СЫРЬЕ, ВОДА И ЭНЕРГИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

СЫРЬЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Сырье является одним из важнейших элементов вся­кого технологического процесса. Качество сырья, его до­ступность и стоимость в значительной степени опреде­ляют основные качественные и количественные показате­ли промышленного производства.

Сырьем называют вещества природного и синтетиче­ского происхождения, используемые в производстве промышленной продукции.

По мере развития промышленности расширяется сы­рьевая база, появляются новые виды сырья, меняется само понятие «сырье». Все более возрастают возможности использования многочисленных отходов промышленных производств. Исходными материалами многих про­изводств является сырье, уже подвергшееся промышлен­ной переработке; его называют полупродуктом или по­луфабрикатом.

По агрегатному состоянию сырье делится на твер­дое, жидкое и газообразное. Наиболее распро­странено твердое сырье — уголь, торф, руды, сланцы, древесина. Наиболее распространенными видами жидкого природного сырья являются: вода, соляные рассолы, нефть;газообразного: воздух, природные и промыш­ленные газы. По составу сырье делят на органическое и неорганическое. По происхождению раз­личаютсырье минеральное, растительное и животное. Особенностью ископаемого минерального сырья по сравнению с растительным и животным являет­ся его невозобновляемость, а также неравномерность распределения по поверхности земли и ее недрам.

Минеральное сырье

Важнейшее сырье — минеральное. Оно изучается ми­нералогией — наукой, насчитывающей в настоящее время сведения почти о 2500 различных минералах, отличаю­щихся друг от друга по химическому составу, физиче­ским свойствам, кристаллической форме и прочим при­знакам.

Минеральное сырье делят на рудное, нерудное и го­рючее. Рудным минеральным сырьем называют горные породы или минеральные агрегаты, содержащие ме­таллы, которые могут быть экономически выгодно из­влечены в технически чистом виде. Нерудным (или неме­таллическим) называют все сырье, используемое в производстве химических, строительных и других неме­таллических материалов и не являющееся источником получения металлов. Однако большая часть нерудного сырья содержит металлы (например, фосфориты, апа­титы, алюмосиликаты). К горючему минеральному сы­рью относятся органические ископаемые: уголь, торф, сланцы, нефть и др., используемые как топливо или сы­рье для химической промышленности. Естественно, что основной интерес представляет сырье, которое встречает­ся в земной коре часто, в наибольших количествах, с до­статочным содержанием полезных элементов и по воз­можности однородно по составу и свойствам. Поэтому нее более расширяется переработка и применение весьма распространенных в земной коре песка, глины, известня­ка, гипса, а также воды, воздуха, природных газов, твердых и жидких горючих ископаемых.

Земная кора (99,5 %) состоит из_ж 14 химических элемен­тов: кислорода — 49,13%, кремния — 26,00, алюми­ния — 7,45, железа — 4,20, кальция — 3,25, натрия — 2,40, магния — 2,35, калия — 2,35, водорода — 1,00% и др. К наиболее применяемым в народном хозяйстве элементам относятся свинец, ртуть, бром, йод и др. Неко­торые элементы, находящиеся в достаточном количестве в земной коре, чрезвычайно рассеяны в пределах доступ­ного для разработки слоя земной коры, в то время как другие сконцентрированы в виде отдельных скоплений. Масштабы промышленного использования многих эле­ментов находятся в резком несоответствии с их распро­страненностью в земной коре. Например, титана почти в два раза больше, чем углерода в земной коре, в то вре­мя как добывается его ежегодно примерно в 10⁵ раз меньше. Однако с развитием научно-технического про­гресса в ведущих отраслях, предъявляющих повышаю­щийся спрос на редкие и рассеянные металлы, меняется народнохозяйственное значение отдельных продуктов, что сглаживает границы между основными и попутными видами сырья.

Самыми общими и распространенными видами сырья являются вода и воздух. Сухой воздух содержит: азо­та, — 78 об. %, кислорода — 21, аргона — 0,94, углекислого газа — 0,03 об. % и незначительные количества водорода и инертных газов, а также водяные пары, пыль и т. д. Кислород воздуха находит широкое применение во мно­гих отраслях промышленности: в металлургии, машино­строении, химической и топливной промышленности. Большое применение находит азот (например, в синтезе аммиака, а также для создания инертных сред во многих химических реакциях).

Советский Союз обладает значительными месторож­дениями высококачественного сырья. Благодаря трудам советских ученых В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана, Н. С. Курнакова, И. И. Губкина и других разработаны научные основы разведки, добычи и переработки раз­личных видов минерального сырья для важнейших от­раслей промышленности. СССР занимает первое место в мире по разведанным запасам угля, фосфатов, ка­лийных солей, поваренной соли, торфа, древесины, руд железа, марганца, хрома.

Рудное сырье.Промышленными металлическими ру­дами называются полезные ископаемые, содержащие один или несколько металлов в количестве и форме, до­пускающих на данном этапе развития техники их эконо­мически рациональное извлечение. Чем выше техника переработки руды, тем легче перерабатывать руду с меньшим содержанием металла. Для классификации металлических руд наиболее часто используются следующие признаки: число содержащихся в них металлов, хи­мический состав минерала и химический состав пустой породы. По числу содержащихся металлов различают рудымонометаллические (только один металл целесоо­бразен для извлечения), биметаллические (оба металла доступны для извлечения), полиметаллические (извлекает­ся свыше двух металлов). В качестве примеров мономе-кылических руд можно назвать хромовые, железные, зо­лотосодержащие и т. д.; биметаллических — медно-мо­либденовые, свинцово-цинковые; полиметаллических — алтайские колчеданные руды, содержащие свинец, цинк, медь, серебро и другие, саксонские руды, содержа­щие кобальт, никель, серебро, висмут, уран и т. д. В рудах минералы находятся в виде оксидов, сульфи­дов, арсенатов и т. д. Иногда встречаются самородные руды, в которых металл находится либо в чистом виде, либо в виде сплава с другими металлами, например, зо­лотоносные, платиновые руды.

Месторождения руд делят на два типа: коренные (первичные, в виде монолитных горных пород, рудных массивов) и рассыпные (продукты распада и разрушения коренных горных пород). Вторые хуже качеством, более рыхлые, мелкие, пылеватые. По назначению руды под­разделяются на руды черных, цветных и редких метал­лов.

Нерудное сырье. Нерудное сырье иначе называют ми­нерально-химическим; оно служит источником получения неметаллов (сера, фосфор и др.), солей, минеральных удо­брений и строительных материалов. Важнейшими вида­ми нерудного сырья являются самородная сера, апатиты, фосфориты, природные соли (калийные, мирабилит, сода, поваренная соль). К нерудному сырью относятся и ред­кие минералы промышленного значения (алмаз, графит). Источником производства строительных материалов являются горные породы различного происхождения и состава. Горные породы (минеральная масса, представ­ляющая собой либо один минерал, либо агрегат минера­лов) по происхождению бывают изверженными, оса­дочными и метаморфическими (т. е. видоизмененными). К изверженным породам относятся гранит, диабаз, ба­зальт, андезит, пемза, туф и т. д.₄ к осадочным породам —гипс, известняк, мел, глина, песок, гравий, пе­счаник. Метаморфические породы образовались в результате видоизменения горных изверженных или осадочных юрод. К ним относятся мрамор, гнейс, кварцит.

По химическому составу большинство изверженных горных пород состоит из кремнезема SiO₂ и глинозема АЬОз- Осадочные породы включают помимо этих окси­дов карбонаты кальция (известняк), магния (доломит), сульфат кальция (гипс) и т. д. Глина представляет собой очень сложную смесь тонкообломочных пород, сме­шанных с кварцем, известняком, илом.

По распространенности в земной коре первое место занимаеткремнезем, второе — глинозем. Все эти горные породы могут применяться самостоятельно в виде есте­ственных строительных материалов (мрамор, гранит, гра­вий, глина, известняк, гипс, диабаз, базальт), а также в виде сырья для производства большинства строи­тельных материалов (цемента, бетона, кирпича, фарфора, фаянса, керамики, огнеупоров) и для производства хими­ческих веществ.

Горючее минеральное сырье, топливо.Топливом назы­вают горючие органические вещества, являющиеся источ­ником тепловой энергии и сырьем для химической, ме­таллургической и других отраслей промышленности. Все топлива по агрегатному состоянию подразделяются на твердые (ископаемые угли, торф, древесина, сланцы), жидкие (нефть, нефтепродукты), газообразные (при­родный и попутный газы и т. д.). По происхождению топливо бывает естественным и искусственным, т. е. по­лученным в результате переработки естественного топли­ва или в качестве отходов различных технологических процессов (например, доменный газ). Горючие полезные ископаемые являются естественным видом топлива.

Основным показателем для топлива служит его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, ко­торое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема топлива (Дж/кг и Дж/м³). Техническая харак­теристика топлива определяется его составом. В состав всех видов топлива входит горючая (органическая масса + горючие неорганические вещества — сера, ее со­единения и т. д.) и негорючая масса (зола, влага) — бал­ласт. Органическая масса топлива состоит в основном из углерода, водорода, а также азота и кислорода. Чем больше в топливе золы, влаги, тем ниже его теплота сго­рания. Чем выше в органической массе содержание угле­рода и водорода и чем меньше кислорода и азота, тем большей теплотой сгорания характеризуется топливо.

Удельная теплота сгорания различных видов есте­ственного топлива дана в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Для исчисления общих запасов топлива различные его виды пересчитывают на так называемое условное топливо. Соответственно 1 т бурого угля принимается за 0,4 т, каменного угля — за 1,0 т, а нефти — за 1,4 т услов­ного топлива.

В одиннадцатой пятилетке предусмотрено дальнейшее улучшение использования топливно-энергетических ре­сурсов, в связи с чем намечено в 1985 г. довести добычу нефти до 620 — 645 млн. т (с газовым конденсатом), газа до 600 — 640 млрд. м³, а угля до 770 — 800 млн. т.

Широкое использование наиболее экономичных и ценных видов топлива — нефти и газа — способствует повышению эффективности производства в целом.

Понятие о добыче полезных ископаемых.Добыче по­лезных ископаемых предшествует их разведка, которая отыскивает месторождения, определяет качество и коли­чество полезного ископаемого, устанавливает основные элементы его залегания и характер окружающих пород. Чатем переходят к разработке месторождения с по­мощью горных работ, которые подразделяются на под­ъемные (шахтные) и открытые.

Подземная (шахтная) добыча полезных ископаемых начинается с проходки (т. е. выемки породы и установления ствола, креплений и т. д.) и подготови-тельных работ. Затем приступают к очистным рабочим — извлекают полезные ископаемые из месторожде­ния. Большое значение имеет механизация добычи полезных ископаемых, которая осуществляется с по­мощью горных комбайнов, врубово-навалочных и других горных машин.

Весь комплекс, производственных процессов при от­крытой добыче полезных ископаемых можно разде­лить на две группы: вскрыша (т. е. удаление пустых по­род) и выемка полезного ископаемого. Вскрышные работы более сложные, чем непосредственно добыча по­лезных ископаемых. При открытых работах себестои­мость полезных ископаемых ниже, а производительность груда значительно выше, чем при подземных работах. Для того чтобы выбрать способ добычи, необходимо оценить глубину залегания пласта, объем необходимых работ и т. д. В настоящее время на открытых разработ­ках широко применяется гидромеханизация, при которой разрушение пород, их транспортирование и укладка осу­ществляется с помощью энергии движущейся воды.

Большинство рудных полезных ископаемых добы­вается подземным (шахтным) способом. Добыча строи­тельных материалов (камня, глины, известняка) в боль­шинстве случаев осуществляется открытым способом. Добыча угля производится как подземным (шахтным), так и открытым способом (например, бурого угля), добы­ча нефти и газа — из буровых скважин. Добыча торфа осуществляется несколькими способами: фрезерным, эк­скаваторным и гидравлическим.

Высокие темпы развития народного хозяйства тре­буют значительного роста добычи полезных ископаемых. Удовлетворить постоянно растущие потребности эконо­мики в минеральном сырье можно лишь на основе совер­шенствования технологии добычи полезных ископаемых и повышения эффективности производства в горной про­мышленности. Задача наиболее полного извлечения по­лезных ископаемых из недр при добыче и при обогати­тельном переделе, а также комплексного использования сырья в сложившихся условиях развития горной промы­шленности приобрела первостепенное значение.