и ресурсосберегающие технологии производства строительных

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СЕВЕРО-КАВКАЗСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ГУМАНИТАРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
А.С. Багдасаров
ЭНЕРГО-И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ
ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Методические указания для самостоятельной работы
студентов, обучающихся
по направлению подготовки 27080.62 Строительство
Черкесск
2013
1
УДК 666
ББК 38.3
Б 14
Рассмотрено на заседании кафедры технологии строительного производства и строительных материалов.
Протокол № 3. от " 09 "
октября
2013 г.
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом СевКавГГТА.
Протокол № 3. от " 31 " декабря
2013 г.
Багдасаров, А.С. Энерго- и ресурсосберегающие технологии производства строительных изделий на основе отходов промышленности: методические указания для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению подготовки 27080.62 Строительство. Профиль «Промышленное и гражданское строительство» / А.С. Багдасаров. – Черкесск:
БИЦ СевКавГГТА, 2013. – 28с.
Данные методические указания содержат основные теоретические и практические
результаты научных исследований по утилизации промышленных отходов в России и зарубежом. Приводится практика утилизации промышленных отходов и эффективное направление решения данной проблемы. Предназначено для литературного обзора актуальности
проблемы для выполнения исследовательских работ при подготовке бакалавров и для ИТР
научно-исследовательских институтов и лабораторий предприятий промышленности строительных материалов, работающих в данном направлении.
УДК 666
ББК 38.3
© Багдасаров А.С., 2013
© ФГБОУ ВПО СевКавГГТА, 2013
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение…………………………………………………………………….. 4
1. Классификация отходов…………………………………………………..7
2. Пути образования промышленных отходов…………………………….12
3. Исследования по утилизации фосфогипсовых отходов в технике
и строительстве………………………………………………………………16
4. Практика утилизации фосфогипса в нашей стране и за
рубежом………………………………………………………………………22
Литература……………………………………………………………………27
3
ВВЕДЕНИЕ
Утилизация многотоннажных отходов промышленности и уменьшение экологического воздействия на окружающую среду - важнейшая задача современного материаловедения.
Одно из направлений решения данной задачи - использование отходов химических заводов,
производящих фосфорную кислоту полугидратным режимом экстракции - фосфополугидрата (ФПГ). По содержанию основного вещества (  -форма СаS04*0,5H 20) ФПГ соответствует автоклавным гипсовым вяжущим марок Г-10 - Г-19 по ГОСТ 125-79**, но из-за содержания вредных примесей практически не используется и полностью вывозится в отвал.
По данным НИУИФа в отвалах химических заводов страны накопилось около 150
млн. т фосфогипсовых отходов, что приводит к загрязнению окружающей среды, отчуждению пахотных угодий и затратам на хранение отвалов.
Утилизация фосфогипса, как сырья для производства гипсового вяжущего, а также
изделий из него без переработки в вяжущее является актуальной задачей. Следует отметить,
что проблема утилизации этого крупнотоннажного отхода весьма актуальна не только в отдельном регионе, но и в целом по стране, а также и в республиках СНГ, о чём свидетельствует "география" образования фосфогипса на химических заводах стран СНГ, приведённая по
данным НИУИФа (таблица).
Годовой выход фосфогипса и его количество в отвалах химических
заводов стран СНГ
Наименование региона и завода Годовой выход, тыс.т Количество в
сухого продукта
отвалах,
млн.т
ФГД
1
ФПГ Всего
2
3
4
5
Российская Федерация
Северо-Западный регион:
Череповецкое АО "Аммофос"
2560
1140 3700
25,4
Волховский алюминиевый завод
-
530
530
3,5
Кингисепское АООТ "Фосфорит"
I860
-
I860
20,2
АО "Воскресенские минудобрения"
940
740
1680
23,2
Балаковский химзавод
(АО "Иргыз")
1880
-
I860
11,2
Уваровский химзавод
940
-
940
10,9
Центральный регион:
4
1
2
Продолжение таблицы
4
5
3
Северо-Кавказский регион:
Краснодарский химзавод
1280
1280
7,1
Невинномысское ПО "Азот"
470
470
4,5
Лермонтовское ПО "Алмаз"
150
150
1,2
1280
1280
9,1
600
15,6
700
15,7
Уральский регион:
Мелеузовский химзавод
Красноуральский медеплавильный
завод
600
-
Среднеуральский медеплавильный
завод
700
Итого:
12080
3010
15090
147,6
Украина
3260
520
3780
33,2
Беларусь
940
150
1090
13,1
Литва
740
- 740
Узбекистан
5200
-
5200 55,2
Казахстан
1980
-
1980 22
Туркменистан
580
-
580
Всего по странам СНГ:
24780
3680
7,7
6,6
28460 285,4
Примечания: I. ФГД - фосфогипс-дигидрат (CaSO 4  2 H 2 O )
ФПГ - фосфополугидрат (CaSO 4  0,5H 2 O)
2. Все заводы, за исключением заводов Узбекистана и Туркменистана (работающих на фоссырье Каратау) работают на
Кольском апатите.
5














1. Классификация отходов
Отходы различаются:
по происхождению:
отходы производства (промышленные отходы)
отходы потребления (коммунально-бытовые)
по агрегатному состоянию:
твёрдые
жидкие
газообразные
по классу опасности (для человека и / или для окружающей природной
среды)
В Российской Федерации выделяют следующие классы опасности для окружающей природной среды:
1й — чрезвычайно опасные
2й — высоко опасные
3й — умеренно опасные
4й — малоопасные
5й — практически неопасные
В России существует Федеральный классификатор отходов, в котором каждому
виду отходов в зависимости от источника его происхождения присваивается
идентификационный код.
Отходы производства
Промышленные отходы — твёрдые, жидкие и газообразные отходы производства, полученные в результате химических, термических, механических и
других преобразований материалов природного и антропогенного происхождения.[1]
Отходы определённой продукции — неупотребимые остатки сырья и/или возникающие в ходе технологических процессов вещества и энергия, не подвергающиеся утилизации.
Часть отходов, которая может быть использована в том же производстве,
называется возвратными отходами. Сюда входят остатки сырья и других видов материальных ресурсов, образовавшиеся в процессе производства товаров
(выполнения работ, оказания услуг). Из-за частичной утраты некоторых потребительских свойств возвратные отходы могут использоваться в условиях со
сниженными требованиями к продукту, или с повышенным расходом, иногда
они не используются по прямому назначению, а лишь в подсобном производстве (например, автомобильные отработанные масла — для смазки неответственных узлов техники). При этом остатки сырья и др. материальных ценностей, которые передаются в другие подразделения в качестве полноценного сырья, в
соответствии с технологическим процессом, а также попутная продукция, получаемая в результате осуществления технологического процесса, к возвратным отходам не относятся.
6








Отходы, которые в рамках дан- ного производства не могут быть использованы, но могут применяться в других производствах, именуются вторичным сырьём.
Отходы, которые на данном этапе экономического развития перерабатывать нецелесообразно. Они образуют безвозвратные потери, их предварительно обезвреживают в случае опасности и захоранивают на спецполигонах.
Отходы потребления
Отходы потребления образуются в промышленности и в быту.
Основная статья: Твёрдые бытовые отходы
Бытовые отходы — твердые отходы, образованные в результате бытовой деятельности человека.
Законодательные акты
Нормативно-правовые документы, регламентирующие обращение с отходами в
Российской Федерации подразделяются на:
Федеральные законы, Кодексы и Постановления Правительства;
санитарные нормы и правила;
строительные нормы и правила;
стандарты и технические условия;
нормы и правила по обращению с опасными веществами и по работе на
опасных объектах.
Нормирование образования, использования и размещения отходов:
Проект нормативов образования отходов и лимитов на их размещение
Сбор, вывоз, использование, обезвреживание, размещение отходов
Сбор отходов - процесс перемещения отходов от мусорообразователя до процесса
вывоза
отходов.
методы
сбора
отходов:
1. Поквартирный - мусорообразователь с мусором подходит в установленные
часы
к
мусоровозу
и
в
его
контейнер
бросает
мусор.
Поквартирный метод менее затратный, поскольку не требует оборудованных
контейнерных площадок и контейнеров. Но в свою очередь не удобный для
мусорообразователей, т.к. мусорообразователь может воспользоваться данным
методом
сбора
в
определённое
время.
2. Контейнерный - на специально оборудованных контейнерных площадках устанавливаются контейнеры, мусорообразователи несут мусор в эти контейнеры.
Контейнерный метод, удобный для мусорообразователей, но затратный. Высокая стоимость строительства контейнерной площадки, контейнеров, а также
требуются постоянные затраты на ремонт, содержание и обслуживание контейнеров
и
площадок.
Мусорообразователь - физическое или юридическое лицо,в процессе своей
жизнедеятельности или хозяйственной деятельности образующее отходы. Мусорообразователь обременён затратами на содержание процессов сбора, вывоза
мусора
и
его
утилизации.
Вывоз - процесс перемещения отходов от места сбора до полигона бытовых
7
отходов.
Вывоз может быть двух этапным. Если
полигон находится далеко от места сбора и экономически не целесообразно
чтоб мусоровоз ездил на полигон, то как правило размещают мусороперегрузочные станции.
Обезвреживание отходов
Некоторые отходы требуют обезвреживания перед размещением на свалках,
полигонах или в отвалах. Так, отходы титанового производства, содержащие
летучий и токсичный безводный хлорид алюминия, перед вывозом обрабатывают известью.
Одни из самых объёмных промышленных отходов – это отходы углесодержащие. Нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность, угледобывающая и другие виды промышленности являются источниками опасных углеродсодержащих отходов. Для их обезвреживания используют различные методы и технологии. Современные научные разработки позволяют обезвреживать большую часть промышленных отходов, уменьшать их объем и обеспечить максимальную безопасность. Сегодня обезвреживание опасных отходов
можно провести термическими, физико-химическими, химическими и другими
способами. Так, например, при помощи методов, окислительновосстановительных реакций, реакций замещения происходит перевод различных токсичных и опасных соединений в нерастворимую форму.
Использование отходов
В ХХ веке количество отходов производства и потребления росло так быстро,
что образование отходов стало важной проблемой больших городов и крупных
производств. Наряду с большим количеством отходов стал остро вставать вопрос о нехватке природных ресурсов. Селективный сбор и последующее использование вторичных ресурсов частично помогает снизить нагрузку на окружающую среду и решить вопрос с дополнительным получением сырья.
Опасность отходов
Основная статья: Класс опасности
Опасность отходов определяется их физико-химическими свойствами, а также
условиями их хранения или размещения в окружающей среде.
Для отходов необходимо составление паспорта отходов, определение класса
опасности и лимитов на размещение отхода в окружающей среде, лимитов на
накопление на предприятии и др. документов.
Понятие «Опасные отходы» используется в следующих случаях:
если отходы содержат вредные вещества, в том числе содержащие возбудителей инфекционных болезней, токсичные, взрывоопасные и пожароопасные, с
высокой реакционной способностью, например, вызывающие коррозию, радиоактивные, отходы, представляющие опасность для здоровья людей, фауны и
флоры.
2. Пути образования промышленных отходов.
Одним из массовых видов отходов являются отходы химической про-
8
мышленности, которые относятся к гипсосодержащим отходам - фосфогипс, борогипс, хлорогипс, титаногипс и др. Наибольшее количество сульфата
кальция содержится в фосфогипсе, ежегодный прирост объёма которого в странах СНГ составляет около 30 млн. т.
Фосфогипс образуется при получении экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) на предприятиях, выпускающих фосфорные удобрения. ЭФК получают путём кислотной переработки апатитовых и фосфоритовых руд. Реакция
сернофосфорнокислотного разложения фторапатита в общем случае имеет вид:
Ca 5 ( PO4 ) 3 F  5H 2 SO 4  nH 3 PO 4  mH 2 O  (n  3) H 3 PO4  5CaSO 4  mH 2 O  HF
В зависимости от температурно-концентрационных условий процесса,
качества сырья и образующегося сульфата кальция различают следующие режимы экстракции фосфорной кислоты: одноступенчатые - дигидратный, полугидратный и ангидридный; двухступенчатые - дигидрат-полугидратный и полугидрат-дигидратный. В нашей стране нашли применение только дигидратный и
полугидратный режимы экстракции фосфорной кислоты.
При дигидратном процессе разложение сырья ведут при температуре 7080 °С, при этом образуется водный раствор ортофосфорной кислоты концентрацией 25-32 % в пересчёте на P2O5. При полугидратном процессе разложение
сырья ведут при температуре 95 -100 °С с получением водного раствора ортофосфорной кислоты концентрацией 35-50 % в пересчёте на P2O5.
Следует отметить, что по данным авторов полугидратный процесс имеет
ряд существенных преимуществ перед дигидратным:
- за счёт повышения концентрации ортофосфорной кислоты возрастает производительность оборудования в среднем на 35-40 %;
- скорость фильтрации жидкой фазы увеличивается в 1,8-2 раза, что связано с образованием крупных изотермических кристаллов полуводного гипса;
- себестоимость продукции снижается на 10-15 %.
Образующийся при полугидратном процессе попутный продукт состоит в
основном из полуводного гипса - фосфополугидрата, который отличается
меньшим по сравнению с фосфогипсом-дигидратом содержанием примесей.
В странах СНГ для производства ЭФК используют только Кольский апатитовый концентрат и рядовые Каратауские фосфориты. По данным НИУИФа
около 85 % ЭФК из апатитового концентрата производится по дигидратному
способу, около 15 % - по полугидратному. Из Каратауских фосфоритов ЭФК
производят только дигидратным способом. На I т ЭФК в пересчёте на P2O5 образуется в среднем 4,5 т фосфогипса при переработке апатитовых концентратов
и 6,3 т фосфогипса при разложении фосфоритов.
Точных данных о величине мировых отвалов фосфогипса и других видов
"химического" гипса в литературе нет. В США (г. Майами) состоялся симпозиум по проблемам фосфогипса, на котором было отмечено, что из ежегодно
образуемого в мире объёма фосфогипса 58 % складируется в шламонакопителях, 28 % сбрасывается в водоёмы и лишь 14 % утилизируется. В тоже время
9
потребность в природном гипсе в мире достигла 80-85 млн. т в год, в том числе в странах СНГ - более 14 млн. т, В ближайшем будущем потребность стран
СНГ в гипсовом камне достигнет 37 млн. т, а производство гипса в мире составит 125 млн. т в год.
По данным НИУИФа у нас в стране ежегодно образуется более 15 млн.т
фосфогипса, в том числе более 3 млн. т фосфополугидрата. География образования этих отходов в России и СНГ довольно широка (приложение 1.), что делает ФПГ реальным резервом гипсовых вяжущих в строительном производстве
и, кроме того это позволит предупредить дальнейшее загрязнение окружающей
среды.
Кроме фосфогипса в относительно небольших количествах в качестве отходов получаются в производствах: плавиковой кислоты из плавикового шпата
- фторогипс; борной кислоты - борогипс; лимонной - цитрогипс и других органических пищевых кислот. При технологической обработке целлюлозы получается гидролизный гипс; при обработке известью травильных растворов - феррогипс и в некоторых других производствах. По химическому составу фосфогипсы относительно однородны. Качество фосфогипса, как сырья промышленности строительных материалов (ПСМ), следует оценивать показателем марочности Км, который является эмпирическим коэффициентом и определяется по
формуле:
Км = [(СаО+SО3)-∑ оксидов примесей]/ (СаО+SО3)
По данному показателю фосфогипс относят к гипсовому сырью первоговторого сорта (ГОСТ 4013-82).
Вместе с тем, при использовании фосфогипса, как сырья ПСМ следует учитывать наличие в нём примесей: фтористых соединений, остатков фосфорной кислоты и др.
Многотоннажными отходами металлургической промышленности являются различные шлаки, химический состав которых идентичен природному
сырью для производства цементов. Их применяют в качестве минеральных
добавок в технологии производства цемента на основе природного сырья. По
данным ученных на основе шлаков возможно получать вяжущие для производства строительных изделий и выполнения строительных процессов и работ.
10
3. Исследования по утилизации фосфогипсовых отходов в
технике и строительстве.
Вопросам утилизации отходов химического производства уделяется большое внимание во всех развитых странах. Проведены ранее и интенсивно продолжаются научно-исследовательские и опытные работы по
различным направлениям переработки и использования фосфогипса которые доказали техническую возможность и целесообразность использования фосфогипса в народном хозяйстве, вместо традиционных видов природного сырья.
11
В мировой практике исследова- ния проблемы утилизации фосфогипса
ведутся по трём направлениям:
1. Создание новых технологических процессов и изменение условий переработки фосфатного сырья с учётом использования попутного продукта фосфогипса (комплексная переработка минерального сырья при производстве
ЭФК).
2. Поиск новых способов переработки фосфогипса, учитывающих и использующих его отличия от природного сырья.
3. Введение дополнительного технологического передела (очистки, сушки, помола, обогащения фосфогипса и др.) при использовании технологической
схемы и оборудования, применяемого при переработке природного гипсового
сырья.
По первому направлению больших успехов добились за рубежом (Япония, Бельгия). В Японии применяют полугидрат-дигидратный способ производства ЭФК, разработанный фирмой "Ниссан Хемикал". Первая установка была введена в эксплуатацию ещё в 1959 г. При этом фосфогипс получают с содержанием примесей почти на порядок ниже аналогичных показателей фосфогипса, получаемого по одноступенчатой технологии (содержание P2O5 общее
менее 0,24 %, F- менее 0,1 %). В 1965 г в Японии (фирма Централ Гласс Ко) и
Бельгии (фирма Сосьете де Прайон) была разработана дигидрат-полугидратная
технология получения ЭФК. Эта технология менее распространена в сравнении
с полугидрат-дигидратной.
В Болгарии профессором Н. Виденовым разработан и рекомендован к
внедрению дигидрат-ангидритный процесс, который предусматривает перекристаллизацию ФГД в ангидрит в растворе серной кислоты и в присутствии затравок из ангидрита и добавок ПАВ.
По вышеназванным второму и третьему направлениям утилизации фосфогипса разработано много серьёзных технических решений, позволяющих использовать его в различных отраслях народного хозяйства:
- в сельском хозяйстве;
- в цементной промышленности;
- производство гипсовых вяжущих и изделий из них;
- производство строительных изделий из фосфогипса, минуя стадию переработки его в вяжущее;
- в автодорожном строительстве;
- производство серной кислоты, удобрений и солей;
- в бумажной, лакокрасочной промышленностях.
Значительных успехов в разработке технологий переработки фосфогипса
на гипсовое вяжущее за рубежом добились в западноевропейских сранах (ФРГ,
Англии, Франции, Бельгии и др.) и Японии. Например, переработку фосфогипса на вяжущее в Великобритании начали осуществлять ещё в начале 30-х годов
прошлого столетия. Большинство разработанных технологий и методов включают отмывку и гидросепарацию фосфогипса с отделением примесей, его суш-
12
ку, дегидратацию при атмосферном давлении до 6-формы полугидрата и
помол.
Установлено, что причиной низких вяжущих свойств ФПГ является его
пониженная скорость растворения и растворимость /42/. Это объясняется образованием на поверхности кристаллов пассивирующих плёнок и изменением
кристаллохимических характеристик полугидрата в результате внедрения примесей.
Основные работы по утилизации ФПГ для получения вяжущих ведутся в
трёх направлениях:
1. Гидратация до гипса и получение качественного сырья для производства автоклавных и обжиговых вяжущих.
2. Активация с сушкой и получением вяжущих или использование во
влажном состоянии для изготовления изделий.
3. Обжиг до ангидрита с введением активаторов твердения и других добавок.
Гидратация ФПГ до гипса может происходить в виде суспензии или при
его естественной влажности. Гидратация в суспензии позволяет получить более
очищенное сырьё и соответственно вяжущее более высокого качества. Данные
зарубежных фирм также подтверждают чистоту получаемого этим способом
сырья и качество гипсового вяжущего на его основе.
Наиболее перспективным с экономической точки зрения является второе
направление утилизации ФПГ.
В 1973 г на Винницком химкомбинате П.Ф.Гордашевским и В.В. Иваницким была опробована технология вяжущего, основанная на снижении пассивирующего действия плёнок механической обработкой. ФПГ из отделения
фильтрации подавали на вальцы тонкого помола, затем в репульпатор, где он
разбавлялся водой и осуществлялась реакция нейтрализации. После фильтрования и двойной промывки ФПГ вторично подвергали обработке на вальцах тонкого помола, и далее сушили и измельчали в шаровой мельнице. По предложенной технологии необходимо поддерживать температуру материала на всех
этапах обработки не ниже 85-95 °С. В лабораторных условиях авторами было
получено вяжущее и стандартные образцы прочностью при сжатии через 1,5 ч
6,5-10 МПа. После сушки образцов до постоянной массы их прочность повышается до 35- 40 МПа.
Более простые технологии переработки ФПГ были предложены Уральским политехническим институтом. Первый вариант технологического процесса предусматривает нейтрализацию фосфорной кислоты в жидкой фазе фосфополугидрата известью, его сушку и измельчение. Полученное вяжущее имело
замедленные сроки схватывания, а изделия на его основе - низкую прочность.
Позднее авторы предложили ускорять процессы гидратации и твердения ФПГ
введением добавок-активаторов, например фторида аммония и др. Ускорение
процессов схватывания и твердения ФПГ авторы объясняют выделением коллоидного фторида кальция, частицы которого являются центрами кристаллизации двуводного гипса.
13
Исследования по третьему на- правлению переработки ФПГ (так-же и
ФГД) в ангидритовые вяжущие в нашей стране начаты более 50 лет назад.
Фосфогипс обжигали в печи длиной 8 м при температуре 600-1000 °С с введением различных добавок (извести, обожённой алунитовой породы и др.), т.е.
соединений, которые являются катализаторами твердения. Были получены
опытные партии вяжущего, которое испытано с положительными результатами
в угольных шахтах.
В соответствии с технологиями, разработанными за рубежом переработка
ФПГ связана с введением дополнительных технологических операций. В Англии, Чехии, Японии предложены способы производства вяжущего из ФПГ, которые предусматривают промывку, удаление малорастворимых и растворимых
в воде примесей при температуре 50-80 °С, нейтрализацию кислот в жидкой
фазе, сушку и помол вяжущего до дисперсности 0,3-0,7 м2/кг.
Производство строительных изделий с использованием непереработанного фосфогипса (без перевода его в вяжущее) является наиболее привлекательным и перспективным направлением утилизации фосфогипса по сравнению с другими методами его применения в промышленности строительных материалов. Научно-исследовательские работы в этом направлении начаты более
25 лет назад. За этот период разработаны и предложены к внедрению различные способы использования фосфогипса, непосредственно как сырья для производства изделий и материалов.
Был разработан и апробирован метод одностадийной технологии изготовления изделий из природного гипса и ФГД. Сущность предложенной технологии заключается в следующем. Сырьевая смесь, состоящая, как из чистого
ФГД, так и с добавлением природного двуводного гипса подсушивается, загружается в обогреваемую форму. Температура разогрева смеси 140-160 °С, в результате происходит дегидратация двуводного гипса. Выдержанная в форме
смесь через 10-15 мин подвергается охлаждению до 60-65 °С и дегидратированный гипс переходит в двуводный (происходит гидратация с оставшейся в массе кристаллизационной водой), затем следует прессование полученной гидратирующейся массы и охлаждение готовых изделий. Продолжительность технологического цикла 35-40 мин. Наилучшие прочностные свойства материала обеспечиваются при использовании композиций, состоящих из
равных частей фосфогипса и природного гипса.
Так же выполнены исследования изготовления изделий из ФГД по импульсной прессовой технологии. По разработанной технологии в ФГД для нейтрализации остатков кислот вводится известь-пушонка в количестве 5-7 %, а
при получении изделий прочностью 20 МПа и выше, дополнительно вводится
портландский цемент в количестве 8-10 %. Смесь предварительно высушивается, затем с длительностью импульса 0,01-0,055 с и давлением 100-650 МПа
происходит прессование-штампование изделий, при этом происходит саморазогревание смеси до 95-120 °С. Полученные образцы из смеси, влажностью 3 %
имели прочность при сжатии 20-25 МПа, влажность исходного сырья должна
находиться в интервале 0,5-4 %.
14
За рубежом (США, ФРГ) разра- ботаны технологии прессования изделий из жёстких гипсовых смесей. Материал получают прессованием при давлении до 52 МПа и с В/Т = 0,2-0,3.
В ЛенЗНИИЭП (С.-Петербург) разработана технология лёгких фосфогипсовых блоков плотностью 600-1100 кг/м3. Отвальный ФГД предварительно
подвергался термической или физико-химической обработке. Полученные стеновые блоки имели прочность 2,5 -10 МПа.
Кроме того, ЛенЗНИИЭПом совместно с Институтом строительной экологии РАН и ЛенНИИГипрохимом в 1990-91 гг были проведены исследовательские работы по производству стеновых изделий на основе фосфогипсовой
смеси, предварительно подвергнутой тепловой обработке. Для изготовления
стеновых камней плотностью 750-1000 кг/м3 рекомендуется вводить в фосфогипсовую смесь древесные опилки в количестве не более 15% от массы фосфогипса, воздухововлекающие (0,05-0,1 масс. %) и пластифицирующие (0,2-0,3
масс. %) добавки. Полученные стеновые блоки имели марку не менее 2,5 МПа.
Исследования по использованию фосфогипса в дорожном строительстве
проведены как в нашей стране, так и за рубежом. Так, в МАДИ проведено лабораторное исследование применения ФПГ для сооружения дорог. На основе
полученных результатов совместно с Мосавтодором построены опытные участки автомобильной дороги 1У технической категории в Московской области.
Предварительно были разработаны рекомендации по строительству и необходимая документация.
4. Практика утилизации фосфогипса в нашей стране и за рубежом
Известно, что в мире выполнено большое число исследований по утилизации фосфогипса. Несмотря на это степень использования их невелика, т.к.
большинство разработанных технологий и методов остаются не внедрёнными в
производство.
Из стран, в которых фосфогипс получают в значительных коли чествах,
15
лишь одна Япония использует его пол- ностью (около 3 млн т/год).
В странах СНГ используется только 17,4 % фосфогипса от общего количества.
В настоящее время у нас в стране основным потребителем фосфогипса
является сельское хозяйство, где используется около 80 % от всего утилизируемого количества фосфогипса. По расчётам ЦИНАО среднегодовая потребность сельского хозяйства в кальцийсодержащих химических мелиорантах составляет около 170 млн. т, в т.ч. для применения в районах солонцов и солонцеватых почв 8-10 млн. т.
За рубежом, в таких странах как США, Индия фосфогипс используется в
основном для гипсования почв. В США из общего количества гипса, используемого для этих целей, доля фосфогипса составляет 40 % . Кроме того, фосфогипсом заполняют выработанные шахты. Общий объём утилизации фосфогипса
в США не превышает 800 тыс.т/год, хотя только во Флориде уже накоплено более 200 млн.т фосфогипса.
Следует отметить, что в западноевропейских странах заводы по производству фосфорной кислоты размещены в основном на морском побережье,
вдоль рек или в их устьях, поэтому фосфогипс сбрасывают преимущественно в
воду.
Использование фосфогипса в производстве цемента в нашей стране начали ещё в 60-е годы прошлого века. В ПО "Воскресенскцемент" с 1963 г. в
сырьевую смесь вводится ФГД, служащий интенсификатором процесса обжига
клинкера. Ежегодно потребляется более 100 тыс. т ФГД, который транспортируется автосамосвалами из цеха экстракции или из отвалов воскресенского химического завода. В сырьевые мельницы ФГД подаётся в количестве, обеспечивающем содержание в сырьевой смеси до 1% SO3, т.е. 2-3 % массы сухого
шлама. В нашей стране лишь два цементных завода "Гигант" и "Воскресенский" постоянно используют фосфогипс в качестве интенсификатора процесса
обжига, и ещё на 10 заводах его применяют в смеси 1:1 с природным гипсом в
качестве регулятора сроков схватывания цементов.
Для более широкого применения фосфогипса при помоле цементов его
гранулируют. Грануляцию фосфогипса выполняют по технологии ИОНХа АН
Армении. Единственная, в настоящее время технологическая линия, производительностью 540 тыс. т в год гранулированного фосфогипса введена в строй
на Гомельском химзаводе. В процессе эксплуатации этой технологии грануляции фосфогипса были выявлены следующие недостатки:
- гранулы имеют низкую прочность и распадаются при транспортировке
и увлажнении;
- процесс технологически не стабилен;
- необходим обжиг части исходного ФГД с получением ангидритового
вяжущего, т.е. введение технологических переделов производства вяжущего со
всеми конструктивными сложностями - влажным и сухим пылеулавливанием,
введением добавок и др.;
16
- приведённые капитальные и те- кущие эксплуатационные затраты в 2
раза превышают суммарные затраты на добычу природного гипсового сырья и
складирование фосфогипса.
За рубежом (ФРГ,Франция, Япония) фосфогипс после обработки известковым молоком применяют при помоле цементов. Так, цемзаводы ФРГ употребляют для этого любое гипсовое сырьё с содержанием Р 2О5 до 0,1%. Однако,
в настоящее время в значительных количествах фосфогипс используется в этой
области только в Японии (75 % общего количества гипса, идущего на выработку цементов). По технологии японской фирмы "Ниссан Кемикал" фосфогипс,
образуемый при полугидрат-дигидратном процессе, очищается аналогично, как
и в производстве вяжущего, за исключением стадии нейтрализации, которая совмещается с гидратацией. Обжиг фосфогипса выполняется во вращающейся
печи, при этом получается смесь растворимого ангидрита и полугидрата. Потом
выполняется регидратация и грануляция фосфогипса.
Следует отметить, что в Японии в целях экономии отказались в последнее время от гранулирования фосфогипса. Его непосредственно из цехов ЭФК
автомашинами доставляют на цементные заводы для загрузки в мельницы размола клинкера. При этом утверждается, что ввиду незначительного количества
добавки (до 5 %) свободная влажность фосфогипса не затрудняет процесс размола и не ухудшает качество цементов.
В странах СНГ в больших промышленных масштабах переработка фосфогипса ведётся только лишь на АО "Воскресенские минеральные удобрения",
где с 1982 г начато освоение самого крупного в мире производства по переработке фосфогипса в высокопрочное гипсовое вяжущее. Технология, техническая документация и оборудование поставлены немецкой фирмой "БюттнерШильде-Хааз А Г" (ныне "Бабкок-БШХ"). Смонтированы три технологические
линии переработки ФГД общей проектной мощностью 360 тыс. т гипсового
вяжущего в год. На 1т получаемого вяжущего  - модификации расходуется
около 1,7 т ФГД с общей влажностью 45 %.
По данным АО "ВМУ" максимально достигнутая мощность цеха составила 270 тыс. т вяжущего в год, для чего перерабатывается 460 тыс. т ФГД. По
существующей технологии ФГД подвергается гидробаротермальной обработке
в кислой среде в присутствии регулятора кристаллизации с последующей
фильтрацией  -полугидрата, его сушкой и помолом.
Производство строительных изделий и материалов с использованием
фосфогипса непосредственно как сырья (без его предварительной подготовки
или переработки) в промышленных масштабах пока ещё не освоено. Хотя предусматривалось организовать на Гомельском ПО стройматериалов Белоруссии
производство фосфогипсовых облицовочных изделий методом прессования.
За рубежом (ФРГ) производство изделий методом прессования выполняют с использованием гипсовых вяжущих, получаемых как из природного камня, так и из фосфогипса.
В дорожном строительстве фосфогипс применялся лишь при устройстве
опытно-производственных участков. Так, по технологии Ростовского ИСИ
17
(РГСУ) были сооружены опытные уча- стки автодорог на юге страны. Такие
же опытные участки автодорог, железнодорожная насыпь и ограждающая дамба шлаконакопителя были построены в Московской области.
В 1985 г ГосдорНИИ разработал "Рекомендации по применению фосфогипса в строительстве дорожных одежд". Но широкого применения фосфогипса
в дорожном строительстве в нашей стране нет.
За рубежом (США, Франция) есть опыт сооружения дорог и площадок из
фосфогипса, но так же нет широкого применения его в этой отрасли.
Применение фосфогипса для производства серной кислоты и цемента
осуществляется в настоящее время в ФРГ, Австрии, ЮАР, Польше.
В качестве наполнителя в бумажной и лакокрасочной промышленности
фосфогипс в основном применяют в Финляндии, Франции, Нидерландах.
Из приведённого анализа практики утилизации фосфогипса в мире следует, что наиболее простой способ его утилизации - это заполнение фосфогипсом
выработанных пространств шахт, что в определённой степени обеспечит восстановление первоначальной прочности пород и исключит возможности их
сдвига под землёй. Относительно не сложно использовать фосфогипс в сельском хозяйстве и дорожном строительстве.
Применение фосфогипса в промышленности строительных материалов
сдерживается из-за высокой себестоимости получаемого продукта и необходимости применения сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того
предложенные методы, процессы и технологии требуют больших затрат энергии и тепла, по сравнению с переработкой природного гипсового сырья. Учитывая это, в заключении следует согласиться с выводами специалистов фирмы
"Кнауф", которые отмечали, что утилизация фосфогипса возможна при большой отдалённости предприятий по переработке фосфогипса от месторождений
природного сырья, при организации производства вяжущих и других изделий
на предприятии, где получают гипсосодержащие отходы (что решает проблему
транспорта и сброса сточных вод и др.).
По данным ученных одним из перспективных направлений утилизации
промышленных отходов является непосредственное применение этих отходов
в промышленности строительных материалов и изделий, без предварительной
их переработки и подготовки. Данное направление позволяет производить
многотоннажную утилизацию промышленных отходов и получать строительные материалы и изделия с улучшенными технико-экономическими показателями по сравнению с аналогичными материалами и изделиями на основе природного сырья.
18
ЛИТЕРАТУРА
1. Мирсаев, Р.Н. Фосфогипсовые отходы химической промышленности в
производстве строительных изделий/ Р.Н. Мирсаев. – М.: химия, 2004.- 176 с.
2. Долгорев, А.В. Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных материалов: Физико-химический анализ: Справочное пособие/ А.В.
Долгарев.- М.: Стройиздат, 1990. - 456 с.
3. Эвенчик, С.Д. Фосфогипс и его использование/ С.Д. Эвенчик, А.А. Новиков. - М.: Химия, 1990. - 224 с.
4. Ферронская, А.В. Долговечность гипсовых материалов, изделий и конструкций/ А.В. Феронская. - М.: Стройиздат, - 1984. - 256 с.
5. Мещеряков, Ю.Г. Гипсовые попутные промышленные продукты и их
применение в производстве строительных материалов/ Ю.Г. Мещеряков. - Л.:
Стройиздат, 1982. - 144 с.
6. Гордашевский, П.Ф. Производство гипсовых вяжущих материалов из
гипсосодержащих отходов/ П.Ф. Гордашевский, А.В. Долгорев. - М.: Стройиздат, 1987. - 105 с.
7. Меренкова, Т.М. Пути утилизации фосфогипса в капиталистических
странах/ Т.М. Меренкова, Р.А. Тихонова. - Химическая промышленность за рубежом, 1980, № 3, с. 14-31.
8. Использование фосфогипса при обжиге клинкера / Н.И.Макаров,
М.Г.Толочкова, Л.М.Болдырев и др. - Цемент, 1979, № 10, с. 17-18.
9. Эффективность применения минерализаторов в цементном производстве / В.С.Копилевич, Л.Я.Гольдштейн, Б.Б.Куэнецов, В.В. Иванов. - Цемент,
1970, № II, с. 17-18.
10. Водостойкий гранулят из фосфогипса для производства цемента /
С.В.Писарев, А.В.Волженский, В.А.Приходько, В.И.Химченко. - Строительные
материалы, 1991, № 2, с. 6-8.
19
БАГДАСАРОВ Александр Сергеевич
ЭНЕРГО-И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Методические указания
для самостоятельной работы студентов,
обучающихся по направлению подготовки 27080.62 Строительство
Профиль «Промышленное и гражданское строительство»
Печатается в редакции автора
Корректор Т.А. Кахунова
Редактор Е.В. Борисова
Сдано в набор 31.12.2013
Формат 60х84/16
Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 1.46.
Заказ № 0473.17
Тираж 100 экз.
Оригинал-макет подготовлен в Библиотечно-издательском центре
СевКавГГТА
369000, г. Черкесск, ул. Ставропольская, 36
20
21