Текст книги "Основные технологии переработки промышленных и твердых коммунальных отходов"

Глава 2
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОТХОДЫ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ

2.1. Основные источники образования и виды промышленных отходов

В табл. 3 [7] приводятся отрасли промышленности – основные источники образования отходов, процессы образования и виды промышленных отходов.

Таблица 3

Основные источники образования и виды промышленных отходов

Окончание табл. 3 Основные отраслиОсновные процессыВиды промышленностиобразования отходовпромышленных отходов

Другим источником отходов являются природные и техногенные чрезвычайные ситуации: природные – землетрясения, цунами, наводнения и др.; техногенные – аварии, взрывы, пожары и проч. Эти виды отходов наносят существенный вред окружающей среде и людям. Поэтому для снижения их отрицательного воздействия необходимы тщательный мониторинг природных и техногенных отходов и сооружений – постоянный и детальный анализ природных и техногенных источников отходов, а также практический переход на безотходные технологии и максимальную переработку существующих отходов на безналоговых предприятиях.

2.2. Основные технологии переработки промышленных отходов

Все промышленные отходы и соответствующие им технологии подразделяются на относительно экологически безопасные и экологически опасные. Поэтому для каждого вида отходов существует своя оптимальная технология.

Приступая к разработке технологий использования промышленных отходов, начинают с экологии – прежде всего определяют степень радиоактивности отходов. Затем определяют их химический, зерновой состав и объем. Только после этого определяют возможные виды продукции из них и возможных потребителей. Любая научно-исследовательская работа должна проводиться на высоком патентном уровне. Зная прототип и аналог, определяют свойства, которыми должна обладать разрабатываемая продукция.

Для достижения требуемых свойств продукции обязательно используют методы и технологии компьютерных программ искусственного интеллекта [31]. С их помощью строят математическую модель технологии ликвидации отходов: рассчитывают конкретные технологические параметры, необходимое оборудование, определяют ожидаемый эколого-технико-экономический эффект, место внедрения технологии и потребителей продукции. Только после этого приступают к физическому моделированию – изготовлению лабораторных образцов и определению их свойств, выбору оптимальных технологических параметров для достижения свойств, превышающих патентный уровень. Получив контрольные образцы, составляют заявку на патент, а затем ищут пути внедрения данного изобретения в производство, что в нынешних условиях совсем не просто [1].

Назовем современные технологии переработки промышленных отходов [7]:

– применение отходов с целью получения сырья для производства строительных материалов, использующих многотоннажные отходы других производств;

– использование отходов для рекультивации ландшафтов, планировки территорий, подсыпке дорог и др.;

– применение отходов в сельском хозяйстве в качестве удобрений или средств мелиорации;

– комплексная переработка сырья и отходов в качестве вторичных ресурсов для производства новых видов продукции по безотходным, экологически чистым технологиям;

– утилизация промышленных отходов.

Рассмотрим эти технологии более подробно.

Использование отходов для рекультивации ландшафтов. В горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых образуется большое количество пустой породы. Так, при добыче 1 т угля образуется 2–4 т вскрышных пород и около 0,5– 0,8 т отходов обогащения. При добыче 1 т руды в отвалах остается 0,5–0,8 т пустой породы. Для рекультивации ландшафтов и подсыпки дорог используется всего лишь около 10 % общего объема отходов горнодобывающей промышленности.

Применение отходов в промышленности строительных материалов. В этой отрасли ежегодно перерабатывается около 3 млрд т сырья – песка, глин, известняка и других осадочных и изверженных пород. Кроме того, здесь используется около 300 млн т в год различных отходов других отраслей – доменные и сталеплавильные шлаки, шлаки цветной металлургии, золы и шлаки энергетической промышленности, отходы химической и ядерной промышленности и др.

2.3. Комплексная переработка сырья и отходов производства

В области технологий переработки отходов целесообразно переходить на комплексные, композитные технологии, сущность которых заключается в совмещении двух и более отходов в одной продукции, когда использование одного компонента (одного вида отходов) в сочетании с другим компонентом помогает достичь необходимого положительного качества конечной продукции. Так, например, совмещение магнезиальных и алюмосодержащих отходов после термической обработки позволяет получать качественную шпинельную продукцию MgO, Al₂O₃.

Большие запасы промышленных отходов дают возможность широко регулировать свойства композитной продукции. Так, только в Свердловской области суммарные запасы техногенных образований превышали 8 млрд т [18].

Комплексное использование сырья является необходимым условием организации безотходного производства продукции. Технология этого производства следующая:

– добыча сырья;

– его обогащение с разделением на основное и вторичное сырье;

– использование основного и вторичного сырья по отдельным технологическим линиям;

– производство основной и вторичной продукции.

Получаемые при этом отходы производства:

– в атмосфере – улавливание выбросов, очистка дымовых газов и др.;

– в гидросфере – очистка производственной воды при замкнутом цикле водооборота;

– в литосфере – отходы основного и вторичного производства. Все указанные отходы направляют на производство новой экологически чистой продукции высокого качества по безотходным технологиям. Хранение промышленных отходов в отвалах, шламохранилищах, на полигонах, закачка в недра земли полностью исключаются. Не допускается загрязнение поверхностных и глубинных слоев земли.

Экономически и морально значительно поощряются внедрение безотходных экологически чистых технологий и использование существующих в данное время отходов для производства высококачественной продукции на полностью безотходных предприятиях. Известно, что для каждого вида отходов существует своя, наиболее оптимальная технология переработки, что обусловлено высокой специфичностью техногенных отходов. Некоторые технологии подробно приведены в работах [15, 18].

Переработка золошлаковых отвалов

В энергетике нашей страны за 2007–2011 гг. расход угля составил 619,7 млн т, образование золошлаковых отвалов – 127,0 млн т, использование отвалов – 12,1 млн т, прирост отходов – 114,9 млн т. Эти данные показывают отсутствие единой концепции переработки золошлаковых отвалов ТЭС: отходы используются неэффективно, состояние окружающей среды ухудшается, отсутствует координационный центр по переработке этих отходов.

Предложена гидравлическая классификация зол с выделением полых микросфер плотностью 0,3–0,4 г/см³, размером до 0,1 мм и использованием их для золоблоков и тампонажных растворов.

Перспективным является горячее прессование золошлаковых отходов: горячие отходы прессуются без связок или с добавкой силикат-глыбы в изделия, что исключает их сушку.

Переработка отвалов фосфогипса

Накопление фосфогипса в России составляет 11 млн т в год. Фосфогипс является твердым отходом при производстве фосфорных удобрений. Так, при производстве 1 т фосфорной кислоты образуется от 7,5 до 8,4 т влажного фосфогипса. Основу фосфогипса составляет соль CaSO₄ с примесями фтора и фосфора с влажностью 25–40 %.

Существует много способов утилизации фосфогипса:

– складирование в отвалы;

– использование в сельском хозяйстве в качестве удобрений;

– применение в производстве гипсовых вяжущих материалов, серной кислоты и цемента, серной кислоты и извести, сульфата аммония.

Однако в настоящее время в мире перерабатывают только около 2 % фосфогипса, а остальное его количество удаляют в отвалы. Перспективной технологией переработки фосфогипса является его объединение с другими отходами: металлургическими и ферросплавными шлаками, кальций– и алюмосодержащими отходами, прессованием из них изделий, обжигом при температуре около 1000 °C, после которого гипс не гидратируется.

Переработка галитовых отходов

При производстве калийных удобрений образуется два вида отходов: глинисто-солевые шламы и галитовые отходы [15].

Состав глинисто-солевых шламов: KCl 10–11 %, NaCl 20–22 %, остальное – твердый мелкодисперсный порошок из 70 % частиц размером менее 20 мкм. Их переработка: удаляют отстоем или процеживанием раствора, его выпариванием; соли используют в химическом производстве, а порошок – при производстве строительных материалов.

Галитовые отходы состоят из NaCl 92–96 %, KCl 1,2–2,5 %, CaSO₄ 0,6–2 %, MgCl₂ 0,005–0,2 %, нерастворимый осадок 0,3–3 %; влажность 5–10 %.

Часть галитовых отходов прямо используют в дорожном и коммунальном хозяйстве, в горнорудной и химической промышленности, это около 30–50 %. Остальные галитовые отходы перерабатывают на техническую и пищевую поваренную соль.

В настоящее время в нашей стране галитовые отходы складируют на поверхности земли в виде солеотвалов высотой до 30 м. Так, только под г. Березники скопилось около 200 млн т галитовых отходов, ими занято еще 500 га сельскохозяйственных угодий.

Они насыщают подземные воды и ухудшают грунтовые воды.

Существующая основная технология – закачивание галитовых отходов в выработанные шахтные пространства.

Целесообразно галитовые отходы добавлять к токсичным отходам по композитным технологиям с целью ликвидации их токсичности и использования для производства строительных материалов, в нефтедобыче – при разжижении глинистых шламов, в лакокрасочной промышленности и для снижения температуры обжига портландцементов и др.

Переработка красных шламов и солевых шлаков

При производстве глинозема и вторичного алюминия образуются следующие отходы:

– при производстве глинозема из бокситов образуются красные шламы и некондиционный боксит;

– при производстве вторичного алюминия образуются солевые шлаки: белые алюминиевые шлаки с низким содержанием солевых флюсов и черные (солевые) отвальные шлаки с высоким содержанием флюсов [15, 18].

Красные шламы производства глинозема. На уральских алюминиевых заводах более половины объемов перерабатываемых бокситов уходит на шламовые поля в виде крупномасштабных отходов красных шламов. Ежегодно в шламохранилища поступает более 2 млн т красных шламов. Например, суммарные запасы красных шламов на ОАО «БАЗ» и ОАО «УАЗ» превышают 104 млн т.

В зависимости от состава бокситов глинозем получают химическим способом (способом Байера) и термохимическим (способом спекания). Химический состав бокситовых красных шламов приведен в табл. 4.

В шламах спекания по сравнению со шламами Байера содержится меньше оксидов железа, больше оксидов кальция и кремнезема и меньше потерь при прокаливании.

Красные шламы содержат повышенное количество редких и редкоземельных элементов – скандия, ванадия, циркония, галлия, лантана, хрома и др.

Наиболее эффективная технология переработки красных шламов: их сушка для удаления воды, плавление для получения редкоземельных элементов по технологии «плавка на плавку» (редкоземельные элементы имеют плотность в 3–5 раз большую по сравнению с обычными элементами и поэтому будут оседать на дно электроплавильных ванн), а оставшийся шлак целесообразно использовать для производства качественных строительных материалов по нанотехнологиям.

Некондиционные бокситы перерабатывают термохимическим способом путем спекания с известняком CaCO₃ и содой NaCO₃, а затем выщелачиванием синтезированного алюмината натрия Na₂O, Al₂O₃. В отвалах некондиционных бокситов находятся десятки миллионов тонн.

Химический состав бокситов красных шламов [18]

Химический состав некондиционных бокситов следующий (масс %):

Al₂O₃ 52,7–52,84; Fe₂O₃ 20–23,0; CaO 2,0–2,3; SiO₂ 3,0–4,5; TiO₂ 2,0–2,5; MgO 0,5–0,6; S 0,9–1,2.

Перерабатывать некондиционные бокситы также целесообразно по технологиям переработки красных шламов.

Шлаки производства вторичного алюминия. В мире ежегодно образуется около 4 млн т белых алюминиевых шлаков с низким содержанием солевых флюсов и около 5 млн т черных (солевых) шлаков с высоким содержанием флюсов. В нашей стране этих шлаков в отвалах находится около 20 тыс. т в год. Значительная часть солевых шлаков ежегодно попадает в отходы и захоранивается.

В солевых шлаках содержится от 5 до 8 % алюминия в различных формах от металла до оксидов. Кроме того, они содержат нитрид и карбид алюминия.

Наиболее эффективная технология переработки солевых шлаков – это флюсовая плавка в роторных печах, при этом образуется большое количество черного флюсового шлака. Оптимальными флюсами являются смеси хлоридов натрия и калия с небольшой добавкой фторосодержащих соединений.

Плавка низкосортных алюминиевых отходов (фольга, лом, банки, скрап, продукты обогащения шлаков) проводится во вращающихся печах, а также в отражательных печах. В результате различных вариантов флюсовой плавки шлаки содержат от 20 до 80 % водорастворимых хлоридов и фторидов, а также нитриды и карбиды аммония, магния и другие металлы. Это делает солевые шлаки очень опасными для окружающей среды: при хранении из них выделяются токсичные и взрывоопасные газы. Поэтому в настоящее время алюминиевые солевые шлаки подвергают захоронению, что являет экологически и экономически нецелесообразным.

В России только в результате плавки отходов алюминиевых сплавов ежегодно образуется более 180 тыс. т солевых шлаков, которые практически в полном объеме складируются в отвалах.

В будущем будет проходить постепенное вытеснение природного сырья техногенным по безотходным технологиям с комплексным использованием отходов производства и получением ценных материалов, в том числе строительных, с высокими эксплуатационными свойствами.

Поэтому алюминиевые солевые шлаки необходимо полностью перерабатывать по безотходным технологиям с получением высокоценной продукции. Только получение высокоценной продукции определяет эффективность переработки шлаков.

В мире накопление солевых шлаков вторичного производства алюминия достигло 5 млн т в год.

Сложная технология переработки солевых шлаков включает в себя следующие переделы:

– механическое обогащение с извлечением 7–10 % металлического алюминия;

– объединение солевых шлаков, красных шламов, металлургических шлаков и извести:

а) для производства портландцементов;

б) возврата в металлургическое производство и плавки с осаждением редкоземельных элементов;

в) использования в химической промышленности для производства новых химических соединений, красок, покрытий, пигментов и др.

Хроматные шламы. Переработка хромосодержащих рудных концентратов осуществляется по двум технологиям: химической переработкой в соединения на основе окислительного обжига и металлической переработкой на феррохром и металлический хром. Эти производства имеют шламовые отвалы с высоким содержанием водорастворимого и общего хрома, что представляет собой высокую экологическую опасность ввиду содержания шестивалентного хрома Cr⁶⁺.

Обжиг хромовых концентратов производится с добавкой известняка, что и обусловливает образование Cr⁶⁺.

Наиболее подходит для переработки хромовых шламов азотная кислота по следующей технологии [15]:

– шламы обрабатывают слабым раствором азотной кислоты с разложением карбонатов кальция и производством углекислоты;

– полученную суспензию разделяют на нитратный раствор кальция с высоким содержанием Cr⁶⁺, который подают на извлечение хрома в действующие производства. Остаточный раствор нитрата кальция и магния подвергают сульфатизации: сульфат кальция выводится в виде твердой фазы, а раствор нитрата натрия используют для грануляции шихты и даже для окислительного обжига хромита в действующей схеме;

– из выделенной твердой фазы смеси оксида магния и неразложившегося хромита после обработки серной кислотой получают сульфат магния, а нерастворившийся остаток хромита возвращают на окислительный обжиг.

Предложенная технология переработки хромовых шламов представляет собой совмещение действующей схемы и схемы переработки лежалых хвостов в рамках единого комплексного производства. Отходы золотодобычи. С ростом промышленного производства объемы отходов как результат несовершенства технологических процессов резко возрастают [15]. Доля полезного компонента, извлекаемого из золотоносных руд и песков, составляет менее 0,01 %, все остальное – отходы производства, складируемые в отвалы и хвостохранилища. Последние существенно влияют на экологическую обстановку, поскольку процесс извлечения благородных металлов зачастую сопряжен с технологиями повышенной экологической опасности – цианированием, амальгамацией, высвобождением значительных количеств соединений серы и мышьяка. Вместе с тем в золотодобывающей отрасли одной из первых в горном комплексе стали рассматривать отходы горно-металлургического производства как источник сырья. Причиной тому послужило резкое сокращение легкодоступных запасов золота в коренных рудах и россыпях и, как следствие, снижение промышленных кондиций.

На большинстве месторождений золото находится в примесной форме в главных рудообразующих минералах: пирите, халькопирите, сфалерите, борните, теннантите, галените; содержание золота в них составляет от 10 до 90 г/т.

Для извлечения «упорного» золота перед цианированием предварительно разрушают оболочку сульфидов, проводят окислительный обжиг, автоклавное выщелачивание, бактериальное окисление. Эти методы позволяют извлекать до 92–97 % золота, но требуют значительных капитальных затрат, они энергоемки и неэкологичны. Пока наиболее эффективным способом извлечения золота является применение СВЧ-импульсов: обработка руды (гетит, кальцит, кварц, ярозит) СВЧ позволяет получать до 100 % золота.

Золото (0,1 г/т) находится в виде зерен размером 0,2–0,04 мм в кварце и серициткварцевой породе. После обработки СВЧ извлечение золота составляет до 99 %.

Возможно обогащение техногенных отходов по золоту в восходящем потоке с переменным гидродинамическим режимом с использованием различной плотности минералов. Так, кислотность пирита составляет примерно 5 г/см³, плотность золота – более 19 г/см³, а плотность кварца – около 2,6 г/см³. Но все-таки наиболее эффективным методом извлечения золота является резонансный метод. Вот почему отходы от обогащения золота не следует сваливать в отвалы, их необходимо направлять на переработку в черную металлургию и на производство строительных материалов.

Цинковые пыли черной металлургии. Высокая летучесть цинка и его соединений приводит к обогащению пылей, а возврат пыли в шихтовые смеси черной металлургии ухудшает их технологии [15].

Существует два основных метода обеспыливания отходящих газов от металлургических печей: мокрое пылеудаление с обезвоживанием и последующей сушкой возвратного железосодержащего концентрата и сухое удаление с возвратом пыли с прогрессивным ее накоплением. Другие варианты – захоронение пыли, использование в смежных отраслях – не решают данную проблему.

Преимущественно рекомендуется агломерация пыли с последующей возгонкой цинка, его улавливанием в виде оксида и возвратом железосодержащих агломератов на головные стадии металлургических переделов.

Учитывая содержание в пыли Zn, Pb, Cd и других элементов, переработка такой пыли требует особого внимания, так как просто использовать ее в качестве добавки в шихту нельзя вследствие ухудшения качества стали; она не подлежит захоронению в земле из-за возможности отравления почвы; из такой пыли целесообразно извлекать ценные компоненты.

Металлолом является главным источником поступления примесей Zn и Pb в сталеплавильные агрегаты (попадающие в шихту оцинкованное железо, латунные и бронзовые детали, оболочки электрокабелей и т. п.).

Цинк имеет температуру плавления 419,5 °C, температура кипения 906 °C; свинец – температура плавления 327,4 °C, температура кипения 1725 °C. Попадая в сталеплавильные ванны, цинк и свинец испаряются, окисляются и удаляются вместе с отходящими газами.

Существует много технологий переработки сталеплавильных пылей. Так, например, технологические газы проходят через газоочищение рукавными фильтрами; уловленную пыль собирают в специальном бункере и используют вновь, вскоре после расплавления лома ее вдувают в зону раздела металл–шлак с добавкой угля. Практически весь цинк испаряется и переходит во вновь образующуюся пыль, что позволяет повысить концентрацию цинка в отходах примерно в 1,5 раза.

На ряде предприятий используют технологию вальцевания, что позволяет извлекать цинк из отходов.

Перспективной является технология утилизации пыли электросталеплавильных печей в подовых вращающихся печах с получением рубчатого железа с высоким содержанием цинка и свинца. Общий объем электрометаллургической пыли в нашей стране составляет более 200 тыс. т в год. Это ценное сырье складируют на площадках промышленных предприятий с накоплением объемов пыли.

Возвращение пыли в производство экономически и экологически выгодно. Это особенно эффективно по технологии гранулирования и брикетирования пыли в местах ее образования.

Существует множество промышленных отходов, для каждого из которых существует своя оптимальная технология, подробно они описаны в работах [15, 18].