Iii экологические проблемы основных производств

«Необходимо побыстрее преодолеть традиционное заблуждение, что выбросы, загрязняющие воздух, воду, землю - неизбежное зло всех современных предприятий»

Рассмотрение экологических проблем основных производств и возможности их перехода на безотходный (чистый) путь развития начинается с производства строительных материалов по ряду причин. Прежде всего, без строительных материалов невозможно никакое строительство. Их производство имеется практически во всех регионах. Само производство строительных материалов является весьма материало- и энергоёмким и оказывает серьёзное вредное влияние на окружающую среду. Однако уже сейчас сырьевая база большинства многотоннажных строительных материалов базируется на отходах других отраслей (вскрышные породы, шлаки, фосфогипс и т.д.). Поэтому организация безотходных территориально-производственных комплексов или эко-промышленных парков (к чему мы должны стремиться), в подавляющем большинстве случаев, просто невозможна, если в их составе нет предприятий по производству строительных материалов (некуда девать отходы других отраслей, захоронение – крайняя мера).

9. Экологические проблемы производства строительных материалов

«Главная цель передовой технологии - отыскание способа производства полезного из бросового, бесполезного»

По загрязнению атмосферы пылью промышленность строительных материалов занимает первое место (34,7%) среди всех отраслей промышленности; второе место – тепловая энергетика (29,5%); третье – автотранспорт (15,8%).

С другой стороны, промышленность строительных материалов в больших масштабах и с большим эффектом использует отходы других отраслей. Так, уже сейчас в отрасли используется в год более 300 млн. т различных отходов других отраслей промышленности, что позволяет получать дополнительно значительное количество цемента, мягкой кровли, стекла, керамических изделий и других строительных материалов. Однако возможности значительно большего и высокоэффективного использования отходов вторичных и вскрышных пород гораздо шире. Так, только золошлаковых отходов ТЭЦ в нашей стране ежегодно образуется около 100 млн. т, а используется всего около 10%.

На основе зол и шлаков ТЭЦ можно выпускать более 15 видов строительных материалов. По данным ЕЭК ООН общее использование золошлаковых отходов ТЭЦ в ФРГ составляет 80%, во Франции – 65, в Великобритании – 53, в Бельгии – 44, в России – 10.

Однако необходимо отметить, что производство строительных материалов основано на точных химических законах, поэтому для изготовления многих видов строительных материалов, например, цементов, можно использовать золы (как и другие отходы) только определённых составов и фракций (в частности отобранных в циклонах и электрофильтрах при сухом золоудалении). На большинстве ТЭЦ применяется мокрое золоудаление, в результате которого зола теряет свои вяжущие свойства и не может быть использована в производстве цемента. Большое остаточное содержание топлива в золе (иногда до 20-30%) служит препятствием для изготовления ячеистых бетонов и силикатного кирпича.

В то же время эти золы крайне выгодно использовать в качестве сырьевой смеси для производства цемента, аглопорита, глиняного кирпича, поскольку в процессе обжига топливо выгорает, что способствует его меньшему общему расходу.

Этот пример показывает, что для использования отходов в других производствах они должны быть выданы в удобном для последующего использования, «товарном», облагороженном виде.

9.1. Классификация строительных материалов

К основным строительным материалам относятся:

• 
  природные каменные материалы и изделия, получаемые из горных пород путем механической обработки;
  
• 
  искусственные обожженные каменные материалы из глины: кирпич, керамические блоки, черепица, облицовочные плитки, канализационные трубы, керамзит и аглопорит, санитарно-технические изделия и т.д.;
  
• 
  минеральные вяжущие вещества: цементы, известь, гипсовые вяжущие, магнезиальные вяжущие, служащие для изготовления растворов и бетонов;
  
• 
  искусственные каменные необожженные материалы и изделия: силикатный кирпич, асбестоцементные изделия, бетонные изделия, грунтоблоки;
  
• 
  тепло- и звукоизоляционные материалы: минеральная вата, пеностекло, пеногазобетон, пенокерамика, некоторые органические теплоизоляционные материалы и т. д.;
  
• 
  битумные вяжущие вещества, гидроизоляционные и кровельные рулонные материалы (рубероид);
  
• 
  стекло, шлакоситаллы и изделия из них;
  
• 
  металлические изделия;
  
• 
  лесоматериалы;
  
• 
  краски, лаки и другие материалы.
  

Вяжущие материалы разделяются на неорганические минеральные вещества: цементы, известь, гипс и органические: битумные, дёгтевые, асфальт (применяются в дорожном строительстве, а также при гидроизоляции, кровельных и других работах) [30].

В зависимости от условий твердения вяжущие материалы делятся на две группы:

• 
  воздушные – твердеющие и сохраняющие или повышающие свою прочность только на воздухе (известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие);
  
• 
  гидравлические – твердеющие и сохраняющие или повышающие свою прочность не только на воздухе, но и в воде (цементы, гидравлическая известь, получаемые путём смешения цементов или извести с гидравлическими добавками).
  

При обработке водой негашёная известь переходит в гашёную, содержащую в основном . При гашении извести ограниченным количеством воды получается пушонка. При гашении извести большим количеством воды образуется известковое тесто или известковое молоко, которое применяют при изготовлении строительных растворов для кладки стен и штукатурки. В больших количествах известковое молоко используется для нейтрализации и очистки сточных вод. На воздухе известковые растворы постепенно твердеют с кристаллизацией в толще раствора и с образованием в поверхностном слое при взаимодействии с воздуха.

Гидравлические вяжущие материалы принадлежат к более сложным веществам, основу которых составляет смесь:

Наиболее широко применяются портландцементы. По своим свойствам портландцементы делятся на быстротвердеющие, особо быстротвердеющие, высокопрочные, пластифицированные, гидрофобные, сульфатостойкие, белые и цветные, тампонажные, дорожные и для асбестоцементных изделий. Портландцемент получают тонким помолом клинкера, образующегося в результате обжига до спекания искусственной смеси, в составе которой преобладают силикаты кальция (70-80%).

Например,обозначаются как , , и .

• 
  коэффициентом насыщения (КН), %;
  

Коэффициент насыщения представляет собой отношение количества оксида кальция, оставшегося после полного насыщения им глинозёма, оксида железа и серного ангидрида соответственно до , и к тому количеству оксида кальция, которое необходимо для полного насыщения кремнезема до .

Величина КН обычно выражается формулой:

Низкий коэффициент насыщения вызывает более медленное твердение вследствие повышенного содержания и пониженного . Поэтому необходимо стремиться к более высокому КН, но при одном непременном условии, чтобы оксид кальция полностью связывался в составляющие клинкер соединения. Для портландцемента КН = 0,8-0,95 %;

• 
  силикатным или кремнеземистым модулем (n);
  

Для портландцемента n = 1,7-3,5.

Величина n определяет относительное содержание минералов-силикатов (и) и минералов-плавней () и выражается формулой:

Цементы с высоким силикатным модулем медленно схватываются и твердеют, но с течением времени прочность их возрастает и через длительные сроки оказывается весьма высокой. Повышение силикатного модуля увеличивает стойкость цементов в минерализованных водах, но высокий n затрудняет спекание портландцементного клинкера. Низкий же силикатный модуль вызывает затруднения при обжиге из-за легкоплавкости сырьевой смеси, сваривания её в куски и возможности образования на футеровке печи толстого слоя колец (навара), затрудняющего перемещение клинкера вдоль печи;

• 
  глинозёмным или алюминатным модулем (Р);
  

Существует два основных способа производства цемента: мокрый и сухой. Производство цемента в основном состоит из следующих операций:

• 
  добыча сырья;
  
• 
  приготовление сырьевой смеси (дробление исходных материалов, помол и гомогенизация смеси);
  
• 
  обжиг сырьевой смеси;
  
• 
  помол обожженного продукта в тонкий порошок.
  

Рис.9.1. Схема производства портландцемента по мокрому способу:

По сухому способу сырьевые материалы предварительно высушивают, а затем измельчают. Полученный тонкий порошок называют сырьевой мукой.

Сухой способ производства целесообразен при сырье с относительно меньшей влажностью и более однородным составом. Он же практикуется в случае, когда в сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей. Расход топлива при сухом способе во вращающихся печах горазда меньше, чем при мокром. Поэтому доля сухого способа в производстве цемента возрастает.

Сырьём для цемента служат природные материалы (гипсовые, известковые, глинистые, мергелистые, магнезиальные, высокоглинозёмистые, кремнезёмистые породы и др.) и промышленные отходы (шлаки, золы, нефелиновый шлам и др.). Регулирование свойств цемента производится при помощи добавок: активных (гидравлических), наполнительных, ускоряющих или замедляющих схватывание, ускоряющих твердение, поверхностно-активных, пеногазообразующих, повышающих кислото- и жаропрочность, и др. Для ускорения обжига клинкера применяют фториды щелочных и щелочноземельных металлов (чаще всего ), соли кремнефтористоводородной кислоты, сернокислый и хлористый кальций и др.

Обжиг сырьевой смеси ведётся при 1450°С во вращающихся и шахтных печах, в которых сырьевая смесь превращается в клинкер. Наиболее часто применяются вращающиеся печи, представляющие собой наклонный (под углом 3-4° к горизонту) вращающийся стальной барабан, в загрузочную часть которого подаётся сырьевая смесь, а со стороны выгрузочной части (головки) печи через форсунки подаётся топливо. Внутри барабан выложен огнеупорной футеровкой. Скорость вращения печи 0,5-1 об/мин. Поступивший в печь материал движется по направлению к головке печи, по пути подвергается обжигу и поступает в холодильник. Материал при обжиге заполняет от 7 до 15% пространства печи. Топочные газы движутся вдоль барабана навстречу обжигаемому материалу, проходят пылеулавливающее устройство и выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Длина вращающейся печи колеблется от 60 до 185 м, диаметр от 2,2 до 5 м. Производительность печей 10-75 т/ч.

Сырьевая смесь в печи сначала высушивается (зона сушки) и нагревается до 500-600°С (зона подогрева). При этом выгорают органические вещества и дегидратируются глинистые материалы. При дальнейшем повышении температуры разлагается и образующийся СаО начинает реагировать с составными частями глины (). Процесс разложения с большой скоростью протекает при 900-1200°С (зона кальцинирования). При 1200-1300°С реакция в твёрдом состоянии между СаО и другими оксидами ускоряется и сопровождается выделением тепла (экзотермическая зона). При обжиге в клинкере появляются: , , , , , СаО, MgO и ряд других соединений. При температуре около 1450°С обжигаемый материал частично плавится, возникает жидкая фаза и материал спекается (зона спекания). Большая часть переходит в . При дальнейшем продвижении материала в печи он охлаждается до 1000-1200°С (зона охлаждения) и поступает в холодильник. После обжига охлаждённый в холодильнике клинкер направляется в клинкерный склад, затем дробится и измельчается совместно с гипсом и другими добавками.

На качество портландцемента сильно влияет его гранулометрический состав. Увеличение степени дисперсности цемента даёт положительный эффект только до определённого предела. Удельная поверхность обычного портландцемента без добавок составляет 5000-6000 см²/г.

Полученный цемент пневмотранспортом направляется в железобетонные башни цилиндрической формы (силосы), откуда часть цемента поступает на расфасовку в бумажные мешки, а другая часть отправляется навалом в специальные цементовозы.
9.4. Шлакопортландцемент
Для получения шлаковых цементов, наиболее распространенным из которых является шлакопортландцемент, в сырьевую смесь вводят различные гранулированные шлаки, в основном доменные и электротермофосфорные (до 30-60%).

Шлакопортландцемент получают путём совместного помола портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака или тщательным смешением в сухом виде тех же раздельно измельчённых материалов.

Большим достижением науки в области химии цемента является разработка технологии и организация производства особо быстротвердеющего шлакопортландцемента. Этот цемент, обладающий особыми свойствами, может успешно применяться в гидротехническом, автодорожном и аэродромном строительстве вследствие высокой антикоррозионной стойкости и повышенной текучести, что уменьшает усадочные напряжения и склонность бетона к растрескиванию.

Главным преимуществом шлакопортландцемента, кроме высоких строительно-технических свойств, является реальная экономия при его производстве клинкера и топлива. Использование одной тонны доменного гранулированного шлака экономит 600-700 кг клинкера. При производстве шлакопортландцемента в среднем экономится 30-40% топлива по сравнению с обычным цементом.

Использование доменных шлаков для производства цемента выгодно и металлургам, продающим эти многотоннажные отходы. К этому надо добавить ещё экологические преимущества за счёт уменьшения добычи сырья и отсутствия свалок для шлака со всеми вытекающими отсюда последствиями.


9.5. Строительная керамика
Строительной керамикой называются керамические материалы, применяемые для строительства зданий и различных сооружений [31]. По назначению изделия строительной керамики делятся на:

• 
  стеновые изделия (кирпич, керамические камни и панели из них);
  
• 
  фасадные или облицовочные (лицевой кирпич, плитки различного вида);
  
• 
  кровельные (черепица);
  
• 
  канализационные и дренажные трубы;
  
• 
  керамические заполнители для бетонов (керамзит, аглопорит);
  
• 
  санитарно-технические изделия (умывальные столы, ванны, унитазы).
  

Особенностью строительной керамики является широкое использование повсеместно распространённых в природе легкоплавких и частично тугоплавких глин, сравнительно грубая переработка масс и обжиг изделий при относительно низких температурах, порядка 900-1100°С.

В последние годы в производстве строительной керамики широко используются отходы горнодобывающих отраслей (угледобычи, золы ТЭЦ и другие отходы). В широких масштабах проведены опытно-промышленные испытания использования различных отходов для производства кирпича, пустотелого керамического камня, панелей с высокими экономическими и экологическими показателями. Однако широкому промышленному внедрению этих разработок в значительной мере мешает инертность и обычная бюрократическая волокита.

За последние годы построено много новых крупных полностью механизированных заводов по производству кирпича, фасадных и облицовочных изделий, лёгких керамических заполнителей для бетонов. Созданы мощные перерабатывающие и формирующие механизмы. Современные заводы оснащены высокопроизводительными туннельными печами.

Большие изменения произошли и в самой технологии переработки и обжига изделий. Широко применяется вакуумная переработка масс, сушка в распылительных сушилках. Введены в широкую промышленную практику сушка и обжиг в скоростном режиме. Созданы поточно-механизированные линии по производству плиток, труб, фасонной керамики. В больших масштабах на заводах строительной керамики стали применять автоматический контроль и регулирование механических и тепловых процессов.
9.6. Кирпич
Основным видом стеновой керамики является кирпич глиняный обыкновенный (красный), имеющий форму параллелепипеда размером 250-120-65мм. С целью снижения объемного веса кладки и улучшения теплоизоляционных свойств разработаны различные разновидности кирпича, в том числе дырчатый, пористо-дырчатый, полуторный, пустотелые камни, по размерам кратные обычному кирпичу.

Кирпич изготовляют из глины с отощающими добавками (например, песок, шлак, гидратированная глина) или без них посредством формовки, сушки и обжига. Общая технологическая схема производства кирпича по «мокрому» или «пластичному» способу представлена на рис.9.2 и включает следующие этапы:

• 
  добычу глины в карьере и транспортировку её на кирпичный завод;
  
• 
  подготовку глины путём предварительного разрыхления и перемешивания с водой, отощающими и выгорающими добавками и нагревания паром. Выгорающие добавки (древесные опилки, уголь, шлак с остатками топлива и др.) придают изделию повышенную пористость, улучшают теплозащитные свойства и морозостойкость;
  
• 
  формовку сырца с помощью ленточного пресса, из мундштука которого глиняная масса с влажностью (17-35%) выходит в виде ленты и затем разрезается на автоматическом резальном аппарате;
  
• 
  сушку сырца в камерных или туннельных сушках;
  
• 
  обжиг при 900-1100°С преимущественно в туннельных печах.
  

Обжиг кирпича имеет свои особенности, поскольку скорость нагревания и охлаждения существенно влияет на его качество. В период нагрева до 100-150°С, когда происходит интенсивное выделение остаточной влаги сырца, возможно образование трещин и даже разрушение сырца. Далее скорость повышения температуры может быть увеличена вплоть до достижения конечной температуры, при которой требуется несколько часов, чтобы в изделии завершился процесс спекания и усадки. При охлаждении кирпича наиболее опасным является период прохождения температуры 500-600°С, при котором происходят объёмные изменения кварца, почти всегда присутствующего в глинах. Общая длительность обжига составляет 20-48 ч и зависит как от особенностей глин, так и от конструкции печи.

8 – резательный аппарат; 9 – сушила; 10 – туннельная печь; 11 – сырец.

На новых заводах используется исключительно туннельные печи, позволяющие полностью механизировать загрузку и выгрузку сырца и кирпича, улучшить контроль и регулирование процесса и уменьшить расход топлива (благодаря более полному использованию тепла топочных газов).

Туннельная печь представляет собой сплошной канал, в котором обжигаемые изделия передвигаются на вагонетках. В печи имеются три зоны: подогрева, обжига и охлаждения. В зону обжига вводят горячие топочные газы или же газообразное и жидкое топливо, сжигаемое непосредственно в рабочем пространстве. Иногда обогрев происходит через стенку.

Туннельная печь работает следующим образом. Обжигаемые изделия поступают на вагонетках в зону нагрева. Платформы вагонеток плотно прилегают друг к другу, образуя сплошной под (нижняя часть) печи. Продольные края вагонеток имеют щитки, которые продвигаются по песочному затвору, расположенному по обеим сторонам рельсового пути. Таким образом, оси, колеса вагонеток и рельсы защищены от действия высокой температуры, развиваемой в печи. По истечении определённого времени (0,5-3 ч) цепь вагонеток проталкивается вперёд на расстояние, равное длине одной вагонетки. При этом вначале зоны освобождается место для новой вагонетки, а из зоны охлаждения выходит вагонетка с обожжёнными изделиями.

Другим широко распространенным видом кирпича является силикатный, который формуется из смеси кварцевого песка и гашёной извести под давлением до 200 кг/см² с последующим отвердеванием под действием пара (при 175°С и давлении 8 атм) в автоклавах. Силикатный кирпич широко применяется для несущих стен и столбов. Для кладки печей и труб силикатный кирпич не применяется, так как при температуре 500°С его прочность снижается. Не применяется он и для кладки фундаментов и цоколей из-за невысокой водостойкости. Силикатный кирпич дешевле красного, почему он и широко используется для кладки стен зданий. Однако отходы при его производстве практически не применяются.
9.7. Черепица
Черепица является керамическим материалом для покрытия скатов и коньков крыш. Благодаря своим низким эксплуатационным расходам, красивому и нарядному виду во многих районах нашей страны и за рубежом черепица долгое время являлась основным кровельным материалом и в настоящее время, её используют в больших количествах, как в сельском, так и в городском жилищном и промышленном строительстве.

Широко применяется черепица следующих типов:

• 
  пазовая штампованная с одинарным или двойным боковым и поперечным закроями и с двумя шипами;
  
• 
  пазовая ленточная с одинарным или двойным боковым закроем с одним или двумя шипами;
  
• 
  плоская ленточная с одним или двумя шипами;
  
• 
  коньковая (желобчатая) с одинарным закроем для перекрытия коньков крыш.
  

На Палемонасском керамическом заводе (г. Каунас, Литва) впервые в мировой практике освоено производство черепицы с добавкой шламов от очистки сточных вод гальванических производств, в основном состоящих из гидрооксидов железа и содержащих в небольших количествах хром, медь, цинк, олово и другие металлы. Черепица при этом получается более высокого качества (за счет железа). Однако самое главное – это то, что высокотоксичные шламы гальванических производств переводятся в безвредную форму (оксиды, силикаты, алюминаты, ферриты и т.д., практически не растворимые в воде), т.е. решается важнейшая экологическая задача защиты окружающей среды от тяжелых металлов.

Технология керамзита состоит из следующих основных операций:

• 
  подготовки сырья;
  
• 
  приготовления гранул и подготовки их к обжигу;
  
• 
  обжига и охлаждения гранул;
  
• 
  рассева материала на фракции с дроблением крупных кусков до требуемого размера.
  

• 
  дегидратация;
  
• 
  выгорание органических добавок;
  
• 
  диссоциация;
  
• 
  взаимодействие между компонентами глины;
  
• 
  реакции окисления и восстановления и другие процессы;
  
• 
  образование расплава и размягчение материала.
  

В настоящее время проведены успешные испытания использования нерегенерируемых масел и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ или эмульсол), широко применяемых в машиностроении и являющихся многотоннажными токсичными отходами, для производства керамзита. Полезно используются отходы машиностроительных производств и, соответственно, уменьшается загрязнение сточных вод этими продуктами.

Технологическая схема производства аглопорита состоит из:

• 
  подготовки шихты необходимой газопроницаемости;
  
• 
  загрузки шихты на решётку агломерационной машины;
  
• 
  термической обработки шихты при 1400-1700^оС за счет сжигания топлива (специально введённого или имеющегося в шихте) с поверхности при одновременном просасывании воздуха сверху вниз;
  
• 
  охлаждения получаемого бруса или гранул;
  
• 
  дробления охлаждённого продукта;
  
• 
  сортировки аглопорита по фракциям.
  

Технологическая схема поточного производства санитарно-технических изделий значительно сложнее, чем получение кирпича, черепицы, керамзита и аглопорита. В качестве сырья для фаянсовых и полуфарфоровых изделий применяют огнеупорные глины (20-30%), каолины (25-32%), кварцевый песок (25-30%), обожженный бой изделий (6-16%), плавни (до 20%).

В полуфарфоровые массы для лучшего спекания материала вводят большое количество плавней (легкоплавкие материалы). Формуют изделия на конвейерах методом литья водных суспензий (шликера) в гипсовые формы с последующими сушкой полуфабриката, нанесением глазури и обжигом при 1240-1280^оС. В состав глазури входят кварц, полевой шпат, мел, мрамор, доломит, сода, поташ, бура, соединения свинца и бария. При обжиге глазурь образует на поверхности изделия тонкий стекловидный слой, повышающий технические и декоративные качества изделий.

9.9. Стекло
Стекло – вещество, полученное при остывании расплава в виде изотропного, хрупкого, прозрачного или просвечивающегося тела. В отличие от кристаллических плит, плавящихся при нагревании, стекло при повышении температуры постепенно размягчается вплоть до образования расплава, при этом постепенно изменяются свойства стекла. Переход стекла из жидкого состояния в твёрдое – обратимый процесс. Затвердевшее стекло, будучи переохлаждённой системой, находится в состоянии неустойчивого равновесия и при определённых температурных условиях может закристаллизоваться [32].

Количество сортов стёкол (по химическому составу) исчисляется сотнями. Стекло всё шире применяется в качестве строительного материала. Часто применяются стеклянные блоки, обладающие комплексом ценных для строительного материала свойств: малым объёмным весом, высокой прочностью, высокими тепло- и звукоизоляционными качествами. Большие перспективы открываются перед новыми материалами – так называемыми стеклопластиками, в которых стекловолокно и стеклянные плёнки сочетаются с различными связующими органическими материалами. Стеклопластики в ряде случаев не уступают, по прочности, стали и в то же время легче её более чем в 4 раза. Из стеклопластиков изготавливают корпуса кораблей, кузова автомобилей, цистерны, строительные детали (в том числе и прозрачные), разнообразные детали машин и т.д. Стеклопластики заменяют дерево, цветные и чёрные металлы. Стеклопластики по своим свойствам часто превосходят эти материалы, именно поэтому их нередко называют незаменимыми заменителями.

Каждый знает, что основным недостатком стекла является его хрупкость. Однако уже сейчас достигнуты поразительные успехи в повышении прочности стекла. Методами термохимического упрочнения удаётся повысить сопротивление стекла статическому изгибу до 200 кг/мм². Широко распространено производство закалённого стекла, применяемого наряду с многослойным стеклом для остекления автомашин и самолётов, в качестве «безопасного» стекла. Физические свойства стекла в основном определяются химическим составом компонентов, условиями варки стекла и последующей его термической обработкой.

Технология производства стекла включает следующие основные процессы:

• 
  подготовку сырьевых материалов;
  
• 
  смешение этих материалов и приготовление однородной шихты;
  
• 
  варку стекла;
  
• 
  формование и обжиг стекла.
  

Сырьевые материалы, применяемые в производстве стекла, делятся на главные стеклообразующие материалы (чистый кварцевый песок, сода, поташ, сульфат натрия, известняк, доломит, борная кислота или бура, фосфорная кислота или фосфаты, чистый глинозём или каолин, полевой шпат, сурик, оксид цинка и др.) и вспомогательные материалы (красители, обесцвечивающие вещества, окислители, восстановители, осветлители). В качестве красителей применяют соединения металлов (закиси кобальта и никеля, оксиды железа, хрома, марганца, меди, урана, селена, сернистый кадмий, хлорное золото и др.). Обесцвечивающими веществами являются: селен, закись кобальта, оксид марганца. В качестве окислителя в стекольную шихту вводят натриевую или калиевую селитру, мышьяковистый ангидрит, пероксид марганца. Восстановителями служат: уголь, кокс, виннокаменные соли, соединения олова. Для получения матового «молочного» стекла применяют фторсиликат натрия, а также соли фосфорной кислоты с соединениями олова. Осветлителями, т.е. материалами, облегчающими удаление из стекломассы газовых пузырьков, являются нитрат и сульфат аммония, хлорид натрия и другие.

Процесс стеклообразования начинается при 1200-1240^оС. Для шихт, содержащих кремнезём, углекислые кальций, магний и натрий, процессы, протекающие между компонентами шихты при нагревании, можно представить следующей схемой:

,

<400^оС ,

340-620^оС ,

450-700^оС ,

585-900^оС ,

912^оС полное разложение + ,

700-900^оС ,

600-920^оС ,

980-1150^оС ,

1010-1150^оС ,

Рис. 9.3 Конструкция ванной печи для формовки листового стекла:

Формование стеклянных изделий производится следующими методами:

• 
  вытягиванием (листовое оконное и трубчатое стекло);
  
• 
  прокаткой (толстое зеркальное листовое стекло);
  
• 
  прессованием (плитка, изоляторы, стаканы, вазы);
  
• 
  выдуванием (бутылки, склянки, плафоны);
  
• 
  прессовыдуванием (консервная тара, осветительная арматура).
  

В зависимости от состава стекла, типа катализатора и режима термической обработки из одного и того же состава стекла можно получить ситаллы с различными кристаллическими фазами, а, следовательно, и с различными заранее заданными свойствами. Ситаллы могут быть также получены из расплава стёкол на основе огненно-жидких и металлургических шлаков.

Разработка теоретических основ синтеза и промышленной технологии нового класса стеклокристаллических материалов – шлакоситаллов явилась одним из крупных достижений в области химической технологии строительных материалов. Учённые МХТИ им. Д.И. Менделеева, НИИ Автостекло и Государственного института стекла совместно с работниками Константиновского завода «Автостекло» впервые в мировой практике разработали технологию и в короткие сроки внедрили в промышленном масштабе производство листового шлакоситалла (методом непрерывного проката) и прессованных шлакоситалловых плиток.

Составы шлаковых стёкол определяются видом используемого шлака. Пределы изменения химического состава стёкол, предназначенных для получения шлакоситаллов, сравнительно невелики. Основной корректирующей добавкой в большинстве случаев является обычный песок. В зависимости от вида шлака стекла могут принадлежать к системам:

• 
  (константиновский шлак от производства чугуна);
  
• 
  (высокомагнезиальные шлаки Урала и Сибири);
  
• 
  (топливные шлаки и золы).
  

Благодаря специальным добавкам шлакоситаллы можно получать чёрного, белого, голубого и других цветов. Прочность шлакоситаллов на изгиб достигает 2500 кг/см². Шлакоситаллы обладают исключительно высокой износоустойчивостью, а также химической и термической стойкостью.

Хорошие физико-механические и физико-химические свойства шлакоситалла, и в первую очередь его износостойкость и химическая устойчивость, в сочетании с декоративностью делают шлакоситаллы ценнейшим строительным материалом для объектов культурно-бытового и промышленного назначения. Только в Москве шлакоситалл нашёл применение при строительстве таких известных объектов, как павильон «Металлургия» ВВЦ, аэропорт «Шереметьево», универмаг «Москва», центральный городской аэровокзал и т.д.
9.11. Экологические проблемы производства строительных материалов
Одна из основных экологических проблем производства строительных материалов связана с громадными объёмами производства, добычей и переработкой свыше 2 млрд. т природных материалов. С этим связано широкомасштабное отчуждение, нарушение и загрязнение сельскохозяйственных угодий, поскольку сырье для строительных материалов для уменьшения транспортных расходов, как правило, добывается как можно ближе к району строительства. А районы интенсивного строительства – это густонаселенные районы, удоб­ные для выращивания сельскохозяйственных культур. Один из путей решения проблемы заключается в рекультивации нарушенных земель, устройстве прудов на месте карьеров и их использование для куль­турных целей, рыборазведения и т.д.

Генеральным же направлением является использование в каче­стве сырья для промышленности строительных материалов отходов горнодобывающих и перерабатывающих отраслей. По ориентировочным подсчётам в стране ежегодно образуется свыше 3 млрд. т горных отвалов, включающих все основные компоненты сырья, используемого в производстве стройматериалов. Находят же применение лишь 6-7%, причём большая часть – для планировки территорий, подсыпки дорог и в значительно меньшем объёме – для производства строительной керамики и других стройматериалов.

Только доменные шлаки широко использовались в производстве строительных материалов. Из 37 млн. т реализованных доменных шлаков (14 млн. т поступали в отвалы) 26 млн. т гранулировались и основная масса использовалась для производства шлакопортландцемента, 6 млн. т перерабатывалось в шлаковую пемзу, шлакоблоки, минеральную вату, щебень и другие материалы и около 5 млн. т передавалось строительным и другим организациям для непосредственного (без предварительной обработки) использования в качестве добавки к бетону, для теплоизоляционных засыпок, для устройства основания дорог, производства местного вяжущего и т.д.

По оценке научно-исследовательских институтов около 67% вскрышных пород пригодны для производства строительных материалов. Из этого количества отходов для производства щебня пригодно 30%, цемента – 24%, керамических материалов – 16% и силикатных – 10%.

В целом же промышленность строительных материалов, как никакая другая отрасль, может и должна организовать свою сырьевую базу за счёт отходов горнодобывающих и перерабатывающих отраслей народного хозяйства. А пока использование вскрышных пород КМА не превышает 8% (хотя и в этом случае экономический эффект от их реализации ежегодно увеличивается).

Другой серьёзнейшей экологической проблемой предприятий строительной индустрии является значительное пылевыделение, особенно на заводах по производству цементов. Около 20% производимого цемента выбрасывается в трубу, если не работает пылеочистка. Больше всего пыли выделяется с отходящими газами из вращающихся печей. Наряду с этим в больших количествах пыль выделяется при дроблении, сушке и помоле сырья (не только при производстве цемента, но также в производстве керамики, стекла и других строительных материалов), а также при охлаждении клинкера, при упаковке, в процессе погрузочно-разгрузочных работ на складах сырья, угля, клинкера и различных добавок.

Для снижения образования и выделения пыли, в первую очередь за счёт уменьшения неорганизованных выбросов, необходимо обеспечить полную герметизацию производственных агрегатов и транспортных средств и создать внутри аппаратов разрежение. Для уменьшения пылеобразования, кроме герметизации заводской аппаратуры, целесообразно уменьшать высоту падения пылящих материалов, увлажнять пересыпаемые и транспортируемые материалы. Все газы, отсасываемые дымососами из вращающихся печей и сушильных барабанов, а также воздух, отбираемый вентиляционными установками, направляются в пылеуловительные устройства. Здесь из них выделяется пыль, которая возвращается в производство, а очищенные газы выбрасываются в атмосферу и должны соответствовать санитарным нормам. На заводах предусматривается отсос воздуха из всех пылеобразующих агрегатов, в том числе бункеров, течек, дробилок, транспортёров и т.д. В помещениях организуется естественная и принудительная вентиляция.

В качестве пылеулавливающих аппаратов на предприятиях по производству строительных материалов применяются все основные «сухие» методы очистки запылённых газов. От их технического состояния и уровня обслуживания в основном и зависит содержание пыли в воздухе производственных помещений и в атмосфере населённых мест.

Определенную сложность представляет очистка отходящих газов различных сушильных, обжиговых и стекловарочных печей от оксидов серы, азота, соединений фтора и других вредных компонентов.

Широко разрабатываются и находят применение технологические процессы с рециркуляцией газов, например в производстве асбеста. В корпусах обогащения асбестовых комбинатов: Киембаевском, Тувинском, Джетыгаринском, Ураласбесте нашла широкое промышленное применение замкнутая безотходная система высокоэффективной очистки и рециркуляции аспирационного воздуха. Система работает следующим образом: аспирационный воздух, собранный от многих точек, проходит глубокую очистку от асбестовой пыли на рукавных тканевых фильтрах специальной конструкции, разбавляется в случае необходимости атмосферным воздухом, а затем с помощью нагнетательных вентиляторов вновь распределяется по цеховым помещениям. В процессе многократной циркуляции воздух постепенно нагревается за счёт тепла от работающего оборудования, благодаря чему в зимнее время в рабочих помещениях поддерживается комнатная температура без дополнительных затрат тепла.

По санитарным нормам концентрация асбестовой пыли в рабочей зоне производственных помещений допускается не более 0,6 мг/м³ воздуха. Это примерно в 30-40 раз ниже, чем достигается при очистке на обычных промышленных тканевых фильтрах, и в 100-200 раз ниже, чем на электрофильтрах. Для снижения содержания асбестовой пыли в очищенном воздухе в данном случае применяется принцип так называемой «автофильтрации», т.е. использование слоя самого асбестового волокна в качестве дополнительного фильтрующего агента. При этом остаточная запылённость не превышает 0,3-0,4 мг/м³. Всё это позволило резко уменьшить заболеваемость обслуживающего персонала, получить дополнительную продукцию (уловленный асбест) и экономить тепло на обогрев производственных помещений.

На предприятиях строительной индустрии используется значительное количество воды. Она расходуется непосредственно в технологических процессах, на обогащение сырья, гидромеханическую добычу и шлифовку, полировку, промывку изделий, а также на нужды котельных, пылеподавление, уборку помещений и территории и т.д. Из всего объёма воды, потребляемой промышленностью строительных материалов, 28% расходуется на технологические процессы транспортировку сырьевых материалов, охлаждение оборудования, связанные непосредственно с изготовлением продукции, 14% – на охлаждение оборудования, 42% – на промывку оборудования и обогащение сырья и 16% – на прочие нужды. Основными потребителями воды являются цементная промышленность и промышленность нерудных строительных материалов. На их долю приходится соответственно 34 и 29% воды, используемой предприятиями промышленности строительных материалов. Значительное количество воды потребляют стекольная промышленность (8%), предприятия по производству санитарно-технического оборудования и изделий (3%), асбестовых изделий (1,8%) и силикатного кирпича (1,6%).

Объём сточных вод, поступающих от предприятий промышленности строительных материалов в городскую канализацию и водоёмы, составляет около 650 млн. м³/год. В результате в водоёмы ежегодно поступает до 280 тыс. т солей, 28 тыс. т минеральных и 4 тыс. т органических веществ, высокотоксичные соединения шестивалентного хрома, фенолов, щелочей и нефтепродуктов. Такое большое количество загрязнений, сбрасываемых со сточными водами предприятий строительной индустрии, объясняется недостаточно высокой эффективностью применяемых очистных сооружений и нерациональными схемами водного хозяйства. Коэффициент водооборота в целом по отрасли составил 49%; наиболее высокий водооборот – 58% был достигнут в цементной и стекольной промышленности.

Эколого-экономические факторы привели к необходимости разработки рациональных систем водопользования на предприятиях промышленности строительных материалов, в том числе к созданию замкнутых систем водного хозяйства. Примером решения проблемы рационального использования ресурсов является разработанная НИПИОТСтромом замкнутая система промышленного водоснабжения асбестоцементного производства. Исследование образования сточных вод показало, что источником загрязнения вод этого производства является водорастворимая составляющая цемента, используемого в качестве сырья для изготовления асбестоцемента. В зависимости от состава цемента количество сульфатов и гидрооксидов калия, натрия и кальция в сточных водах колеблется от 5 до 30 кг/м³. Такая загрязнённость сточных вод в случае их повторного применения отрицательно сказывается на качестве выпускаемой продукции. Применение методов обессоливания приводит к нерентабельности повторного использования сточных вод. Замкнутая система промышленного водопользования может быть более простой и дешевой, если применять цемент с содержанием натрия и калия не более 0,1 и 0,2% (такой цемент имеется). Тогда вносимые цементом в сточные воды водорастворимые примеси полностью удаляются с товарной продукцией, не ухудшая её технологических свойств.

Препятствием для повторного использования сточных вод явля­ется также загрязнение их в значительном количестве грубодиспергированными примесями. Для достижения требуемого содержания взвешенных веществ (100мг/л) разработан метод очистки в напорных гидроциклонах. Применение этих циклонов позволяет кроме воды возвращать в технологический цикл и цемент, что сокращает потери сырья.

Большие количества сточных вод образуются в промышленности нерудных строительных материалов (например, песка, щебня). Сточные воды после промывки материалов содержат 50-160 г/л механических примесей, в том числе 48-84% песка и 16-52% пылевидных и глинистых частиц. По технологическим нормам содержание взвешенных веществ в воде, поступающей на промывку, не должно превышать 2 г/л.

Загрязнённый поток сточных вод после промывки щебня на вибрационных грохотах направляется в гидроциклоны для выделения песка, который затем обезвоживается в классификаторе и передаётся на склад готовой продукции. Верхний слив из гидроциклонов и классификатора обрабатывается коагулянтом и направляется в гидроциклоны. Осадок от гидроциклонов в количестве 10-20% от расхода очищаемых сточных вод перекачивается в шламонакопители, а осветлённая вода направляется на повторное использование.

На Овручском щебёночном заводе внедрен эффективный технологический процесс очистки, позволивший уменьшить площади хвостохранилищ в 3 раза, снизить расход свежей воды в 10 раз и сократить расход электроэнергии в 3 раза.

Замкнутые водооборотные системы разрабатываются и для других предприятий производства строительных материалов.

В целом же промышленность строительных материалов не имеет принципиальных технических и технологических препятствий для организации своей деятельности по безотходной технологии.

Контрольные вопросы

1. 
   Основные экологические проблемы производства строительных материалов.
   
2. 
   Какое отличие в технологии получения красного и силикатного кирпича и какое это имеет значение при утилизации отходов?
   
3. 
   Какие основные составляющие гидравлических вяжущих ?
   
4. 
   Какие показатели определяют свойства цемента?
   
5. 
   В чём отличие керамзита от аглопорита?
   
6. 
   Что такое «шлакоситал» и как его производят?
   
7. 
   Что такое «клинкер»?
   
8. 
   Что такое «пушонка» и «кипелка»?
   
9. 
   Расшифруйте C₃A и C₃S.
   
10. 
    Что означает (расшифруйте) C₄AF?
    
11. 
    Какие причины мешают широкому внедрению замкнутых водооборотных систем в производстве строительных материалов?
    
12. 
    Какие причины мешают широкому использованию отходов горнодобывающих отраслей для производства строительных материалов?