Переработка отходов металлургических производств и тепловых электростанций

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в связи с постоянно растущим объемом сточных вод все более важное значение приобретают вопросы, связанные с их очисткой. Эффективность процессов очистки воды от загрязнений в значительной мере зависит от обеспеченности коагулянтами, мировая потребность в которых составляет миллионы тонн в год. В качестве неорганических коагулянтов чаще всего используют соли алюминия и железа, которые, гидролизуясь в водных растворах, образуют нерастворимые гидроксиды в виде объемных хлопьев. В процессе седиментации эти хлопья увлекают с собой до 95% механической взвеси, находящейся в воде. Наиболее часто в качестве коагулянтов используются соли алюминия [1], особенно его сульфат, который также находит широкое применение в бумажной промышленности, в качестве протравы при крашении тканей, дублении кож, для консервирования древесины.

Глава 1. ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ И ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

На металлургических предприятиях и тепловых электростанциях образуются твердые отходы, во многом схожие по природе, характеристикам и способам утилизации.

Отходы черной металлургии. Основные направления использования (рециклинга) отходов металлургического производства представлены на рис. 6.23.

В зависимости от способа улавливания (сухие и мокрые), природы, количества, физико-химических свойств, концентрации потенциально полезного компонента, его токсичности, стоимости, перспектив последующей переработки и ряда других показателей задействованы методы рециклинга.

Возможные пути использования промышленных пылей: 1) использование в качестве целевых продуктов; 2) возврат в производство, в технологии которого происходит образование данного вида пыли; 3) переработка в другом производстве с целью получения товарных продуктов; 4) утилизация в строительных целях; 5) переработка с извлечением ценных компонентов; 6) сельскохозяйственное использование (в отдельных случаях в качестве удобрений); 7) утилизация в процессах, где используются отдельные физико-химические свойства (или совокупность таких свойств) пылевидных материалов.

Использование пыли в качестве целевого продукта. Типичным примером такой технологии является производство сажи.

Сажу широко используют во многих отраслях промышленности: в резиновой и шинной (> 90 % всего производимого количества), лакокрасочной и др. Ее получают в процессе сжигания нефтепродуктов или горючих газов при недостатке воздуха (в коптящем пламени). Особенностью сажи является высокая дисперсность составляющих ее частиц (0,01-5,5 мкм) и их низкое удельное электрическое сопротивление. Плотность сажи находится в пределах 1750-2000 кг/м3, а ее насыпная плотность 40-300 кг/м3. В зависимости от способа производства сажи и ее сорта применяют различные схемы сажеулавливания из технологических газов сажевых производств.

На рис. 6.24 в качестве иллюстрации приведена схема очистки технологических газов в производстве форсуночной сажи. Такую сажу получают при сжигании жидких нефтепродуктов, распыляемых форсунками в реакторах при недостатке воздуха. Она характеризуется большой дисперсностью: ее удельная поверхность составляет 25-35 м2/г. В газах, поступающих на очистку; содержание сажи составляет 80-100 г/м3.

Для выделения форсуночной сажи из технологических газов сажевого производства используют горизонтальные односекционные трехполочные электрофильтры типа СГ. Они имеют стальной корпус и снабжены взрывными клапанами для упразднения пиковых давлений при возникновении в системе "хлопков". Во избежание подсоса воздуха и образования взрывоопасных смесей электрофильтры СГ работают под из

быточным давлением 50-100 Па. Наиболее устойчивый температурный диапазон их работы 180-230 °С. Допустимое содержание кислорода в поступающих на очистку газах составляет <1,3% (об.).

В электрофильтрах происходит частичная коагуляция взвешенных частиц, поэтому для улавливания образующихся агломератов используют вторую ступень очистки, в качестве которой служат последовательно установленные циклоны. Степень очистки в первой ступени составляет 97 %, во второй -- 80 %. В среднем остаточное содержание сажи в газах после электрофильтров находится в пределах 1,5-4,5 г/м3, после циклонов -- 0,5-0,7 г/м3. После второй ступени очистки газы направляют на сжигание. Выделенную из газовой фазы сажу пневмотранспортом передают в цех обработки, где ее отвеивают от посторонних включений, пропускают через микроизмельчители и уплотнители, а затем гранулируют и в виде готовой продукции затаривают в мешки или барабаны.

Возврат (рециклинг) пыли в производство. Удельный расход соответствующим образом подготовленных (обезвоженных) пылей и шламов в агломерационную шихту [36] может достигать 120-200 кг/т агломерата.

Совершенствование методов подготовки агломерационных шламов к утилизации на агломерационных лентах позволит обеспечить полный рециклинг агломерационных шламов. Для обезвоживания шлама предложены высокопроизводительные оса-дительные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка. Влажность полученного шлама составляла 12-14,5 %. Эффективное обезвоживание достигается во всем исследованном диапазоне концентраций твердого вещества в пульпе от 20 до 300 г/л.

Однако с фугатом выносилось значительное количество взвеси: 40-50 % (по массе) Поскольку содержание твердой составляющей в нем равнялось 800-900 г/л, то его направляли на обезвоживание в дисковых вакуум-фильтрах без дополнительного сгущения. Применение центрифуг с производительностью 100 т/ч шлама позволяет ускорить процесс обезвоживания, упростить технологию обработки шлама и уменьшить количество единиц оборудования.

Утилизация в агломерационной шихте продукта, полученного смешением отходов агломерационного производства с известью, может служить примером комплексного использования отходов различных металлургических производств. Добавка шламо-известковой смеси в количестве 3-7 % (по массе), не только позволяет увеличить удедьяую производительность установки, но также существенно повысить качество получаемого агломерата.

Промышленные исследования по получению агломерата при добавлении в шихту шламоизвестковой смеси в количестве 2 % (по массе) шихты проводились на агло-фабрике ОАО НОСТА (ОХМК). Использовалась известь крупностью до 80 мм, содержащая около 50 % активного оксида кальция. Ее вводили в количестве 20 % (по массе) шлама; влажность последнего составляла 35 %.

Известь и шлам подавали в шламоотстойник, где смесь тщательно перемешивали и выдерживали в течение получаса, а затем загружали в бункер-дозатор, откуда смесь поступала в производство. Она представляла собой сыпучую однородную массу с температурой 70-100 °С, которая стабильно дозировалась тарельчатым питателем. Смесь имела следующий химический состав, % (по массе): 34,0 Fe^; 5,0 FeO; 28,9 CaO; 6,4 Si02; 0.43 S^; ее основность равнялась 4,5; влажность 11,2 %. Замена шлама шламоизвестковой смесью позволила увеличить производительность агломашин на 2,5-3 %.

Утилизация пыли, уловленной в одном производстве, в качестве сырья для другого производства. Огарковую пыль, улавливаемую в батарейных циклонах и сухих электрофильтрах при очистке содержащего диоксид серы обжигового газа в производстве серной кислоты из колчедана и содержащую в среднем 40-63 % железа, 1-2 % серы, 0.33-0,47 % меди, 0,42-1,35 % цинка, 0,32-0,58 % свинца, 10-20 г/т драгоценных металлов и другие соединения, после соответствующей обработки или без таковой можно использовать в шихте для выплавки чугуна.

Сажа, выделенная при очистке технологических и отходящих газов ряда производств, может быть использована для приготовления гранул или брикетов, служащих в качестве котельного топлива. В процессах газификации жидких топлив при мокрой очистке получаемого синтез-газа, используемого в качестве сырья для различных химических синтезов, сажевую пыль выводят в виде водного раствора, отстой которого (шлам) может быть переработан в процессе, схема которого приведена на рис. 6.25. По этой схеме синтез-газ очищают от сажи в несколько ступеней с использованием последовательно установленных по ходу газа скруббера, пенного аппарата и электрофильтра.

В качестве рабочей жидкости в системе используют воду, циркуляция которой обеспечивается центробежными насосами. Во избежание накопления в воде вредных примесей и солей жесткости в системе водооборота сажеочистки (помимо дегазации и охлаждения воды в градирне) предусмотрены ее подщелачивание и продувка (обычно воду сбрасывают вместе с сажевой пульпой). Отделяемую в отстойниках сажевую пульпу (шлам с содержанием сажи около 5 %) обезвоживают на вакуум-фильтре. Полученный концентрат смешивают с керосином (или другими подобными продуктами) из расчета 140 кг на 1 м3 шлама. Смесь гранулируют. Готовый продукт -- топливные гранулы размером 5-15 мм -- содержат 25 % сажи, 70 % керосина к 5 % влаги.

Утилизация шламов. Смешивание шлама с золой и спецдобавками после соответствующей обработки позволяет получить продукт, применяемый в дорожном строительстве.

Производство сульфата кальция (гипса) из шлама состоит из следующих стадий; 1) корректировка рН раствора серной кислотой; 2) окисление сульфита в сульфат воздухом при повышенных давлениях; 3) отстаивание; 4) центрифугирование.

Сточные воды после отстаивания и центрифугирования представляют собой сильную кислоту. Их нейтрализуют гидроксидом кальция (известковым молоком) или раствором NaOH, затем фильтруют через грунт, освобождая от твердых частиц. Состав продукта в расчете на сухое вещество, в %: CaS04-2H20 -- 95,0; CaS03 -- 0,8; CaC03 -- 1,9; зола и другие компоненты -- 2,3.

Предложены одноступенчатые и двухступенчатые схемы очистки с окислением сульфита кальция, содержащегося в шламе, в сульфат.

Утилизация шламов фабрик окомкования. Объем образования пылей и шламов при очистке отходящих технологических и аспирационных газов фабрик по производству окатышей составляет ~2 % от объема производства окатышей. На фабриках окомкования для утилизации шламов применяют в основном следующие технологические схемы: улавливание и обезвоживание шламов в напольных отстойниках; сгущение и фильтрация уловленных шламов; доизмельчение твердой фазы шламов с последующим сгущением и фильтрованием совместно с концентратом; классификация промышленных стоков с последующим сгущением и фильтрованием совместно с концентратом.

Схема улавливания шлама с доизмельчением крупной фракции шламов, сгущением их и последующим фильтрованием и окомкованием тонкой фракции шламов с концентратом обогатительной фабрики позволяет наиболее полно улавливать и повторно использовать шламы (рис. 6.26).

Гидросмывы полов и просыпи обжиговых машин по самотечному лотку У подаются в односпиральный классификатор 2. Пески из него поступают в шаровую мельницу 5, разгрузка из которой направляется в этот же классификатор. Слив классификатора самотеком направляется в зумпф 4, куда отдельным потоком поступают и сточные воды газоочистки. Из зумпфа насосом 5 шламовая пульпа перекачивается в сгуститель 6. Осветленная вода из этого сгустителя поступает в оборотную систему производственного водоснабжения фабрики, а сгущенный шлам насосом 7 через распределительную камеру 8 подается в сгустители 9, в которые поступает пульпа железорудного концентрата с обогатительной фабрики.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Осветленная вода из сгустителей 9 отводится в шламонакопитель, а сгущенная смесь концентрата и шламов насосами 10 перекачивается в усреднительный бак 7/. Из него насосом 12 пульпа подается на дисковые вакуум-фильтры 13. Кек вакуум-фильтров идет на окомкование, а фильтр возвращается в сгустители.

Рекуперация шламов сероочисток. Очистка газа от диоксида серы осуществляется в башенных скрубберах с применением известняковой суспензии. В результате очистки образуются плохо растворимый в воде сульфит кальция (остающийся в ней в виде взвеси) и хорошо в ней растворимый сульфат, а также в небольшом количестве хорошо растворимые в воде бисульфит кальция и гипс CaS042H20. Коэффициент использования известняка составляет 40-55 %: удельный его расход 4,1 т из расчета на 1 т уловленных диоксидов серы.

Отработанная суспензия проходит следующие операции механического обезвоживания: сгущение, фильтрацию, а также сушку. Слив осветляют и используют для технических нужд участка сероочистки и корпуса обезвоживания в составе силоса, радиальных сгустителей диаметром 25 м со шламовой насосной и осветлителей. В сгустителях пульпу обезвоживают до соотношения твердого к жидкому 1:3. Сгущенный шлам фильтруют, а затем сушат до влажности, равной 6-8 %. Полученный продукт измельчают на специальных дробилках и отгружают потребителям. Шлам имеет примерно следующий .химический состав, %: 24,6 CaS03; 19,9 CaS04; 41,1 Са^; 22,4 Сасммн; 2,4 MgO.

Известен метод очистки газов от оксидов серы, основанный на использовании изве-стьсодержащих отходов сахарного производства, так называемого дефеката, в котором содержание известняка в среднем составляет 75 % и более. Дефекат получается в процессе очистки диффузионного сока, образующегося после промывки измельченной свеклы с помощью гашеной извести, которую вводят в сок для полного удаления из него посторонних примесей. Через суспензию пропускают диоксид углерода, и осаждающийся при этом известняк адсорбирует примеси. Количество осадка составляет около 5 % (по массе) переработанной свеклы. Сок фильтруют в вакуум-фильтрах, а осадок обычно выбрасывают в отвал.

Состав сухого осадка дефеката включает, % (по массе): 77,4 СаС03 и СаО в сумме; 6,0 -- азотистые вещества; 11 -- органические (безазотистые) вещества; 4,0 -- минеральные вещества (без CaO); 1,6-- неутилизированный сахар. При очистке газов, содержащих 13 г/м3 оксидов серы, в башенных скрубберах степень очистки газов составляла 80-85 % (средняя скорость газов в скруббере 5 м/с, содержание твердой составляющей) в растворе 100 г/л.

При улавливании 184 кг/т диоксида серы расход дефеката составил 766 кг/ч, количество образовавшегося шлама 1065 кг/ч; в нем содержалось 230 кг сульфита кальция, 115 кг сульфата кальция и 479 кг непрориагировавшего известняка.

Полученный с использованием дефеката шлам сероочисток в свою очередь может быть использован в качестве серо- и известьсодержащего сырья.

Возможно, использование для сероочистки шламов печей обжига известняка совместно с суспензией граншлака доменного производства. Количество твердой взвеси в пульпе печей обжига составляет 100 г/л и более; концентрация СаО в твердом 56-86 %, MgO 3,6-5,4 %, СаС03 22-31 %. Граншлак содержит около 5 % оксида кальция. Степень очистки с применением такого реагента 80-90 %.

Предложен и опробован метод утилизации шламов сероочисток вместе с граншлака-ми доменного производства. Этот метод позволяет получить вяжущий материал, который в свою очередь может быть использован при производстве силикатного кирпича, шлакоблоков, тротуарных плиток и других изделий строительной промышленности.

Шламы сероочисток аглофабрик не обладают вяжущими свойствами, однако они активизируют способность шлаков схватываться за счет присутствия в них извести и гипса.

Граншлак сушат до влажности 3-5, а шлам <20-25 %. Затем их смешивают в пропорции 3:2 и смесь поступает для помола в шаровые мельницы. Тонина полученного продукта должна быть такова, чтобы масса в 1 г имела площадь поверхности 450 см2. Дальнейшая обработка производится либо в автоклавах при давлении пара 0,9 МПа в течение 8 ч (из которых и течение 2 ч в начале процесса давление постепенно повышают и за 2 ч до окончания процесса снижают), либо пропариванием при температуре 85-95 °С в течение 10 ч. Механическая прочность полученного вяжущего материала в первом случае составляет 2,0-3,5, а во втором 2-2,5 кН/см2. Полученный в автоклавах материал по своим свойствам может заменить портландцемент марки 250-300.

Используя кварцевый песок, на основе этого вяжущего материала можно получить силикатный кирпич. При этом песок сушат до влажности 1-2 % (по массе) и смешивают с вяжущим в пропорции 4:1. Смесь формуют и прессуют при давлении 1,5-2 МПа. Полученный кирпич обрабатывают в автоклавах при тех же режимах, что и вяжущее.

Механическая прочность готовых образцов при использовании основных шлаков составляет 2,6, а при использовании кислых 1-2 кН/см2.

В качестве наполнителя при получении шлакоблоков используется граншлак. Отношение в шихте к нему вяжущего составляет 3:7. Шлак сушат до влажности 2-3 %, затем смешивают с вяжущим, а в смесь добавляют воду. Влажную массу обрабатывают на бегунах в течение 10-20 мин, а затем подвергают вибропрессованию в течение 3 мин. Далее массу формуют, выдерживают в течение 10 ч, зачем производится обработка блоков в пропарочной камере при температуре <95 °С в течение такого же периода времени. Прочность получающихся при этом шлакоблоков равна 1-1,5 кН/см2.

Перспективным способом утилизации этих шламов является применение их в сельском хозяйстве в качестве мелиоранта для кислых, оподзоленных и солонцеватых почв.

Добавка шлама сероочисток в почву улучшает пищевой режим растений. Полезное действие шлама вызвано несколькими причинами.

Шлам представляет собой дополнительный источник снабжения растений серой, являющейся важным микроэлементом в жизнедеятельности растений: в структуре клеток растений она входит в состав аминокислот. Сульфиты кальция, будучи внесенными в почву в составе шламов, окисляются кислородом воздуха до сульфатов, а последние оказывают стимулирующее действие на рост растений.

Во-вторых, в связи с применением минеральных удобрений во все возрастающих объемах резко возросли потери кальция почвами; за вегетационный период эти потери составляют 0,5 т/га.

В-третьих, внесение шлама сероочисток в кислые почвы позволяет нейтрализовать их повышенную кислотность; кроме того, шламы связывают свободные ионы алюминия и железа, понижая их концентрацию до безопасного уровня.

Применение шлама позволяет увеличить урожайность озимой пшеницы на кислых и основных почвах на 20-38 %.

Отходы тепловых электростанций. По химическому составу твердые отходы тепловых электростанций (золы и шлаки) на 80-90 % состоят из Si02, А1203, FeO, Fe203, CaO, MgO со значительными колебаниями их содержания. Кроме того, в состав этих отходов входят остатки несгоревших частиц топлива (0,5-20 %), соединения титана, ванадия, германия, галлия, серы, урана.

Основная масса используемой части шлаков и зол служит сырьем для производства строительных материалов. Золу ТЭС используют для производства искусственных пористых заполнителей -- зольного и аглопоритового гравия. При этом для получения аглопоритового гравия используют золу, содержащую не больше 5-10 % горючих, а для производства зольного гравия содержание в золе горючих не должно превышать 3 %. Обжиг сырцовых гранул при производстве аглопоритового гравия осуществляют на агломерационных машинах, а при получении зольного гравия -- во вращающихся печах. Возможно использование зол ТЭС и для производства керамзитового гравия.

Золы и шлаки от сжигания бурых и каменных углей, торфа и сланцев, содержащие не более 5 % частиц несгоревшего топлива, могут использоваться для производства силикатного кирпича в качестве вяжущего при содержании в них не менее 20% СаО или в качестве кремнеземистого заполнителя, если в них содержится не более 5% СаО. Золы с высоким содержанием частиц угля с успехом используются для производства глиняного (красного) кирпича. Зола в этом случае играет роль как отощающей, так и топливной добавки. Содержание вводимой золы зависит от вида используемой глины и составляет 15-50 %, а в отдельных случаях может достигать 80%.

Кислые золошлаковые отходы, а также основные с содержанием свободной извести <10 % используют как активную минеральную добавку при производстве цемента.

Содержание горючих веществ в таких добавках не должно превышать 5 %. Эти же отходы можно использовать в качестве гидравлической добавки (10-15 %) к цементу. Золу с содержанием свободной СаО не более 2-3 % используют для замены части цемента в процессе приготовления различных бетонов. При производстве ячеистых бетонов автоклавного твердения в качестве вяжущего компонента используют сланцевую золу, содержащую <14 % свободной СаО, а в качестве кремнеземистого компонента -- золу сжигания углей с содержанием горючих <3-5 %.

Золошлаковые отходы используют в дорожном строительстве. Они служат хорошим сырьем для производства минераловатных изделий. Высокое содержание СаО в золе сланцев и торфа позволяет использовать ее для снижения кислотности -- известкования почв. Растительная зола широко используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения ввиду значительного содержания калия и фосфора, а также других необходимых растениям макро- и микроэлементов.

Зола углей и нефтей содержит практически все металлы:

Металл Zn Ga Со Ni Ge V Sn

Содержание, г/т 200 100 300 700 500 400 300

Концентрация Sr, Zn, V, Ge достигает 10 кг на 1 т золы. Содержание урана в золе бурых углей некоторых месторождений может достигать 1 кг/т. Зола торфа содержит значительные количества V, Со, Си, Ni, Zn, U, Pb. В золе нефтей (мазутов) содержание V205 в некоторых случаях достигает 65 %, кроме того в ней в значительных количествах присутствуют Мо и Ni. В связи с этим извлечение металлов является еще одним направлением переработки таких отходов. Из золы некоторых углей извлекают в настоящее время редкие и рассеянные элементы (например, Ge и Ga), из золы мазутов -- ванадий, никель и другие металлы.

отходы металлургический очистка газ

ГЛАВА 2. СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ

Значительный объем промышленных отходов в России и странах СНГ приходится на металлургические шлаки. Отвалы и свалки занимают огромные полезные площади, не говоря уже о нагрузке на окружающую среду. Основной путь сокращения объема складирования отходов - их вторичное использование.

Переработанные отходы являются ценнейшим материалом и в ряде областей уже успешно используются в производстве нерудных строительных материалов, дорожном строительстве, металлургии, сельском хозяйстве.

Переработка металлургических шлаков, в отличие от добычи руды из горных пород, не требует затрат на буровзрывные работы и транспортировку, а получаемый в результате щебень заменяет природный щебень и иногда более выгоден для строительства дорог. Например, в Пермской области львиную долю природного щебня уже заменили щебнем из шлака Череповецкого комбината. В Свердловской области дорожникам рекомендовано применение щебня из металлургического шлака. Проведенные Омским СоюздорНИИ исследования также подтверждают, что применение щебня шлакового происхождения фракций до 70 мм в основании дорог позволяет получать монолитное долговечное полотно.
Ряд крупных металлургических комбинатов уже имеют определенный опыт переработки шлаков. Стимулом служит как ужесточение законодательной базы в части хранения отходов, так и экономический фактор. Большинство комбинатов сегодня вынуждено работать на руде с содержанием металла порядка 18%, в то время, когда в скопившихся на их территории шлаковых отвалах содержание металла доходит до 15%. По оценкам самих металлургов, вовлечение в производство вторичного металла, хранящегося на шлаковых отвалах, позволяет им только на собственном сырье проработать до года.

Первая линия производства "ДРОБМАШ" по переработке металлургических шлаков была поставлена в Ижевск в 1998 году. В Свердловской области работают 7 комплексов по переработке металлургических шлаков. На Северском, Нижнетагильском металлургических комбинатах работают комплекты на основе ПДСУ ("ДРОБМАШ"). Ключевский завод приступает к переработке шлаков.

Технологическая схема установки для переработки металургических шлаков в щебень с отделением металла

Оборудование ТДСУ:

1. Вибропитатель ДРО-708-10 на опорной раме;

2. Агрегат сортировки ДРО-654;

3. Галтовочный барабан ДРО-655;

4. Агрегат крупного дробления ДРО-510-30;

5. Агрегат среднего дробления СМД-511;

6. Агрегат сортировки ДРО-669;

7. Конвейера на базе ДРО-904 (2 шт.);

8. Конвейер ДРО-924;

9. Конвейеры: ДРО-923; на базе ДРО-923;

10. Конвейеры на базе ДРО-914;

11. Конвейеры ДРО-914;

12. Конвейеры ДРО-912 (3 шт.);

13. Железоотделитель на опоре (4 шт.);

14. Агрегат управления У7810.4А

Основными технологическими процессами при переработке металлургических шлаков являются разборка с предварительной сортировкой и выделением скрапа; дробление шлака, в т. ч. металлосодержащего; отделение выделившегося в процессе переработки металла; сортировка промежуточная и окончательная; транспортировка. Для дробления в подавляющем большинстве случаев сегодня применяются щековые дробилки со сложным движением щеки. На сортировке продуктов дробления - двухъярусные грохоты. После каждого этапа переработки, обнажающего металл, устанавливаются металловыделяющие устройства (сепараторы электромагнитные, саморазгружающиеся железоотделители). Загрузка линий ведется пластинчатыми питателями. На участках разборки и предварительной сортировки в последнем десятилетии стали применяться колосниковые грохоты, позволяющие увеличить эффективность использования дробилок, и галтовочные барабаны, механизирующие ручной труд по обнажению и выделению скрапа из шлаков, идущих на переработку. Типовое решение по переработке отходов, позволяет организовать почти безотходное производство в металлургии. Данная схема может быть модифицирована с учетом индивидуальных потребностей, что позволяет получать максимальную выгоду. Оборудование поставляется в виде агрегатов, что значительно упрощает и удешевляет подготовку площадки под монтаж (не требуется сооружение тяжелых фундаментов), агрегаты конструктивно и технологически увязаны, имеют электрооборудование (в т. ч. электроаппаратные шкафы, пульты управления, кабельную продукцию), площадки обслуживания. Высокая готовность к монтажу сокращает сроки ввода оборудования в эксплуатацию.

Глава 3. ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ШАМОТНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПОЛУЧЕНИЕМ КОАГУЛЯНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

В настоящее время в связи с постоянно растущим объемом сточных вод все более важное значение приобретают вопросы, связанные с их очисткой. Эффективность процессов очистки воды от загрязнений в значительной мере зависит от обеспеченности коагулянтами, мировая потребность в которых составляет миллионы тонн в год. В качестве неорганических коагулянтов чаще всего используют соли алюминия и железа, которые, гидролизуясь в водных растворах, образуют нерастворимые гидроксиды в виде объемных хлопьев. В процессе седиментации эти хлопья увлекают с собой до 95% механической взвеси, находящейся в воде. Наиболее часто в качестве коагулянтов используются соли алюминия [1], особенно его сульфат, который также находит широкое применение в бумажной промышленности, в качестве протравы при крашении тканей, дублении кож, для консервирования древесины. Сейчас в Украине сульфат алюминия для очистки воды получают из дефицитного глинозема, производство которого базируется на импортном сырье. Между тем, в нашей стране, и в Донбассе в частности, имеются огромные запасы различных видов алюминийсодержащего сырья, которое во многих случаях является отходом производства. Так, например, при обжиге каолинов в процессе производства шамотных огнеупоров в качестве отходов образуется шамотно-каолиновая пыль, улавливаемая в циклонах и электрофильтрах. В настоящее время эта пыль не находит квалифицированного применения и подвергается захоронению, для чего требуются значительные земельные площади (около 1 м2 на 2 т пыли). Вследствие ветровой эрозии она распространяется вокруг мест захоронения, что приводит к загрязнению почвы, воздушного и водного бассейна. Поскольку количество шамотно-каолиновой пыли составляет около 10 - 20% от массы обжигаемого каолина [2], масштабы накопления ее значительны - более 10.000 т в год на одну обжиговую печь.

Некоторые свойства шамотно-каолиновой пыли приведены в таблице [3].

Высокое содержание оксида алюминия в шамотно-каолиновой пыли ставит ее в ряд эффективных видов сырья для получения соединений алюминия, в частности, коагулянтов. Целью нашего исследования была разработка технологии получения сульфата алюминия из шамотно-каолиновой пыли.

Известны технологические процессы получения сульфата алюминия из глин и каолинов, которые предварительно подвергаются дегидратирующему обжигу при температуре 600 - 800 0С с целью перевода каолинита в метакаолинит, из которого Al2O3 извлекается раствором серной кислоты гораздо легче, чем из каолинита [1, 4].

Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O = Al2O3 . 2SiO2 + 2H2O

(каолинит) (метакаолинит)

Al2O3 . 2SiO2 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 2SiO2 + 3H2O

Нагрев до высоких температур (выше 1000 0С), которому подвергалась шамотно-каолиновая пыль, способствует образованию муллита и оксида алюминия в ?-форме, которые не растворяются в серной кислоте. Исследования показывают, что степень дегидратации шамотно-каолиновой пыли составляет 70 - 85 % (это свидетельствует о высокой степени перехода каолинита в метакаолинит), поэтому можно предположить, что Al2O3 из нее будет сравнительно легко извлекаться раствором серной кислоты. Действительно, как следует из эксперимента, обработка пыли стехиометрическим количеством серной кислоты в виде водного раствора с концентрацией 30 - 60 % в течение 1 - 3 часов при температуре 110 - 130 0С позволяет извлечь до 75 - 80 % оксида алюминия. Хорошему извлечению Al2O3 способствует малый размер частиц шамотно-каолиновой пыли. Упаривание раствора сульфата алюминия, полученного после отделения нерастворимого осадка, и его последующее охлаждение дает возможность получить кристаллический Al2(SO4)3.16H2O, который, однако, имеет повышенную кислотность из-за присутствия свободной серной кислоты. Наличие последней в коагулянте существенно снижает его качество. Для уменьшения содержания серной кислоты в целевом продукте ее можно нейтрализовать добавлением к раствору кислого сульфата алюминия новой порции шамотно-каолиновой пыли при кипячении в течение 30 мин. После отделения твердой фазы, упаривания и кристаллизации получается коагулянт, который отвечает требованиям ГОСТ: содержит 15,3 - 16,0 % водорастворимого Al2O3 и 0,16 - 0,17 % свободной серной кислоты. Изучение коагулирующей способности полученного продукта показало, что он эффективно, на уровне реактивного сульфата алюминия, снижает мутность воды при рабочей концентрации около 20 мг растворимого Al2O3 на 1 дм3 раствора. Кроме этого способа уменьшения кислотности можно использовать для нейтрализации кислоты глинозем или гидроксид алюминия, которые легко получаются из сульфата алюминия. В качестве коагулянта можно применять также водный раствор этой соли.

Кроме того, нами была разработана технология получения коагулянта спеканием шамотно-каолиновой пыли с серной кислотой. Процесс осуществляли с использованием концентрированной серной кислоты (концентрация 90 - 96 %), взятой в количестве 95 - 97 % от необходимого стехиометрического количества. Спекание проводилось в течение 1 - 3 часов при температуре 280 - 320 0С. При этом спек, который получался в виде легко разрушающейся массы, почти не содержит свободной серной кислоты. Концентрация водорастворимого Al2O3 в нем составляет около 19%. Высокое содержание Al2O3 в неочищенном продукте позволяет применять его в качестве эффективного коагулянта, который можно рентабельно транспортировать навалом в вагонах. Себестоимость неочищенного коагулянта, производимого из шамотно-каолиновой пыли, будет очень низкой вследствие использования простой одностадийной технологии получения его из отхода производства и дешевой серной кислоты.

Очищенный (кристаллический) сульфат алюминия получается при обработке спека горячей водой, отделения нерастворившейся твердой фазы (в основном SiO2) путем декантации и (или) фильтрования, упаривания полученного раствора с последующим охлаждением до 80 - 85 0С. При этой температуре раствор превращается в кристаллический сульфат алюминия, имеющий чисто белый цвет, иногда со слабозеленоватым оттенком, который обусловлен присутствием ионов двухвалентного железа.

На основании проведенных исследований можно предложить представленную на рисунке технологическую схему переработки шамотно-каолиновой пыли с получением коагулянта.

Рисунок - Технологическая схема получения коагулянта (сульфата алюминия) из шамотно-каолиновой пыли где: 1 - дозатор, 2 - реактор, 3 - центрифуга, 4 - фильтр, 5 - башня, 6 - выщелачиватель, 7 - печь спекания, 8 - смеситель.

Шамотно-каолиновая пыль из дозатора 1 подается в реактор 2, куда также из дозаторов поступает концентрированная серная кислота и вода. Содержимое реактора нагревается при перемешивании и затем подвергается отстаиванию. При необходимости (высокой кислотности раствора) перед окончанием перемешивания в реактор добавляют свежую шамотно-каолиновую пыль. Осветленный раствор из реактора подается на фильтр 4, а донный осадок на центрифугу 3. Раствор, отделенный в центрифуге, присоединяется к раствору, идущему на фильтрование. После фильтра 4 получают прозрачный раствор коагулянта, который можно непосредственно отгружать потребителю, либо использовать для получения очищенного кристаллического коагулянта при распылительной сушке в башне 5.

Схема предусматривает и переработку сырья методом спекания его с серной кислотой. При этом шамотно-каолиновая пыль и концентрированная серная кислота дозаторами подаются в смеситель 8, а полученная смесь обжигается в печи спекания 7. Горячий спек подается в выщелачиватель 6, заполненный водой, где происходит переход сульфата алюминия в раствор, который подвергается такой же обработке, что и раствор, полученный при обработке шамотно-каолиновой пыли разбавленной серной кислотой. Выгружаемый из печи 7 спек после естественного охлаждения также может отгружаться потребителю в виде неочищенного коагулянта.

Подводя итоги проделанной работы, можно отметить, что в результате ее выполнения удалось разработать основы технологии утилизации многотоннажного отхода шамотного производства с получением ценного продукта, который используется для очистки воды. Предлагаемый технологический процесс позволяет получать целевой продукт с низкими расходными коэффициентами. Для производства одной тонны неочищенного коагулянта расходуется 0,6 т концентрированной серной кислоты и 0,6 т шамотно-каолиновой пыли, а для производства такой же массы очищенного (кристаллического) сульфата алюминия требуется 0,5 т серной кислоты и 0,5 т шамотно-каолиновой пыли. Полученный кристаллический продукт кроме использования в качестве коагулянта может служить сырьем для получения оксида и гидроксида алюминия, других его соединений, в том числе и реактивной чистоты. Себестоимость очищенного коагулянта будет примерно в 1,5 - 2 раза ниже, чем аналогичного продукта, производимого из глинозема. Технология получения сульфата алюминия из шамотно-каолиновой пыли является практически безотходной, так как отделенный от раствора мелкодисперсный нерастворимый осадок представляет собой диоксид кремния, который не содержит красящих примесей и может быть использован в производстве стекла, керамики, цемента и т.д.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МЕНЕДЖМЕНТА В ОБЛАСТИ ОБРАЩЕНИЯ С ОТХОДАМИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

Промышленность строительных материалов позволяет использовать широкую гамму промышленных отходов, включая отходы производства и потребления, решая при этом проблемы ресурсосбережения и охраны окружающей среды. Производство бетонных и железобетонных материалов и изделий является одним из наиболее эффективных направлений использования промышленных отходов. Это обусловлено, прежде всего, значительной энергоемкостью технологического процесса, а также и тем, что бетон, как композиционный материал, был и остается на ближайшую перспективу основным представителем среди строительных материалов, так как широкое варьирование видами вяжущих, заполнителей и технологическими параметрами производства позволяет получать материалы с широким диапазоном строительно-технических свойств.

Одной из причин, сдерживающих создание ресурсосберегающих технологий на основе отходов промышленности, является все увеличивающееся эколого-экономическое противоречие между предприятиями, которые производят отходы, и предприятиями строительного комплекса, которые могут при определенных условиях использовать техногенное сырье. Рассмотрим возможность применения методов экологического менеджмента для стимулирования создания ресурсосберегающих технологий при производстве бетона и железобетона на примере золошлаковых отходов ТЭС, использование которых в строительной индустрии проработано с точки зрения рационального природопользования и характеризуется высокой эффективностью. Это обусловлено следующими факторами:

- образование и накопление отходов происходит в индустриальных центрах России, что предопределяет постоянную потребность в строительных материалах и количество отходов практически неограниченно для применения в строительной индустрии;

- по химическому, гранулометрическому и фазово-минералогическому составу во многом идентичны природному сырью, характеризуются полифункциональностью свойств и способностью к сульфатно-щелочной активации, что в сочетании с эффективными технологическими приемами позволяет достигать различных экономических и технологических эффектов, а также создавать новые виды строительных материалов, практически полностью ориентированных на использование взаимосочетаемых отходов промышленности.

В таблицах 1 и 2 приведены экспериментальные данные, полученные в НИИЖБе при оценке эффективности применения в технологии изготовления вибропрессованных песчаных бетонов разных классов взаимосочетаемых отходов (отходы ТЭС и отходы металлургического производства), на основе которых может быть получена комплексная минеральная добавка (КМД). КМД может состоять из двух или большего количества отходов, в том числе в сочетании с пластифицирующими добавками, которые, взаимно обогащая и активизируя друг друга, способствуют увеличению суммарного эффекта от применения их в бетоне. В данном случае КМД была получена на основе золошлаковых отходов, отходов металлургического производства в виде микрокремнезёма и суперпластификатора.

В качестве золошлаковых отходов применяли отвальные золы ТЭЦ-22 и Северодвинской ТЭЦ, которые для проведения эксперемент высушивали, а затем просеивали через сито 0,14 . В качестве отхода металлургического производства использовали МК Павлодарского завода с содержанием активного кремнезёма не менее 85%.

В работе использовали портландцемент Белгородского завода М500 и портландцемент элеваторный М400. В качестве мелкого заполнителя использовали песок Сычевского карьера с Мк = 2,5 и мелкий песок с модулем крупности Мк=1,8. Образцы, предназначенные для определения прочности бетона при нормальных условиях твердения, через день после формования раскрывали и помещали в камеру нормального твердения. Образцы, прочность которых определяли после пропаривания, пропаривались по режиму (3+3+8) ч, то есть медленное остывание при 80°С.

Из представленных данных таблицы 1 четко видно, что предлагаемая КМД позволяет сократить расход портландцемента в высокомарочных бетонах до 300 кг/м3 и при этом повысить прочность образцов бетона после пропаривания на 20%.

В таблице 2 приведены экспериментальные данные по составам и прочности вибропрессованных бетонов низких и средних марок на основе композиции зола МК-портлендцемент-СПС-3. Из приведенных данных следует, что использование предлагаемой композиции в вибропрессованных бетонах низких и средних марок позволяет получить бетон марки 100 с расходом портландцемента менее 100 кг/м3. Полученные результаты наглядно подтверждают, что использование композиции на основе взаимосочетаемых техногенных отходов, в данном случае (зола-МК-портландцемент- СПС-3) является эффективным направлением в создании малоклинкерных вяжущих и бетонов, а следовательно и ресурсосберегающих технологий при производстве бетонов.

Вместе с тем, необходимо подчеркнуть, что применение золошлаковых отходов в производстве бетонных и железобетонных изделий имеет в определенной степени больше проблем, чем применение их в производстве портландцемента, обжиговых материалов, а также в дорожном строительстве. Это обусловлено тем, что золошлаковые отходы, за редким исключением, не могут практически полностью заменить какой либо из компонентов и их следует рассматривать в качестве самостоятельного компонента, применение которого требует специальной технологической линии, соответствующей требованиям экологической безопасности. Вместе с тем, следует подчеркнуть, что золошлаковые отходы без предварительной подготовки представляют собой отходы, как правило, 4 класса опасности. Обращение с отходами данного вида, к которым относятся многие крупнотоннажные отходы промышленности, с 1992 года должно осуществляться с учетом действующей нормативно-правовой базы, которая по действующему законодательству обязывает платить экологические платежи за размещение их. Вместе с тем, для предприятий цементной промышленности, обжиговых керамических изделий, которые выработали запасы традиционного сырья, золошлаковые отходы используются в качестве вторичного минерального сырья.

Проблему увеличения объемов использования отходов в строительной индустрии можно решить за счет внедрения методов экологического менеджмента. В рамках принятых нормативно-правовых документов в области обращения с отходами производства и потребления заложен основной принцип, что производитель отходов оплачивает все расходы, связанные с размещением и утилизацией отходов, действует принцип -- загрязнитель платит за все, а именно, за транспортировку отходов, за покупку талонов на размещение на полигоне, рекультивируемом карьере, при строительстве или отсыпке дорожного объекта. При этом предприятия, размещающие или использующие отходы, должны иметь лицензии на право обращения с опасными отходами, к которым относятся и отходы 4 класса опасности. Кроме того, если отходы размещаются на полигоне или в карьере, то производитель обязан оплатить экологический платеж, составляющий в настоящее время 340 рублей.

Вместе с тем, применение золошлаковых отходов в производстве бетонных и железобетонных изделий имеет в определённой степени больше проблем, чем применение их в производстве портландцемента, обжиговых материалов и изделий, в дорожном строительстве, при благоустройстве территорий. Это обусловлено тем, что золошлаковые отходы, за редким исключением, не могут практически полностью заменить какой-либо из компонентов. При изготовлении строительных растворов, бетонных и железобетонных изделий их следует рассматривать в качестве самостоятельного компонента, применение которого требует специальных складов, трактов подачи, дозаторов, соответствующих требованиям экологической безопасности, то есть специальной технологической линии. При этом необходимо подчеркнуть, что золы сухого отбора имеют повышенное пыление даже по сравнению с цементом, а золошлаковые отходы из отвалов характеризуются переменной влажностью и составом. Это приводит к тому, что в зимнее время отходы смерзаются, весной переходят в вязко-текучее состояние, а летом пылят.

Кроме того, производитель обязан сопровождать каждую партию золы паспортом с указанием основных строительно-технических свойств, а потребитель, в свою очередь, должен осуществлять входной контроль и периодические испытания золы в соответствии с требованиями нормативных документов, аналогично применению традиционных сырьевых. При этом необходимо подчеркнуть, что в условиях значительной неоднородности строительно-технических и потребительских свойств, совокупный интегральных эффект от применения золы определяется не только её свойствами, но и сочетанием их с качеством исходного сырья, видом и маркой бетона.

Это требует создания специальной системы входного контроля качества золошлаковых отходов и технологической линии для хранения и введения их в технологический процесс производства. То есть организация производства бетонных и железобетонных изделий с применением золошлаковых отходов требует существенных капитальных затрат, которые многие предприятия не могут себе позволить.

Вместе с тем, следует подчеркнуть, что золошлаковые отходы без предварительной подготовки представляют собой отходы, как правило, 4 класса опасности. Обращение с отходами данного вида с 1992 года должно осуществляться с учетом действующей нормативно-правовой базы в области обращения с отходами, которая обязывает платить экологические платежи при размещении их на золоотвале в соответствии с ПП344.

Вместе с тем, для предприятий цементной промышленности, обжиговых керамических изделий, которые выработали запасы традиционного сырья, золошлаковые отходы следует рассматривать не как отходы, а как золошлаковые материалы, представляющие вторичное минеральное сырьё.

Именно по этой причине, предприятия строительной индустрии (Подольский , Щуровский цементные заводы, Карасевский, Тучковский, Софринский кирпичные заводы) покупают золошлаковые материалы и оплачивают транспортные расходы по их доставке на предприятия. Вместе с тем, уровень использования золошлаковых отходов в течение последних десяти лет практически не меняется, что можно объяснить значительными технологическими трудностями предприятий строительной индустрии при использовании отходов переменного состава и качества. При этом предприятия строительной индустрии расположены либо практически рядом с ТЭЦ-22, либо на небольшом расстоянии.

Проблему увеличения объемов использования отходов в строительной индустрии можно решить за счёт внедрения методов экологического менеджмента в рамках принятых и действующих нормативно-законодательных документов.

В рамках принятых нормативно-правовых документов в области обращения с отходами производства и потребления заложен основной принцип, что производитель отходов оплачивает все расходы, связанные с размещением и утилизацией отходов.

Российская инженерная академия по договору с Люблинским литейно-механическим заводом-филиалом ОАО РЖД выполнила работу по созданию эколого-экономически эффективной системы обращения с твердыми отходами литейного производства.

В результате выполнения данной работы было установлено следующее.

Производитель отходов несет полную ответственность за размещение отходов и действует принцип - загрязнитель платит за всё, а именно, за транспортировку отходов к месту размещения, за покупку талонов на размещение на полигоне, рекультивируемом карьере, а также за использование их при строительстве или отсыпке дорожного объекта. При этом предприятия, размещающие или использующие отходы, должны иметь лицензии на право обращения с опасными отходами, к которым относятся и отходы 4 класса опасности.

Кроме того, если отходы размещаются на полигоне, то производитель обязан оплатить экологический платёж, составляющий в настоящее время 340 рублей. Экологические платежи приравнены в настоящее время к налогам и просто снимаются со счетов предприятия и поступают в бюджет. Следует подчеркнуть, что стоимость талонов на размещение отходов на полигонах, транспортные расходы и экологические платежи постоянно увеличиваются, превышая официально существующую инфляцию.

Кроме того, по данным специалистов Департамента природопользования Москвы, размещение отходов на полигонах и рекультивации карьеров имеет ограниченные возможности, так как через три года лимит на размещение отходов в Московской области будет полностью исчерпан.

Вместе с тем, в результате выполненных комплексных исследований было установлено, что твёрдые отходы литейного производства по эколого-гигиеническим и строительно-техническим свойствам могут быть использованы на предприятии строительной индустрии в качестве микронаполнителя или мелкого песка. При этом использование отходов может осуществляться по двум направлениям.

Твердые отходы литейного производства без предварительной подготовки, содержащие комки и микровключения металла, предлагаются на предприятия строительной индустрии с целью их утилизации. В этом случае предприятие, которое будет использовать отходы данного вида должно получить лицензию на право обращения с отходами, пройти экологическую экспертизу и принимать твердые отходы литейного производства за определённую плату, оказывая природоохранную услугу по аналогии с карьером и полигоном. При этом транспортные расходы также оплачивает предприятие, которое сдаёт отходы.

Возможен и другой вариант вторичного использования отходов. Предприятие внедряет ряд технологических приемов и получает кремнеземистый компонент на основе твёрдых отходов литейного производства. Данный материал будет представлять не отход, а вторичное сырьё, которое соответствует необходимым требованиям по стабильности свойств и иметь всю необходимую документацию. В этом случае, предприятие, на котором образуется это сырьё, будет продавать его предприятиям строительной индустрии, которые в свою очередь должны оплачивать транспортные расходы, но полностью свободны относительно получения лицензии на право обращения с отходами, так как используют не отход, а вторичное сырье.

На основе вышеизложенного следует, что на предприятия строительной индустрии, использующие отходы промышленности, должны распространяться все те же условия по приему отходов, которые на сегодня действуют для полигонов и карьеров, оказывающих природоохранные услуги по приему отходов.

Следует подчеркнуть, что использование отходов в строительной индустрии значительно эффективнее с точки зрения охраны окружающей среды. Снижается нагрузка на полигоны и уменьшается риск вторичного загрязнения окружающей среды. Это обусловлено тем, что исключается непосредственный контакт отходов с окружающей средой, а производимые материалы и изделия с использованием отходов соответствуют требованиям эколого-гигиенической безопасности, так как цементный камень и бетон являются детоксикантами для многих вредных ингредиентов, включая даже и золы от мусоросжигания, содержащие диоксины. При таком подходе к использованию отходов в промышленной индустрии будут инвестироваться либо технологии переработки отходов с целью получения вторичного сырья, либо создание наукоёмких технологий производства строительных материалов с использованием отходов. При этом предприятия строительной индустрии выступают участниками рынка экологических работ, товаров и услуг и характеризуются как предприятия, производящие ресурсосберегающую технологию и природосберегающую продукцию.