

- skała płonna z robót przygotowawczych,

- skała płonna wyselekcjonowana w stacji przygotowania urobku węglowego do wzbogacania,

- odpady ze wzbogacania węgla w płuczkach zawiesinowych, - odpady ze wzbogacania węgla w płuczkach oeadzarkowych, - odpady z flotacyjnego wzbogacania mułów węglowych oraz - przepalone na zwałowiskach odpady.

Każdy z ww. rodzajów odpadów posiada charakterystyczne własności fizykochemiczne i technologiczne, które były przodmiotem analiz.

Na podstawie przeprowadzonych badań oraz uzyskanych wyników i doświadcz ruchowo-eksploatacyjnych stwierdzono możliwości szerokiego zagospodaroM nia odpadów z kopalń węgla kamiennego Rybnickiego Okręgu Węglowego.

2. ZASADNICZE KIERUNKI WYKORZYSTANIA OOPAOCłW KOPALNIANYCH 2.1. Roboty inżynieryjne

Zasadniczym kierunkiem wykorzystania odpadów kopalnianych były dotychczas roboty inżynieryjne.

Aktualnie dla tych celów w kopalniach ROW-u wykorzystuje się 0,2 do 0,3 min m 3 odpadów rocznie.

Znaczną pozycję w tej grupie robót stanowię roboty drogowo i kolejowe.

Z uwagi na możliwości samozapalenia się zawartych w odpadach

kopalnianych substancji węglowych stosowanie odpadów w stanie naturalny!

- nie wypalonym, tJ . z produkcji bieżącej i ze świeżych hałd, jest ograniczone Jedynie do materiału wypełniającego.

50 E.Korzuch, Br.Małecki, L.Pluta

Technologia zastosowania wybranych 51

2.2. Podsadzanie wyrobisk górniczych

Oednym z podstawowych kierunków racjonalnego zagospodarowania odpadów kopalnianych jest również ich wykorzystanie do podsadzania wyrobisk górniczych zarówno w podsadzce pneumatycznej Jak i hydraulicznej.

Dla tych celów (wykorzystywane sę w zasadzie wszystkie rodzaje odpadów kopalnianych o uziarnieniut

- poniżej 80 mm dla podsadzki pneumatycznej,

- poniżej 40 mm dla podsadzki hydraulicznej w mieszance z piaskiem.

Użycie odpadów kopalnianych do podsadzki uwarunkowane Jest przede

wszystkim ich granulację, co wymaga rozsortowania, ewentualnego kruszenia klas powyżej 80 (40)mm, doprowadzenia przygotowanych do podsadzki odpadów do punktów załadunkowych oraz transportu do wyrobisk górniczych.

Zainstalowanie stacji przygotowania odpadów do podsadzki w niektórych kopalniach Rybnickiego Okręgu Węglowego umożliwiło zwiększenie ilości ulokowanych w podsadzce odpadów z 1,0 min ton w 1965 roku do 2,2 min ton w roku 1986.

2.3. Odpady jako surowiec do produkcji kruszyw lekkich spiekanych

Prowadzone od wielu lat na szerokę skalę badania i próby przemysłowego wykorzystania materiałów odpadowych z kopalń do produkcji poszukiwanych a deficytowych kruszyw lekkich spiekanych wykazały wysokę przydatność różnych pod względem ziarnistości i pochodzenia odpadów do tych celów.

Badania potwierdziły, Ze najbardziej wartościowe do produkcji kruszyw lekkich spiekanych sę materiały odpadowe, charakteryzujące się:

- wysokę zawartością łupków ilastych /iłowców/,

- znikomę zawartością skał syderytycznych, piaskowców, związków żelaza i obcych zanieczyszczeń,

- zawartością pierwiastka C w granicach 6-10 %, co odpowiada kaloryczno- ści od 800-1200 kcal/kg,

- możliwie niską zawartością siarki całkowitej, która w przeliczeniu na 50^ nie powinna przekraczać 3 %,

(3)

52 ił.Korzuch, Br.Małecki, L.Pluta

- stabilności? składu mineralnego i własności fizykochemicznych,

• możliwie wysokim interwałem między temperatur? mięknięcia i topliwości /200-250°C/.

Cechom tym, jak wykazała cała seria dokonanych prób, odpowiadaj?

w szczególności wszystkie prawie odpady z płuczek zawiesinowych w kopal

niach ROW-u, wykazujęce zdecydowan? przewagę /do 90 ^/ iłowców oraz wyaokopopiołowe odpady flotacyjne z kopalń produkujących wyższe typy węgla koksowego.

Oobór odpowiednich materiałów odpadowych na bazie szczegółowego rozpozm nia ich własności mineralnych i fizykochemicznych jako surowców

samodzielnych czy też Jako komponentów mieszanek surowcowych oraz określ nych technologii produkcji lekkich kruszyw spiekanych umożliwia otrzymy*

nie różnych - w zależności od potrzeb budownictwa - kruszyw o własnoścli spełniających obowięzujęce normatywne wymagania dla takich typów kruszyn jak: łupkoporyt, agloporyt, elporyt, keramzyt i inne.

Przykładowo podaje się charakterystykę kruszywa otrzymywanego z przemysł wej próby spiekania materiału odpadowego ze wzbogacania klasy ziarnowej 80-10 mm, stanowięcego surowiec samodzielny.

Po skruszeniu i zgranulowaniu materiał Jest rozsypywany na taśmie spieka niczej, a następnie poddawany procesowi spiekania w temperaturze 1100 - 1200°C.

Otrzymane kruszywo wielofrakcyjne odpowiada wymaganiom normy "ŁUPK0P0RY1 co przedstawia tabela 1.

Przeprowadzono również szereg prób otrzymywania lekkich kruszyw budowlanych stosowanych do betonów lekkich na bazie mieszanek materiałón odpadowych, których głównym składnikiem były wysokopopiołowe odpady flotacyjne /od 33-80 ';£/ * dodatkiem popiołów lotnych /20-50 % / oraz odpadów ze wzgobacania w płuczkach zawiesinowych /do 40 'ń w przypadku 3-składnikowych mieszanek/.

Analizy otrzymanych przy zastosowaniu różnych technologii przygotowania i spiekania kruszyw przedstawia tabela 2.

Tabela

Technologia zastosowania wybranych . 53

©

CD CM

O ES 00 rH rH rH

-d • • • s

i- T in CM N rH O

u . in rH O en cn

rH s

• o e ro O ' KI in

o w • * s

ir> co O rH 00 in in O

v o co N

U- rH t

E

n cn O ' O

O o • • » % B

J* rH O ' o rH CM o o O

u O 2 Lft Lfl

li. CM B

CM

•H GO

C \

O o

N ^Jd

•HO ©

rH •H

•H U C c

C a © © ©

N 5 Q oK> w

O cS HO 6

c © ^L» © O

N •H •H •H C > ©

O n c s * i 2

u © o ^*o O « o o >

jd N HA a n a e N

u. i. * ~ »M © © w o 2

M- O. o R « 3 N U

E O

TJ > © ro >• u M U 6

o W -* o N © © © X ©

JZ © U< 0 U •N Q> •M C ^©

o U © 4-r a> o» 1>'N ©

> w •H © > •H © •H 2 rH

fl ₍₀ _{CO Z} _{O N} _{O rH} *

(4)

Tabela

in tn co eH t

TJ«0 X uO a

§ O J |

3 O

O X

¿t X Ą a «-p p o *- -m aai

s §

^{• co}^O'^m ^» ^s^CD^{L. W}^t

« X .¿LM-

g s

_{r* co}

⁸

^CMⁱⁿ

cm

o w t

•* X

r M Q .

<NI

tn tn o vO O O* sH

o «•

-* X 2i>

¿d-a.

s s o o

G ' H

vO 00

tnoo oo x

L.O a

©

•#"c -U

> N

u U

O X 2

4-* c rM

H o

-H *4 r H N

C > rM X

TJ •o *U

Q Q CL

N U O TJ

O CL O O

c i

N oL.

O 0>

TJ©

rM

J*(/> o

oa a>x

©c

L.<0 n aa>*\

•H O) O _*

soo 2 «

£ 8

(V (D N C

<M eo NO -X

O c

ra

ji<D HO

•0) oe u®

■Mo a6

>•

Nl.

Wobec konieczności zastąpienia deficytowych tradycyjnych kruszyw natural

nych kruszywem sztucznym opisane możliwości wykorzystania materiałów odpadowych do produkcji lekkich kruszyw spiekanych stanowią nadal alter

natywą efektywnego rozwiązania tego zagadnienia.

2.4. Odoady jako surowce do p r o d u k d i materiałów ceramicznych

Oednym z bardziej celowych i efektywnych kierunków utylizacji odpadów kopalnianych Jast ich stosowanie w przemyśle ceramiki budowlanej.

Wykorzystanie odpadów w ceramice uwarunkowane Jest spełnieniem szczegól

nie rygorystycznych wymogów Jakościowych, które obejmują m.in.i - wysoką Jednorodność składu mineralogicznego,

- minimalną zawartość szkodliwych domieszek, a zwłaszcza siarki - poniżej 3 % w przeliczeniu na S03 oraz soli rozpuszczalnych - poniżej 0,3 J5,

- niezbędną do wyrobu kształtek plastyczność odpadów,

- niską, a przy tym stabilną zawartość części palnych wyrażającą sią w wartości opałowej.

Zużytkowanie odpadów Jako surowca podstawowego limitowane jsst w zasadzie ich wartością opałową w granicach 300-600 kcal/kg, natomiast dla odpadów Jako komponenta masy ceramicznej dopuszczalna Jast wartość opałowa powyżej 600 kcal/kg. Mimo tych uwarunkowań istnieje możliwość wykorzystania znacznych ilości odpadów do produkcji materiałów ceramicz

nych przez stonowanie specyficznych dla łupków karbońskich technologii procesu przerobu. Jak i reżimu wypalania masy ceramicznej.

Prowadzenie wymaganego i ustalonego procesu wypalania umożliwiają piece tunelowe, które pozwalają na regulacją temperatury oraz na zapobieganie tworzenia sią niepożądanych spieków czy deformacji nawet w przypadku nadmiernej zawartości substancji palnej w masie ceramicznej.

W wyniku przeprowadzonych badań okazało się, że dla zachowania wymaganej dla samodzielnego surowca wartości opałowej zachodzi koniecz

ność wyselekcjonowania z klasy ziarnowej 150 - 20 mm z odpadów z płuczki

(5)

zawiesinowej ziarn 80-20 mm, wykazujących nadmierna wartość opałowę.

Badania i próby potwierdziły możliwości szerokiego wykorzystania tych odpadów do produkcji klinkieru budowlanego klasy "350" i "250" oraz pełnej cegły klasy ”150” przy zachowaniu określonego procesu przygotowa

nia i przestrzeganiu reżimu wypału masy ceramicznej, a mianowicie:

- rozdrobnienie surowca do ziarnistości poniżej 1,2 mm, - nawilżanie masy do 17 % wilgotności,

- intensywne wymieszanie i homogenizacja masy,

- przeprowadzenie cyklu suszenia i wypału przez okres około 85 godzin, - utrzymywanie ^temperatury wypału w granicach 1060 do 1100°C.

Wykorzystanie odpadów o kaloryczności powyżej 600 kcal/kg Jako komponent masy ceramicznej uzależnione jest od jakości surowca rodzimego

/podstawowego/, przy czym udział tego komponenta winien być każdorazowo ustalony doświadczalnie.

Przeprowadzono szereg prób i doświadczeń w celu wykorzystania wysokopopl łowych odpadów flotacyjnych do produkcji materiałów ceramicznych.

Duża jednorodność mineralogiczna, drobnoziarnietość /całość poniżej 0,3t oraz plastyczność predestynują w szczególny sposób przydatność tych odpadów do produkcji materiałów ceramicznych.

Zastosowany 10-procentowy dodatek odpadów flotacyjnych do surowca rodzimego w wielu cegielniach m.in. w Tarnowskich Zakładach Ceramiki Budowlanej w Woli RzędzińakieJ pozwolił na produkcje pełnej cegły klasy "150" o następującej średniej charakterystyce:

- powierzchnia - 149 cm 2

- nacisk całkowity - 252 KN - wytrzymałość na ściskanie - 17,0 MN/m 2

- nasiękliwość - 17,1 %

Dodatek łupków ilastych okazał się cennę domieszkę do masy ceramicznej 1 pozwolił na uszlachetnienie produktów ceramicznych oraz poprawę warunków i przebiegu procesu wypału.

Dodatek ten umożliwił mianowicie:

- schudzenie masy ceramicznej i Jej wzbogacanie w AL203, - odwrażliwienie półfabrykatu na suszenie,

- zwiększenie interwału międzytemperaturowego, co pozwala na większę tolerancję procesu wypału,

- obniżenie skurczu wyrobów w trakcie suszenia i wypalania,

- uzyskanie produktów o wyższej wytrzymałości na ściskanie i mrozoodporno

ści,

- możliwość produkcji wyrobów cienkościennych oraz - obniżenie zużycia paliwa w procesie wypalania.

2.5. Odpady lako surowiec do produkcji materiałów wiażecych

W wyniku dokonanego rozpoznenia charakteru mineralnego i fizykochemicz

nego różnych materiałów odpadowych z kopalń Rybnickiego Okręgu Węglowego stwierdzono, że pewna ich część wykazuje duże podobieństwo do surowców tradycyjnie już używanych w procesie produkcji cementu.

Przeprowadzone w skali ćwierćtechnicznej, Jak i na skalę przemysłowa próby potwierdziły przydatność określonych odpadów kopalnianych do tego celu oraz możliwości otrzymywania cementu portlandzkiego marki "350", a nawet marki ”450".

Próby przemysłowe wykorzystania ściśle określonej Jakości i ilości odpadów Jako dodatku do surowca podstawowego przeprowadzono w dwóch różnych cementowniach, stosujących odmienne nieco surowce wyjściowe oraz technologie produkcji. Użycie skał wapiennych Jako podstawowego surowca

"wysokiego" /o zawartości GAC03 powyżej BO %/ do produkcji cementu poclęga za aobę zawsze konieczność domieszki surowca - materiałów ilas

tych o zawartości CAC03 poniżej 60 %, w ilościach od 10 do 30 % w zależności od składu sur-owca bazowego.

Z przebadanych w tym aspekcie odpadów sprawdzono przydatność materiałów odpadowych z kopalń ROW-u, które cechuję się stabilnością składu mineral

nego i fizykochemicznego z uwagi na charakter złoża oraz niakę i stałę

(6)

5 B E.Korzuch, Br.Małecki, L,Pluta

■*

zawartością substancji palnych dzięki stosowanej technologii wzbogacany co ma podstawowe znaczenie w procesie prawidłowego przygotowania eurowcg do produkcji cementu wysokiej Jakości.

Na podstawie dokonanych badać stwierdzono, że wymagania Jakościowe spełniają optymalnie odpady ze wzbogacenia w płuczce zawiesinowej w kla

sie ziarnowej 80-10 mm.

Wahania w składzie mineralogicznym tych odpadów są nieznaczne 1 w głów

nych składnikach przedstawiają się następująco:

- zawartość Si02 - 44 - 48 %

- zawartość Al20 3 - 21 - 23 So - zawartość Fe2°3 “ 7 - 11 56

Próby w skali ćwierćtechnicznej, wykonane na bazie surowca wapniowego z dodatkiem 14,2 - 22,2 % odpadów ziarnistych 10 - 80 mm, pozwoliły na uzyskanie klinkieru o wytrzymałości na ściskanie do 525 kQ/ca , średnio o

465 kG/cm2 .

Próby przemysłowe przeprowadzono w kilku zestawach surowcowych w cemento wniach bazujących na surowcu rodzimym przy dodatku od 10,5 - do 17,2 % odpadów w klasie 10 - 80 mm.

Wyniki tych prób potwierdziły w pełni, że własności fizykochemiczne otrzymanego z tych zestawów surowcowych klinkieru spełniają wymagania obowiązujących norm dla cementu portlandzkiego wysokiej marki ”350’',

,* 2

a średnia wytrzymałość na ściskanie wyniosła ok. 400 kG/cm , co ilustruje tabela 3.

Jak z powyższej tabeli wynika próby przemysłowe potwierdziły wysokoefektywną przydatność odpowiednio wyselekcjonowanych odpadów kopalnianych do produkcji cementu, co umożliwia praktyczne wykorzystanie liczących się ilości tych odpadów w przemyśle cementowym.

2.6. Przepalone odpady Jako surowiec do produkcji kruszywa

Bogatym źródłem kruszywa są tzw. łupki czerwone, powstałe w wyniku przepalenia odpadów na zwałach, których zasoby szacuje się na ponad 30 min m^.

Tabela

Technologia z a s t o s o w a n i a w y b r a n y c h ... 39

tD rlc J*co

•HUl '<nO CM CD G C O

■O CD

■ifl J*

rM O IJZ co o G CO N C

L.TJ

*-»>*o SS o.

00CM ^CO ^«H k> m

O H n tr>

CM CM

fs

kD ⁰⁰m

c co

•Hc o>

N CM CQ 6

c a

‘O O

•co J*

rM JZ o « co o S CO

>”-H N C t- T3

»4

> 0

2: a

ooCM ^CM ^CM

s

^co^m

Xo

•H T3N CCO u oCL

•o5

«4c oe oo

co6 U O

C

COO) cos

£ s

KI

s s

§

^m^m

in o cm *

§

CO

aN U Z

jO

•oi.

CL jO

•OU

a ⁱQ K

in Q

KI cn

t <t

CO CO

4; J* J*

U i.

<0 <0

¿S. r

(7)

60 E.Korzuch, Br.Małecki, L.Plute

Łupki te po skruszeniu i rozeortowaniu mogę być wykorzystane wieloklert kowo w zależności od u z i e m i e n i a i potrzeb.

Ciężar nasypowy kruszywa waha aię w granicach od 1000 do 1200 kg/m3 zależnie od klasy ziarnowej.

Otrzymane kruszywo jest wykorzystane dot

- produkcji betonów zwykłych w zakresie marek do "170", - budowy dróg,

- tzw. małej architektury, a w szczególności do budowy kortów, placów zabaw, alejek, bieżni itp.

Ten rodzaj odpadów stanowi również alternatywny surowiec ceramiczny zawierajęcy w sobie w wyniku dokonanego przepału substytut energetyczny dotychczas nie w pełni wykorzystany dla budownictwa.

3. POOSUMOWANIE

Na podstawia doświadczeń uzyskanych w'kopalniach Rybnickiego Okręgu Węglowego stwierdza się, że istnieję pełna możliwości wykorzystania odpadów kopalnianych dla celów nieenergetycznych i energetycznych.

1. Ola celów nieenergetycznych kierunkami tymi sę roboty inżynieryjne i podsadzanie wyrobisk górniczych jak i niwelacje terenu. W tym proti sie składnik energetyczny odpadów Jest nie wykorzystany, a w szeregi przypadkach jest nlepożędany i szkodliwy.

2. Ola celów energetycznych kierunkami tymi sęi - produkcja kruszyw lekich,

- produkcja wyrobów ceramicznych /cegła, dreny, itp./

- produkcja cementu,

w których występuje pełna możliwość wykorzystania surowca energetycz nego zawartego w odpadach, jak również wykorzystania surowca ilastsgi zawartego w odpadach powęglowych.

¡Technologia zastosowania wybranych ... 61

3. O d r ę b n y m s u r o w c e m w y n i k ł y m z p r o c e s u s k ł a d o w a n i a o d p a d ó w powęg low ych

na z w a ł a c h i ich s a m o i s t n e g o p r z e p a l e n i a się j es t łupe k c z e r w o n y ,

k t ó r y po r o z s o r t o w n n i u s t a n o w i w y s o k i e j J a k o ś c i k r u s z y w o bud o wl a ne

o o d p o w i e d n i m p o t e n c j a l e s u b s t y t u t u e n e r g e t y c z n e g o .

Wpłynęło do Redakcjis li9topad .1986 r. Recenzent

'Doc. dr hab.inż. O.Wandrasz

TECHNOLOGY OF USING OF SELECTED WASTES AS ENERGETIC SUBSTITUTES

s u * ■ • r y

The paper presents basio directions of utilization of wastes obtained during nard coal mining. Works and investigations schow a poasiblity of utilization of these wastes in non-energetic processes /engineering work/

and energetic one.

Post-mining wastes utilized as energetic substitutes war investigated and widely applied in "red ceramics" /brick, drains, and on/, binding materials /cement/ and lightwoight aggregate.

TEXHQJIOIMfl nPMMEHEHMH BUEPAHHblX OTXQflOB B yrCUlfcHCfl nFCMblBLHEHHOCTH KAK DHEPreriWECKKX C y K T M T i T O B

P e a n M e

B p e $ e p a r e npejacraB JieH H ocROBtnie n a n p a iu ie m w y r mi its s t i f f o t x o h o b , n o - jiy«iaeMHx n p * f l o d i n e y r j w . n p oB eadH H ue p a d o r n f H ccJienoB ajnw noK aaanB B03M0XH0CT& KX FCTI0J1I.3 OBaHFJI B H eBW epreTJPtftCKFX /B H xenepH H X p flriO T a x / * BHeprermtecKiix nponeceax.

yrojttHHe o t x o b h, Hcnojn.3ye»nie b KSFecTBe BHepreriraecKHx eydcTFTyroB, BccjiexoBaHU f BBenpemi b t t p o f b b q h o t b6h w o m wacmracie irpF irpoHsBOBCTBe xpa- c h oU FepaMFKF /KHpnm!,* apera * T.n./, BflzyinFx MBTopFajioB h uSiroro aanoji- HFT8JIH.