Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный лесотехнический университет» Кафедра физико-химической технологии защиты биосферы Е.В. Купчинская Технологии утилизации и обезвреживания промышленных отходов Курс лекций Екатеринбург 2015 Утилизация твердых отходов сернокислотного производства Твердыми отходами производства серной кислоты являются: 1. Пиритные огарки; 2. Пыль циклонов и сухих электрофильтров; 3. Шламы промывных башен и мокрых электрофильтров. Переработка пиритных огарков В результате обжига 1 т пирита образуется 0,55 т пиритного огарка, который содержит 40- 63% железа, 1-2% серы, 0,33-0,47% меди; 0,42-1,35% цинка, а также драгоценные металлы в количестве 10-20 г/т. Извлечение цветных металлов из огарка Хлорирующий обжиг используется в том случае, если содержание меди превышает 0,5%. Использование этого метода позволяет извлечь 85-90% меди, значительную долю благородных металлов, а также обеспечивает практически полное обессеривание огарка. Стоимость получаемой меди покрывает расходы на переработку огарка. Перед обжигом к огарку примешивают до 20% размолотого хлорида натрия. В процессе обжига образуется хлорид меди. Оптимальная температура обжига составляет 550-600 0С. При температуре менее 530 0 С в шихте образуется водорастворимый сульфат железа, который ме- шает последующему выщелачиванию меди. При температуре более 600 0 С резко падает выход основных продуктов. Условия оптимального протекания процесса: - перемешивание шихты; 2 - достаточное содержание серы в огарке. Сера необходима для перевода хлорида натрия в сульфат натрия. Если серы мало, то добавляют колчедан. Для того, чтобы процесс начался и шел автотермично, достаточно смесь подогреть до температуры 200-3000С. Химизм процесса Процесс и дет в 3 стадии: На первой стадии происходит окисление сульфидов и образование хлорида железа (Ш): 2MeS + 3O2 → 2MeO + 2 SO2 MeO + SO2 + 0,5O2 → MeSO4 SO2+ 0,5 O2 → SO3 Fe2(SO4)3 + 6 NaCl → 3Na2SO4 + 2FeCl3 На второй стадии происходит взаимодействие газовой фазы с шихтой с образованием газообразных хлорирующих агентов: 2NaCl + SO2 + O2 → Na2SO4 + Cl2 4NaCl + 2 SO3 + O2 → 2Na2SO4 + 2Cl2 2NaCl + SO3 + H2O → Na2SO4 + 2HCl 4FeCl3 + 3O2 → 2Fe2O3 + 6Cl2 2FeCl3 + 3H2O → Fe2O3 + 6HCl На третьей стадии хлорирующие агенты взаимодействуют с оксидами и сульфидами металлов: MeS + Cl2 + 1,5O2 → MeCl2 + SO3 MeS + Cl2 + O2 → MeCl2 + SO2 MeS + 2HCl + 1,5O2 → MeCl2 + SO2+ H2O MeO + 2HCl → MeCl2 + H2O 3 2Me + 3Cl2 → 2MeCl3 В результате обжига 85-90% меди превращается в хлорид меди, который хорошо растворяется в воде. Поэтому из обожженной массы медь выщелачивают теплой водой в несколько стадий: сначала раствором от предыдущих операций, а затем разбавленной кислотой. Полученную вытяжку обрабатывают железным скрапом. При этом идет процесс цементации: CuCl2 + Fe → Cu + FeCl2 Процесс ведут без доступа кислорода, так как в присутствии кислорода происходит образование нерастворимого гидроксида железа(III), который загрязняет медь. Отработанный раствор содержит до 100 г/л сульфата натрия. Его выпаривают или вымораживают для получения десятиводного сульфата натрия. Выщелоченный огарок просушивают в механических печах до влажности 8-10%, а затем направляют на агломерацию и в доменное производство. 1т огарка дает до 20 кг меди и около 900кг агломерата. Метод хлоридовозгонки. При использовании этого метода огарок обрабатывают хлористым водородом в аппаратах кипящего слоя. При этом в газовую фазу в свободном состоянии выделяются хлориды тяжелых металлов. Хлористый водород может подаваться в газообразном виде, в виде раствора соляной кислоты или в виде солей, которые легко разлагаются или гидролизуются с образованием хлористого водорода. В этой технологии используют до трех последовательных аппаратов кипящего слоя: в первом аппарате при температуре 600-800 0С разлагаются все сульфиды. Во втором реакторе огарок вступает во взаимо4 действие с хлористым водородом. В третьем реакторе создают восстановительную среду, благодаря чему Fe2O3 переходит в Fe3O4. При последующем магнитном обогащении огарка содержание железа достигает 70%. Огарок направляют в доменное производство. Газы, выходящие из второго реактора содержат хлориды цветных металлов и избыток хлористого водорода. Их направляют в абсорбер, где образуется концентрированный раствор, из которого металлы извлекают различными способами. Используемый хлористый водород практически полностью регенерируется. Использование огарков в доменном производстве. Если не проводится извлечение цветных металлов, то пиритный огарок может быть сразу использован в доменном производстве. Однако этому мешает повышенное содержание серы (до 3,5%) и высокая степень измельчения. Для уменьшения содержания серы и укрупнения частиц огарка обычно используют агломерацию. Производство пигментов из огарков и огарковой пыли. Получение железного сурика. Для получения железного сурика используется несколько методов. При использовании первого метода для получения железного сурика огарок при нагревании обрабатывают серной кислотой, в результате этого образуется сульфат железа, затем полученную суспензию смешивают с алебастром, мелом, глиной и обжигают в печах. В зависимости от температуры обжига и вводимых добавок получают пигменты различных оттенков. 5 Недостатком данной технологии является то, что в железном сурике присутствует сера и ее соединения, что делает сурик коррозионноактивным. Такой сурик нельзя использовать для покраски металлических поверхностей. При использовании второго метода, технологическая схема которого представлена на рис.2, для получения железного сурика берут фракцию огарка 0,5-2 мм, наиболее богатую оксидами железа. Эту фракцию подают в шаровую мельницу (2). Измельченный огарок промывают водой в промывном чане (3). При этом удаляются водорастворимые соли железа, цинка и меди, вызывающие коррозию и частично удаляются соединения серы. Промывку огарок Пар 2 1 4 Н2 О 6 5 воздух наполнитель 7 3 железный сурик топливо Рис.2. Технологическая схема производства железного сурика из огарка 1- Сито; 2,6- шаровые мельницы; 3- промывной чан; 4- сушилка; 5- обжиговая печь; 7- смеситель. 6 проводят горячей водой (60-800С) при перемешивании, которое чередуют с отстаиванием до исчезновения окраски, вызываемой растворимыми солями. Отмытый огарок подсушивают глухим паром в сушилке (4) и подают на обжиг при температуре 850-9000С во вращающуюся печь (5). Цель обжига – удаление влаги и серы. Полученный после обжига полуфабрикат, который содержит до 90% Fe2O3, размалывают в шаровой мельнице (6) и смешивают с наполнителем в смесителе (7). В результате получают железный сурик, который можно использовать для окраски любых поверхностей. Получение желтой охры и мумии из огарковой пыли.. Огарковая пыль, осаждаемая в циклонах и электрофильтрах, содержит больше водорастворимых солей. Ее используют для получения пигментов типа желтой охры и мумии. Технологическая схема представлена на рис.3. Для получения пигментов огарковую пыль подают в реактор-растворитель (1), где ее перемешивают с водой в течение 20-25 мин. Для перемешивания используют сжатый воздух. Затем раствор отстаивают 8 часов. Окрашенную жидкую фазу откачивают в смеситель (2), куда добавляют мел и глину. При этом идет реакция Fe2(SO4)3 + 3CaCO3 → Fe2O3 +3CaSO4 + 3CO2 В результате получают насыщенный влагой осадок. Его высушивают в сушилке (5) при 800С и подают в шаровую мельницу (4), из которой выходит готовый продукт – сухой минеральный пигмент типа желтая охра. 7 Огарковая пыль Вода Глина + мел 1 Воздух Пар 2 5 3 4 Желтая охра 7 Мумия Пар Топливо 6 Воздух Глина Рис.3 Схема производства желтой охры и мумии 1 – реактор-растворитель; 2 – смеситель; 3,5 – сушилки; 4,7 – шаровые мельницы; 6 – обжиговая печь Влажный осадок из реактора-растворителя (1), содержащий 91% Fe2O3; 3,7% FeS; 5,3% примесей, сушат при температуре 1000С в сушилке (3) и затем передают в печь (6), где при температуре 800-9000С выжигается сера. Полупродукт, содержащий до 95% Fe2O3, направляется на измельчение в шаровую мельницу (7). Туда же одновременно подают глину. Из мельницы выгружают готовый продукт – минеральный пигмент типа мумии. Получаемые минеральные пигменты являются стабильными по цвету и неизменяемыми во времени. Масляная краска на их основе не сворачивается, а известковая хорошо схватывается. 8 Получение селена из шламов промывных башен и мокрых электрофильтров. В пирите содержится 0,002-0,02% Se, который является химическим аналогом серы. Поэтому при обжиге пирита кроме SO2 образуется SeO2. Так как селен встречается в природе в очень малых количествах и концентрациях, шламы сернокислотного производства являются основным сырьем для его получения. Основная часть селена выделяется со шламами в промывных башнях и мокрых электрофильтрах системы очистки обжигового газа. Механизм выделения селена из обжиговых газов достаточно сложен: при очистке обжигового газа SeO2 поглощается туманом и каплями орошающей серной кислоты . Растворимость SeO2 в серной кислоте велика. Растворяющийся в серной кислоте SO2 восстанавливает SeO2: SeO2 + 2SO2 +2Н2О → Se + 2Н2SO4 Одновременно идут процессы образования политиоселеновых кислот и селенистой кислоты: SeO2 + 3SO2 +2Н2О → Н2SеS2O6 + Н2SO4 SeO2 + Н2О → Н2SeO3 Политиоселеновые кислоты и селенистая кислота устойчивы при температуре не более 700С. При более высокой температуре они разлагаются : Н2SeO3 + 2SO2 +Н2О → Sе +2Н2SO4 9 Н2SеS2O6 → Sе + Н2SO4+ SO2 Образующийся металлический селен осаждается вместе с частицами пыли из кислоты промывных башен в виде шлама. Такой шлам содержит до 5% селена и называется бедным. Также селен осаждается в мокрых электрофильтрах. Из-за низкого содержания пыли содержание селена здесь достигает 50%. Такой шлам называют богатым. Бедный шлам разбавляют водой и прогревают острым паром для более полного выделения селена. Образовавшуюся пульпу фильтруют и полученный осадок промывают водой и 0,5% раствором соды. Затем шлам сушат при температуре 90-1000С. Также обрабатывают и богатый шлам. Затем оба шлама смешивают (содержание селена при этом составляет 10-12%) и подают на обжиг для извлечения селена. Из 1 т пирита получают 10-50 г селена. Переработка твердых отходов производства фосфорных удобрений. Основное количество фосфатных руд служит для производства фосфорных удобрений и фосфорной кислоты. Фосфорные концентраты перерабатывают следующими методами: 1. прямая кислотная обработка сырья с непосредственным получением готовых продуктов. Обработка обычно ведет серной кислотой; основная цель обработки – перевод нерастворимых средних фосфатов в растворимые кислые фосфаты 2. разложение фосфатов с получением экстракционной и термической фосфорной кислоты, которая служит для получения различных продуктов. 10 Утилизация фосфогипса. Фосфогипс – это серый, мелкокристаллический комкующийся порошок. Состав фосфогипса: CaSO4 –94 %, остальное – примеси (непрореагировавшие фосфаты, соединения Fe и Al, соединения фтора и неотмытая фосфорная кислота). На 1 тонну фосфорной кислоты образуется от 3,5 до 6 тонн фосфогипса. Основная масса фосфогипса идет сегодня в отвалы. Затраты на его транспортировку и хранение достигают 40% от стоимости основного производства. На сегодняшний день скопилось 275 млн. тонн фосфогипса на территории бывшего СССР и ежегодно это количество увеличивается примерно на 10 млн. тонн. Существует целый ряд технологий, позволяющих утилизировать фосфогипс: 1. Фосфогипс может использоваться как минеральное удобрение, так как он содержит 0,5 % фосфорной кислоты и 22,5 % серы, но использование возможно только не далее 500 км от завода, так как перевозка на более дальние расстояния экономически не выгодна. 2. Использование фосфогипса в производстве строительных материалов. Фосфогипс можно использовать в качестве добавки к цементу, предварительно высушив до влажности 50 %. 3. Использование фосфогипса в качестве вяжущего. Для этого фосфогипс обрабатывают в автоклавах с добавлением ПАВ и неорганических добавок. В результате обработки CaSO4*2H2O переходит в CaSO4*0,5H2O, который обладает хорошими вяжущими свойствами. Полученную суспензию фильтруют, сушат и размалывают. 4. Переработка фосфогипса с получением серной кислоты и цемента. 11 Технологический процесс включают несколько стадий: сушка фосфогипса размол добавок подготовка сырья к обжигу обжиг В процессе обжига шихты, состоящей из фосфогипса, кокса, песка и глины идет восстановление сульфата кальция коксом и образование клинкера. Песок и глина способствуют интенсификации восстановления CaSO4 , клинкер направляют на размол, в результате получают цемент. Разложение CaSO4 протекает в две стадии: 1. CaSO4+2С=СаS+2 СО2 (а) 2. (СаS+3 CaSO4=4CаО+4SO2 (б) СаS+ 2SO2= CaSO4+S2 При 9000С скорость обоих реакций примерно одинакова, при температуре более 9000С преобладает реакция (а), но дополнительно протекают побочные реакции: СО2 + С = 2СО 3 СаS+ CaSO4=4CаО+2S2 S2 +С=СS2 На побочные реакции расходуется углерод, поэтому его берут с 20-30% избытке, при большом избытке образуется много сульфида кальция, при недостатке углерода – много неразложившегося сульфата кальция. Горячий газ из печи обжига содержит пыль и SO2 , его очищают от пыли в циклонах и электофильтрах, затем подают на сернокислотную установку. На получение 1 т 98% серной кислоты расходуется 1,6 т фосфогипса, 0,14 т глины, 0,08 т песка, 0,11 т кокса. Установлено, что содержание до 15 % Р2О5 не влияет на процесс разложения CaSO4 но ухудшает свойство клинкера. Фтор, содержащийся в фосфогипсе при 12 обжиге переходит в газовую фазу, затем отравляет катализатор в процессе окисления SO2 в SO3 таким образом содержание фтора не более 15%, Р2О5- 0,5%. Себестоимость серной кислоты из фосфогипса в 1.4 раза выше, чем из колчедана. Производство фосфорной кислоты электротермическим методом Для производства фосфорной кислоты электротермическим методом можно использовать сырье любого качества. Термическое восстановление фосфора проводят в электрических печах при температуре 1200-14000C. В качестве восстановителя используют кокс, в качестве флюса – кремнезем. В электропечах идут следующие реакции: Ca3(PO4)2 + 5C +2SiO2 → P2 ↑ + 5CO + Ca3Si2O7 Ca3(PO4)2 + 8C →Ca3P2 + 8CO↑ Ca3P2 + 6C → 3CaC2 + P2 ↑ 2 CaF2 + SiO2 → 2CaO + SiF4 ↑ Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO ↑ 4Fe + P2 → 2 Fe2P Выходящий из печи газ направляют в электрофильтры. Пыль, задерживаемая в электрофильтре, содержит до 22 % Р2О5 и 15 % кальция. Ее можно использовать в качестве удобрений. Газ после электрофильтра направляют в конденсатор, где фосфор конденсируется при охлаждении газа водой. Смесь, образовавшаяся в конденсаторе, поступает в отстойник, где расслаивается на 3 слоя: вода, фосфор и шлам. Воду возвращают назад в конденсатор, фосфор направляют на получение фосфорной кислоты, шлам используется в производстве экстракционной фосфорной кислоты, а фосфор направляют на получение фосфорной кислоты. Для этого фосфор сначала сжигают с получением оксида фосфора: 13 2Р2 + 5О2 → 2 Р2О5 После чего его обрабатывают водой Р2О5 + 5Н2О → 2 H3PO4 Качество получаемой кислоты намного выше, чем при использовании экстракционного метода, а концентрация может быть получена любая. Основным недостатком этого метода является большой расход электроэнергии. Газ из конденсатора содержит до 85 % СО и небольшое количество примесей: 0,05 % Р; 0,2-0,4 % РН3; 0,5-1,0 % Н2S. Обычно этот газ используют как топливо после очистки от примесей. В печи образуются фосфиды железа, их периодически сливают, при застывании образуется чугуноподобная масса - феррофосфор. Его используют в литейном производстве, а также как раскислитель. Также образуется шлак следующего состава: SiO2 – 38-43 %; Al2O3 – 2-5 %; CaO – 44-48 %; P2O5 – 0.5-3 %; MgO – 0.51 %. При производстве фосфорной кислоты электротермическим методом на 1 тонну кислоты образуется до 4000 м3 горючих газов; 0,1-0,5 т феррофосфора; 0,05-0,35 т пыли; 50 кг шламов и 7,5-11 т шлака. Утилизация шлаков Шлаки, образующиеся в процессе производства электротермической фосфорной кислоты, могут быть использованы для производства стройматериалов, однако их применение осложняется присутствием значительных количеств фосфора и фтора. Поэтому разрабатываются специальные методы, например, проводится гидротермическая обработка непосредственно после получения шлаков, которая позволяет в значительной степени уменьшить содержание вредных компонентов: 14 CaF2 + H2O + SiO2 →2HF↑ + CaO + SiO2 Ca3P2 + 3H2O + SiO2 → 2PH3 ↑+ 3CaO * SiO2 CaS + H2O + SiO2 → H2S + CaO * SiO2 Переработка отходов производства калийных удобрений. При переработке и обогащении сырья в производстве калийных удобрений образуются миллионы тоннн галитовых отходов и сотни тыс т глинистосолевых шламов. На 1 т хлорида калия образуется 0.6 м3 глинистосолевых шламов с содержанием глинистой фазы 0.32 т и 3-4 т галитовых отходов, содержащих до 70% хлорида натрия, 4-5% хлорида калия, 1% сульфата калия, 5% нерастворимых веществ. Галитовые отходы могут быть использованы как сырье для производства кальцинированной соды, гипохлорита натрия. Их использование целесообразно для предприятий вблизи калийных месторождений, так как перевозка такого сырья нецелесообразна. В настоящее время галитовые отходы используются мало. Ведутся работы по совершенствованию технического получения хлорида калия, связанное с сокращением выемки из шахт галита и пустой породы, а также разработка мероприятий по возвращению отходов обогащения в выработанные пространства шахт. Кроме того осваиваются методы комплексного использования калийного сырья, получение наряду с калийными удобрениями рассолов для производства соли и гидроксида натрия, а также сырья для пищевой, кормовой и технической соли. 15 16 Переработка шлаков цветной металлургии Все шлаки, образующиеся в цветной металлургии можно разделить на три группы: Шлаки никелевых заводов и часть шламов медных заводов с низким со- держанием цветных металлов и железа. Извлечение ценных компонентов из них экономически нецелесообразно, наиболее приемлемым является переработка в стройматериалы. Медные шлаки со значительным содержанием железа, малым содержани- ем меди, присутствием до 3% свинца. Такие шлаки целесообразно перерабатывать при комплексном извлечении из них цинка, свинца, железа с одновременной утилизацией силикатной части. Оловянные и свинцовые шлаки, некоторые медные шлаки, отличающиеся значительным содержанием цинка и свинца, из этих шлаков целесообразно извлекать цинк и свинец даже без последующей переработки самих шлаков. Методы извлечения цинка и свинца. 1. Фьюмингование. При использовании этого метода через слой расплавленного шлака, находящегося в шахтной печи подают под давлением воздух с угольной пылью, причем воздух подают в количестве недостаточном для полного сгорания угля, что приводит к образованию СО, который восстанавливает содержащиеся в шлаке оксиды цинка и свинца. Образующиеся металлы возгоняются и уносятся отходящими газами. Далее металлы окисляются кислородом воздуха, превращаясь в оксиды. Газ направляют в пылеосадительные камеры или циклоны, где улавливают оксиды металлов. Работа шлаковозгонной фьюминг-печи является периодической: Заливка шлака 10-15 мин Подача воздушной пылеугольной смеси Отстаивание шлака Выпуск шлака из печи и его гранулирование 17 Выпуск штейна (штейн образуется если в исходном шлаке содержится значительное количество CиS). 2. Вельцевание – проводится в наклонных, горизонтальных, трубчатых, вращающихся печах в присутствии восстановителя при температуре 1100-12000С, процесс идет непрерывно. В печь загружают шихту, состоящую из зерен шлака размером 3-5 мм и кокса, масса кокса 50-55% от массы шлака. Шихта проходит через печь за 2-3 часа, при недостатке тепла в разгрузочный конец устанавливают горелку. Присутствие в шихте сульфиды расплавляются, образуя штейн, стекающий к разгрузочному концу печи. Оксиды цинка и свинца в шлаке восстанавливаются, возгоняются и образуются пары металлов, которые окисляются над шихтой до оксидов, уносимых из печи потоком газа и улавливаемых в системах очистки. 3. Электротермическая переработка – можно использовать жидкие и твердые шлаки. Переработку шлаков ведут в электропечах: электроды опускают в шлак, который расплавляется и взаимодействует с находящимся на его поверхности коксом. При 1250-13000С происходит восстановление цинка и свинца, пары которых направляют в конденсатор, где они переходят в жидкое состояние и их отливают в чушки и передают потребителю. После возгонки цинка и свинца шлак сливают из печи и направляют на извлечение железа и переработку силикатной части. При значительном содержании меди в шлаке образуется медный штейн, который сливают и сдают в медеплавильное производство. Степень извлечения цветных металлов примерно 90%. Переработка отходов горнодобывающей промышленности. 18 При добыче угля используется не менее 5% добываемой породы, 80% отправляются в отвалы, из них перерабатывается не более 4 %. Отвалы занимают многие десятки тыс. га, неблагоприятно влияет на окружающую среду. Твердые отходы угольной промышленности делят на 2 вида: 1. вскрышные породы и попутно-извлекаемые породы; 2. отходы углеобогащения. Переработка вскрышных и попутно-извлекаемых пород. 1. Производство керамзита – среди вскрышных и попутно- извлекаемых пород значительное место занимают пластичные глины, ежегодный выпуск которых составляет до 10 млн м3, из них можно получать керамзит наполнитель для легких бетонов и хороший теплоизоляционный материал. Исходное глинистое сырье после отделения камней направляют в глиномешалку, затем на вальцы тонкого помола, оттуда сырье поступает в шламбассейны для гомогенизации и усреднения. Из шламбассейнов усредненная глинистая масса поступает в формующий аппарат, где получают гранулы. Гранулы вводят в двухбарабанную вращающуюся печь: в первом барабане – идет подсушка, во втором – обжиг, во время которого зерна вспучиваются. Вспученные зерна керамзита с плотностью 150-800 кг/м3 после обжига охлаждают и рассеивают на фракции. 2. Рекультивация земель – комплекс работ, направленный на восстановление нарушенного в результате добычи полезных ископаемых, природнотерриториального комплекса, различают 2 этапа: Горно-технический – подготовка территории, планировка отвалов, покры- тие плодородными грунтами, могут быть использованы большие объемы вскрышных пород. Биологический 19 3. Закладка выработанного пространства – используется при шахтной добыче полезных ископаемых. Для закладки обычно используются отвалы и хвосты обогащения, а также отходы других производств. Добыча полезных ископаемых с закладкой применяется для более полного использования полезных ископаемых, так как при обычном способе добычи необходимо оставлять охранные перемычки, чтобы не произошло обрушения свода. Закладка производится как рыхлыми породами, так и твердеющим закладочным материалом. При использовании пустой породы усадка закладочного материала может достигать 50%, что приводит к оседанию толщин и появлению провалов на земной поверхности. При использовании твердеющего материала усадка не превышает 5 %. Для получения таких закладочных материалов используют твердые отходы горнообогатительных и других производств. В большинстве случаев к ним необходимо добавлять активаторы схватывания, однако некоторые материалы, например, шлаки сами могут выполнять роль вяжущих. Закладка может быть полной или частичной в виде слоев или полос, может быть гидравлической, пневматической. Закладочный комплекс представляет собой предприятие, оснащенное дробилками, грохотами, смесителями. Использование закладки выработанного пространства позволяет не только увеличить добычу руды и топлива, но и ликвидировать значительную часть твердых отходов, с другой стороны закладка – дорогостоящее мероприятие. Переработка отходов углеобогащения. 1. Производство аглопорита – шихту, состоящую из отходов угледобычи подвергают агломерации в процессе которой сырье вспучивается и увеличивается в объеме, полученный продукт дробят и рассеивают по фракциям, используют в качестве наполнителя для легких бетонов. 2. Производство SO2 – при обогащении угля с помощью уменьшения содержания в нем серы в качестве хвостов образуется углистый колчедан, который содержит 42-46% серы, 5-8 % углерода – является потенциальным сырьем для производства серной кислоты. 20 Если в качестве сырья использовать только углистый колчедан, то образуется газ с низкой концентрацией SO2 , кроме того при обжиге образуется слишком большое количество тепла, что приводит к повышению температуры выше оптимальной. Более рациональным является использование в качестве сырья отходов процессов травления железа, содержащего сульфат железа совместно с углистым колчеданом. Сульфаты и сульфиды берут в таком соотношении, чтобы обеспечить оптимальную температуру и автотермичность процесса обжига: FeSO4=FeO+SO4 –Q эндотермический процесс 4FeS+7O2=2Fe2O3+4SО2+Q экзотермический процесс В результате обжига образуется газ с содержанием серы до 18,5%, который направляют в сернокислотное производство. Переработка отходов заготовки и переработки растительного сырья. Отходы растительного сырья это отходы древесины и отходы сельскохозяйственного производства. Потребителями древесины являются деревообрабатывающая, целлюлозно-бумажная и гидролизная промышленность. В СССР ежегодно заготавливалось 400 млн. м3 древесины, из них 150 млн. м3 шло в отходы. Почти ¼ заготовленной древесины оставалось в лесу в виде сучьев, пней, щепы. 21 Отходы лесозаготовки это опил, обрезь, стружка, кора. Велико количество отходов и в сельском хозяйстве: солома, шелуха, кукурузные кочерыжки образуются до100 млн. т в год. Основную массу отходов подвергают сжиганию, складированию на свалках, оставляют на месте образования. Скопление отходов в местах их образования вызывает нежелательные последствия: Болезни леса Опасность возникновения пожаров Снижение урожайности Направления утилизации: 1. Предотвращать появления отходов 2. Перерабатывать отходы с получением полезной продукции Что делать: Использование отходов в местах их образования: а) Использование в качестве сырья для получения органических удобрений. Отходы необходимо измельчать и в виде опила вносить в почву- это увеличивает урожайность на 20-25% Компостирование б) Использование в качестве добавки в корм скота(измельчить, замочить в воде) в) Использование в качестве подстилки г) Производство витаминных добавок: в качестве сырья- хвойная лапка, ветви лиственных пород(измельчают и при 150-190 градусов пропаривают в течении 30 мин. При повышенном давлении, в результате получается корм для скота, не уступающий сену среднего качества) 22 д) Производство витаминной муки: в качестве сырья- хвоя(сушат при 350 градусов в течении 5-12 секунд, высушенный продукт измельчают- содержат каротин, витамины группы В) е) Сжигание Если растительные отходы, невыгодно использовать для получения какой-либо продукции - их сжигают, образуются менее токсичные газы, чем при сжигании угля. Использование отходов растительного сырья в производстве стройматериалов: 1. Производство древесно-волокнистых плит (ДВП) – осуществляется сухим и мокрым способом. Древесное сырье сначала размалывают на дефибрере, затем полученную массу отливают на сетки. Для придания водостойкости в волокнистую массу добавляют парафиновые, масляные, смоляные эмульсии, затем плиты сушат и прессуют. Поверхность ДВП покрывают полимерными пленками. Сырьем для ДВП может служить не только древесина, но кора и лигнин. 2. Производство древесно-стружечных плит (ДСП) – отходы растительного сырья, льняную, конопляную костру измельчают и смешивают со связующим, в качестве связующего используют фенолформальдегидные смолы. Затем полученную смесь подвергают горячему прессованию. ДВП и ДСП широко используют при изготовлении мебели. 3. Производство древесных пластиков – растительные отходы измельчают и обрабатывают растворами синтетических смол, затем сушат и подвергают горячему прессованию. Полученные изделия обладают высокой прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, поэтому их широко применяют в машиностроении, производстве стройматериалов. Использование этих пластиков позволяет 23 экономить значительное количество черных и цветных металлов и ценных пород древесины. Капитальные затраты окупаются в течение нескольких месяцев. 4. Производство древесной муки – древесные отходы размалывают до размера частиц 150-400 микрон. Ее используют в производстве линолеума, мебельной промышленности, для получения взрывчатых веществ. Также растительные отходы могут использоваться в производстве легких бетонов в качестве наполнителя и в производстве керамики в качестве выгорающих добавок. Химическая переработка отходов растительного сырья: 1. Использование отходов древесины в ЦБП – отходы лесопиления и лесозаготовки (щепа, обрезь, горбыль) могут быть использованы для производства целлюлозы. Если они окорены (без коры) эти отходы могут заменить до 50% древесины используемой в ЦБП. На 1 м3 отходов можно получить 220 кг бумаги. Также в производстве целлюлозы, бумаги можно использовать рисовую и пшеничную солому. Перед использованием отходы растительного сырья должны быть подготовлены, очищены от посторонних отходов и измельчены. 2. Использование отходов в гидролизном производстве – могут быть использованы все отходы растительного сырья, причем даже неокоренная древесина и кора. Производство удобрений. Производство удобрений базируется на микробиологической переработке сырья – основной способ компостирования. Отходы растительного сырья измельчают, увлажняют, формуют в рыхлые кучи высотой 50-70 см, шириной 1.5-2 м, длина не ограничена. Затем эти отходы 24 заражают специально выведенными культурами и добавляют суперфосфат и другие минеральные удобрения для повышения качества компоста. Процесс созревания компоста протекает с выделением тепла в течение 7-8 недель. Проводить компостирование можно только в теплое время года. Древесные отходы могут подвергаться компостированию с другими отходами, богатыми органическими веществами, например, с избыточным активным илом, образующимся в процессе биологической очистки сточных вод. В этом случае древесные отходы смешивают с обезвоженным активным илом, формуют в кучи, сверху накрывают готовым компостом и выдерживают длительное время. Созревание компоста идет намного быстрее, а качество выше. Термическая переработка отходов растительного сырья. Пиролиз – нагревание без доступа воздуха. При пиролизе древесины идут следующие процессы: до 1500С идет сушка от 150-2000С идет образование СО, СО2, метилового спирта, СН3СООН 250-2800С выход СО и СО2 падает, а выход метилового спирта и уксусной кислоты увеличивается, начинается образование метана, этана и водорода После 2800С пиролиз прекращают, оставшийся твердый остаток это дре- весный уголь, его охлаждают без доступа кислорода до 40-600С, либо выдерживают в бескислородной атмосфере, либо обрабатывают инертным газом. При охлаждении парогазовой смеси, выходящей из печи пиролиза часть органических веществ конденсируется, образуя дистиллят, в состав которого входит до 180 различных веществ. Дистиллят отстаивают. Образующийся при пиролизе лиственных пород древесины дистиллят разделяется на два слоя: нижний – смола, верхний – водный раствор органических соединений (жижка). 25 Дистиллят, полученный при пиролизе хвойных пород, разделяется на три слоя: нижний – смола, средний – жижка, верхний – скипидар с растворенными в нем смолистыми веществами. Древесную смолу подвергают разгонке, в результате получают флотационные масла, антиокислители для стабилизации крекинг бензина, сырье для производства пластмасс, растворителей, лекарств. Жижка содержит муравьиную, уксусную, пропионовую кислоты, ацетон, метиловый спирт. Из нее получают уксусную кислоту методом экстакции – в качестве экстрагента используют серный эфир. Древесный уголь используют в медицине, металлургии, химической промышленности. Производство активированных углей. Древесные отходы дробят, размалывают, смешивают со связующими добавками, пластифицируют и гранулируют. Полученный гранулят подсушивают и подвергают активации: 1. парогазовая активация – гранулят обрабатывают водяным паром и углекислым газом при 600-10000С во вращающихся печах. 2. химическая активация – в качестве активирующих агентов используют хлорид цинка, фосфорную кислоту, сульфат калия. Гранулят обрабатывают растворами этих веществ и нагревают до 500-6000С В результате обработки происходит существенное уменьшение массы сырья и развивается его пористость. Полученный уголь охлаждают и отправляют на упаковку. Переработка отходов в целлюлозно-бумажной промышленности. Главным отходом является кора, образующаяся в результате окорки древесины. 26 Способы утилизации коры: использование в гидролизном производстве использование коры в качестве топлива – кора должна иметь влажность не более 35%, поэтому ее отправляют на короотжимные прессы или подсушивают на спецплощадках. Получение брикетов – кору обезвоживают на короотжимных прессах, затем сушат в сушилке с кипящем слоем. Высушенную кору измельчают, прессуют с получением плотных высококалорийных брикетов, которые можно транспортировать как уголь. Переработка и использование отходов производства и потребления резинотехнических изделий. Основные отходы производства это невулканизированные и вулканизированные резиновые, резинотканевые материалы, образующиеся в результате различных стадий производства. Основную массу этих отходов увозят на свалки, 20-30% идет на изготовление изделий. Отходами сходными по составу являются автомобильные покрышки. Полностью изношенные покрышки неподлежащие восстановлению содержат до75% каучука и других ценных компонентов, израсходованных на производство новых покрышек. В настоящее время перерабатывается примерно 50% изношенных покрышек, регенерации не могут быть подвергнуты изделия утратившие эластичность и изделия с низким содержанием каучукового вещества. Перед регенерацией резиновые отходы должны пройти подготовку: Измельчение резины в крошку Отделение текстильной ткани 27 Смешение крошки с добавками (мягчителями и активаторами процесса девулканизации), который способствует переходу резины в пластичное состояние. В качестве мягчителей используется канифоль, сланцевые смолы, технические масла с температурой кипения больше 3000С, их молекулы проникают между молекулами каучука вызывая набухание; доза 10-30% от массы резины. В качестве активаторов используют различные пластификаторы, которые позволяют на 40% уменьшить температуру, сократить время девулканизации; доза 0.153% от массы резины. Процесс девулканизации осуществляется при нагревании измельченной резины с добавками в течение 7-8 часов. Нагревание производится за счет обработки острым паром при давлении 0,8-1МПа и температуре 160-1800С. При этом происходит деструкция вулканизированного каучука, его пространственная структура частично разрушается. Разрывы происходят как по местам присоединения атомов серы, так и в самих цепях. В результате получают девулканизат, который в своей структуре имеет большое количество двойных связей и вследствие этого способен снова вулканизироваться. Полученный девулканизат с целью гомогенизации и пластификации пропускают через червячный фильтр-пресс. В результате получают регенерат, который используют для получения какой-либо продукции. Себестоимость производства регенерата в 4-6 раз ниже себестоимости синтетических каучуков. В последнее время производство регенератов уменьшается из-за повышения требований к его качеству. Кроме резиновой крошки при переработке покрышек образуются металлические и текстильные отходы. Металлические отходы могут использоваться в черной металлургии в качестве металлолома, для получения стали. 28 Текстильные отходы используют для изготовления плит для тепло и звукоизоляции. Резиновая крошка может быть использована в производстве строительных материалов: бетонно-резиновой мастики, гидроизоляционных и кровельных материалов, в производстве дорожных покрытий. Перерабатывается от 50-85% покрышек. Отходы резинно-технических изделий можно подвергать пиролизу, при этом получают углеводороды и твердый остаток – сажу, которую можно использовать как наполнитель резинно-технических изделий Переработка отходов производства и потребления пластмасс и изделий на их основе. Отходы пластмасс делятся на отходы производства и отходы потребления. При производстве пластмасс образуются твердые отходы в виде слитков, литников, бракованных изделий.. Их обычно перерабатывают на тех же предприятиях, так как их можно перерабатывать на таком же оборудовании, что и сырье. Переработку ведут по двум направлениям: 1. с целью производства той же продукции, в процессе изготовления которой образовался отход. Отходы используют непосредственно после их образования на отдельных установках или измельчают и смешивают с сырьем. 2. для производства изделий менее ответственного назначения. Отходы сор- тируют, измельчают, гранулируют и на специальных установках получают тару, подстилки, сувениры. Утилизация отходов потребления. 29 Переработка и утилизация отходов потребления в настоящее время является большой проблемой. Начиная с 60-х гг. XX в. производство полимеров удваивается каждые 5 лет В настоящее время производится 100-120 млн т пластмасс. Необходимо учитывать исключительную стойкость пластмасс в естественных условиях, что приводит к значительному загрязнению окружающей среды. С отходами пластмасс теряется большое количество ценных органических продуктов, повторное использование которых позволило бы сократить потребление нефти и газа и уменьшить загрязнение окружающей среды. Перед переработкой отходов пластмасс необходимо их подготовить: собрать, провести сортировку, очистить от посторонних примесей и уплотнить. Переработка пластмасс. 1. Методы недеструктивной утилизации – превращение пластмасс во вто- ричные продукты без изменения химического состава: Переработка полиэтиленовой пленки: Вышедшая из употребления полиэтиленовая пленка поступает на сортировку для удаления случайных инородных включений и выбраковки сильно загрязненных кусков. Затем пленку измельчают в ножевых дробилках для получения рыхлой массы с размерами частиц не более 9 мм. Полученную массу подают на отмывку в шнековый промыватель, промывку ведут специальными моющими средствами. Отжатую массу с влажностью 10-15% подают на сушильную установку, где она высушивается до остаточной влажности не более 0,2 %. Затем масса подается в экструдеры, где она уплотняется, пластифицируется и плавится. Расплавленный материал, продавливаясь через фильеры, превращается в жгуты, которые тянущими вальцами подают в водяные ванны охлаждения, в которых температура падает до 30-400С (происходит затвердевание жгута) и в грануляторы, где жгуты разрезают на гранулы. Полученные гранулы сушат и подают в смеситель, где их смеши30 вают в соотношении 6:4 с первичным гранулированным полиэтиленом. Такое соотношение обеспечивает требуемое качество получаемой пленки. Полученную смесь перерабатывают с получением вторичной полиэтиленовой пленки толщиной от 80 до 200 микрон. Себестоимость такой пленки ниже, чем первичной. Частичная деструкция вязкоупругих свойств пластмассовых отходов делает невозможным их использование в качестве материала равноценного первичному. Схема переработки бытовых отходов. На переработку поступают пластмассовые отходы с примесями резины, стекла, металла. Конвейером их направляют в дробилки, измельченную смесь промывают и пневмотранспортом направляют в воздушный классификатор, в котором отделяют примерно 3% отходов. Затем отходы направляют на измельчитель 2-ой ступени, после чего потоком воздуха их транспортируют через магнитный сепаратор для удаления оставшихся включений металлов. Затем полученную смесь промывают растворами ПАВ и сушат в сушилке. Высушенные отходы перемешивают, чтобы не было комков и направляют на таблетирование. Полученные таблетки используют для получения изделий неответственного назначения. Криогенная переработка. Отходы пластмасс охлаждают с помощью жидкого азота и углекислого газа и измельчают в молотковых дробилках. В результате получают порошки, которые используют для изготовления не испытывающих высоких нагрузок антифрикционных покрытий и деталей неответственного назначения. Метод растворения Метод растворения используют для отделения изоляции электропроводов. Провода помещают в глицерин, в результате изоляция размягчается, набухает, в таком состоянии провода помещают в центрифугу, где происходит отделение пластмассы от металла. 31 Переработка отходов капрона. Отходы плавят в обогреваемых емкостях, полученный расплав продавливают через фильеры, образующиеся жгуты тянущими вальцами передают на охлаждение в ванны с водой, а затем на измельчение в рубильный станок. Полученную капроновую крошку многократно промывают горячей водой для удаления низкомолекулярных соединений и сушат, после чего перерабатывают в изделия. Использование отходов пластмасс для обезвреживания шламов цветных металлов. Смешанные отходы полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида при плавлении приобретают способность связывать жидкие шламы процессов очистки СВ от инов кадмия, свинца, хрома. Это позволяет проводить совместную утилизацию этих отходов путем переработки в низкосортные изделия. Высушенный шлам смешивают с измельченными отходами полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида в отношении 3:1:1:1, полученную смесь плавят и из расплава получают изделия неответственного назначения. 2. Методы деструктивной утилизации Деполимеризация капрона Твердые капроновые отходы обрабатывают в реакторе фосфорной кислотой при температуре 150-1600С. Капролактам переходит в парообразное состояние, его конденсируют в насадочной колонне и подвергают очистке. Выход мономера составляет 75-80 %. Полученный мономер пригоден для повторного использования. Гидролиз пенополиуретана. 32 Измельченные отходы обрабатывают острым паром при температуре 2903000С, в этих условиях идет гидролиз, в результате которого получают многоатомный спирт, диамин и углекислый газ, которые можно снова использовать для получения пенополиуретана. Пиролиз пластмасс. Пиролиз пластмасс ведут при температуре 9000С в вертикальных цилиндрических печах. Пиролизу можно подвергать не только твердые отходы пластмасс но также осадки образующиеся при очистке СВ, которые обычно направляют в шламонакопитель. Технология переработки шламов. При производстве алкилбутадиенстирольных пластиков образуются СВ, которые обрабатывают сульфатом алюминия. В результате образуется осадок белого цвета, который имеет следующий состав: полимер латекс 5-10%, гидроксид алюминия 4-5%, древесная мука 5-7%, влажность от 78-86%. Осадок подвергают пиролизу при температуре 700-9000С без доступа воздуха. Присутствующая в осадке влага и газообразные продукты пиролиза обеспечивают формирование пористой структуры. Поэтому остаток после пиролиза может использоваться в качестве сорбента для очистки газов и СВ. Исследования показали высокую эффективность его использования для удаления тяжелых металлов, нефтепродуктов и других загрязнений. В состав газообразных продуктов пиролиза входят различные углеводороды. Количественный состав может изменяться в широких пределах в зависимости от состава сырья и температуры обработки. Ликвидация отходов пластмасс Наиболее простой способ ликвидации – сжигание в печах различных конструкций. Измельчение и распыление отходов пластмасс обеспечивают практически полное их превращение в газ и воду. Однако сжигание некоторых видов полимеров сопровождается образованием токсичных газов. В этом случае необходимо предусмотреть мероприятия по очистке этих газов. Экономическая 33 эффективность сжигания наименьшая из всех способов утилизации отходов. Несмотря на это, сжигание является одним из наиболее распространенных методов. Методы самоликвидации пластмасс. 1. биодеградация – некоторые виды пластмасс способны разлагаться под воздействием бактерий, плесени. Для интенсификации этого процесса можно вводить в пластмассы добавки крахмалоподобных веществ и соединения железа, они будут служить центрами биораспада. 2. фотодеградация – способность к распаду под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца. Фотоактивные группы присоединяют к главным цепям полимера во время синтеза. Поглощая ультрафиолетовые лучи, эти группы используют их энергию для разрушения полимерных цепей. В результате изделия становятся хрупкими и легко рассыпаются. Для обеспечения требуемого срока службы в состав пластмасс вводят стабилизаторы в определенном соотношении с активаторами деградации. Переработка отходов нефтепереработки и нефтехимии. В нефтепереработке и нефтехимии промышленности основным отходом являются кислые гудроны, образующиеся в процессе сернокислотной очистки нефтепродуктов. Кислые гудроны – смолообразные, высоковязкие массы, содержащие 10-93% органических веществ, а также воду и серную кислоту. Выход кислых гудронов составляет 200 т в год, степень использования 25%. Кислые гудроны делят на 2 вида: 34 1. гудроны с большим содержанием кислоты 2. гудроны с большим содержанием органических веществ Методы утилизации: использование гудронов в качестве топлива – можно использовать только гудроны с большим содержанием органических веществ, отходящие газы содержат большое количество токсичных веществ, для очистки требуются большие затраты получение SO2 – кислые гудроны смешивают с отработанными раствора- ми серной кислоты и направляют в форсуночные печи, сжигание проводится при температуре 800-1200, в этих условиях образуется SO2 и практически полностью сгорают органические вещества. SO2 направляют на очистку от пыли и затем на производство серной кислоты. Производство битумов – при нагревании кислые гудронов сульфосоеди- нения, которые входят в их состав и свободная серная кислота расщепляются и, окисляя органическую часть, вызывают уплотнение гудронной массы. Для получения гомогенной массы к кислым гудронам добавляют прямоточные гудроны (смолистые массы, получающиеся после отгона из нефти топливных, масляных фракций). Процесс варки битума ведут в обогреваемом токсичными газами кубе при температуре 280-3000С. При нагревании сначала испаряется вода, затем удаляются SO2 и органические соединения с наименьшей температурой кипения. Органические соединения конденсируют и получают масляную фракцию. SO2 адсорбируют раствором соды или аммиачной водой. Несконденсировавшиеся углеводороды и СО2 выбрасывают в атмосферу. В кубе остается гомогенная вязкая масса – битум. Переработка нефтяных шламов. 35 Твердые примеси, присутствующие в нефти и вспомогательных материалах приводят к образованию нефтяных шламов. Количество шламов – 7 кг на 1 т нефти. Такие шламы представляют собой тяжелые нефтяные осадки, содержащие от 10 до 56% нефтепродуктов, 30-80% воды, 15-46% твердых примесей. При хранении в шламонакопителях они расслаиваются на 3 слоя: 1. водная эмульсия нефтепродуктов 2. загрязненная нефтепродуктами и взвешенными веществами вода 3. влажная твердая фаза, пропитанная нефтепродуктами Самый распространенный способ утилизации нефтяных шламов – сжигание в печах различной конструкции. Технология сжигания. Нефтяной шлам поступает в печь кипящего слоя, где сжигается за счет подвода сжатого воздуха. Если теплотворной способности шлама недостаточно, к нему добавляют топливный газ. Дымовые газы, образовавшиеся в результате сжигания шлама поступает в воздухонагреватель, где отдают тепло холодному воздуху, поступающему на сжигание, после чего дымовые газы очищают от золы и выбрасывают в атмосферу. Из нефтяных шламов можно получить горючий газ методом пиролиза, но не нашел применения из-за больших капитальных затрат. Геотехнология. Геотехнологические процессы исключают вынос на земную поверхность пустых пород, добыча полезных ископаемых производится в местах их залегания. Добычу ведут через скважины, средством добычи служит рабочий агент- растворитель Исключен тяжелый труд, так как процесс добычи автоматизирован. 36 Скважинная гидродобыча Используют для добычи растворимых солей. В скважину, пробуренную до залежей каменной соли нагнетают воду, затем через эту же скважину отбирают образовавшийся рассол. Подземная выплавка С помощью подземной выплавки можно получать серу. В скважину по одной трубе подают под давлением воду при температуре 150-1600С, по другой трубе в скважину подают сжатый воздух, в результате чего сера расплавляется и флотируется на поверхности. Методы технической микробиологии Микроорганизмы используются для перевода нерастворимых соединений в растворимые. Известно большое количество микроорганизмов способных к бактериальному выщелачиванию. В промышленности широко используется тионовые и железобактерии. Источниками энергии для этих бактерии служат реакции окисления неорганических соединений железа и серы. Например, с помощью тионовых бактерий нерастворимый сульфид меди переходит в растворимый сульфат. Технология Бактериальный раствор закачивается в скважину, в результате жизнедеятельности бактерий CuS переходит в CuSO4 , который хорошо растворяется в воде и таким образом переходит в бактериальный раствор, обогащая его сульфатом меди. Затем раствор выкачивается из скважины и направляется в отстойник для отделения взвешенных веществ и бактерий. Бактерии возвращаются на выщелачивание, осветленный раствор подают в цементатор, туда же добавляют железный скрап, в 37 результате чего медь выделяется в свободном состоянии, ее отделяют от раствора и подают на сушку и упаковку. 38 Переработка твердых бытовых отходов. Ежегодно образуется более 30 млн. т бытовых отходов, которые складируются на полигонах (95%). В состав БО может входить пластмасса, резина, бумага, кожа, металлы, стекло, текстиль, камни, пищевые отходы и другое. Бытовые отходы обладают следующими свойствами: Фракционный состав –частицы размером 150-300 мм, составляют 85-95% всех отходов. Плотность – 150-200 кг/м3 Влажность – 30-60% Теплотворная способность ТБО содержат большое количество ценных компонентов, которые можно многократно использовать. Для того чтобы использовать ценные компоненты необходимо проводить сортировку отходов. Наиболее эффективна сортировка ТБО на стадии их сбора. Сбор бытовых отходов. Организация сбора ТБО зависит от благоустроенности жилья, расстояния от места сбора до места складирования или переработки отходов. Основные способы сбора ТБО: В малоэтажных домах жители в определенное время выносят мусор и за- гружают его в автомашины. В высокоэтажных домах – с помощью мусоропровода. Контейнеры Вакуумный метод – исключаются контейнеры, и весь процесс сбора му- сора автоматизирован. Все мусоропроводы обслуживаемых зданий соединены через затворы и транспортные трубопроводы с приемным бункером. Работа вакуумной пневмосистемы осуществляется автоматически. Продолжительность 39 опорожнения одного мусоропровода составляет 15-30 секунд. Из мусоропровода ТБО под действием собственной массы и разряжения попадают в транспортный трубопровод, по которому перемещаются к приемному бункеру. Такие системы имеют расстояние сбора до 1,5 км и могут обслуживать до 20 тыс. человек. Эвакуация ТБО. В настоящее время среднее расстояние вывоза ТБО составляет 18 км, в некоторых городах до 100 км. Транспортировку осуществляют специальными грузовиками по одно- и двухэтапной системе.1-ый этап – расстояние не более 20 км, 2-ой – при расстоянии более 20 км, более выгодна так как мусоровозы привозят мусор из разных районов города к месту перегрузки, где перегружают на более вместительные машины, что позволяет экономить топливо. Технология складирования ТБО на полигонах. ТБО размещают на рабочей карте шириной 5-10 м и длиной 30-150 м слоями по 0,5 м, после чего отходы уплотняют с помощью бульдозеров и катков. Уплотненный слой отходов толщиной 2 м изолируют слоем грунта (25 см), следующий слой отходов укладывается не ранее чем через 3 месяца. В зимнее время изоляцию можно проводить снегом. Требования к площадке под полигон: Грунт должен быть плотный (скальный или глинистый) Грунтовые воды не должны подниматься выше2 м от поверхности Для отвода фильтрата на площадке устраивают дренаж из гравия. Недостатками технологии являются: Полигоны занимают большие площади, так как плотность отходов не пре- вышает 220 кг/м3 Возможно заражение подземных вод выщелоченными продуктами 40 Происходит гниение отходов, сопровождающееся неприятным запахом и образованием метана, в результате чего может происходить самовозгорание мусора Возможен разброс отходов ветром Неэстетичный вид. Брикетирование ТБО. Сравнительно новый способ, в настоящее время находит все более широкое применение. Уплотнение отходов способствует уменьшению занимаемого объема, приводит к экономии площадей и средств при хранении и транспортировке отходов. При брикетировании существуют определенные трудности из-за того, что эти отходы неоднородны, и их состав нельзя заранее предугадать. Наибольшее осложнение в работу механизма по прессованию вносит высокая абразивность компонентов и высокая агрессивность среды. Технология брикетирования. Бытовые отходы без предварительной сортировки подают на специальный пресс, где под давлением 280 атмосфер происходит их уплотнение и автоматическая обвязка 4 - 5 рядами проволоки. При этом плотность отходов возрастает в 4-5 раз и достигает 1100-1200 кг/м3. Из отходов удаляется влага, которая могла бы загрязнить подземные воды и также является источником активных процессов ферментации. Брикет имеет размеры 1100*1100*2000 мм, масса 2400-2500 кг. Брикеты легко погружаются с помощью автопогрузчика и перевозятся любым видом транспорта. Брикеты могут использоваться как строительный материал для создания высоконагружаемых полигонов, для закладки карьеров и других неровностей местности. На полигоне брикеты выкладывают рядами по 5 блоков, общая высота 3-5 м, сверху засыпают слоем земли толщиной 20-25 см. Если брикетирование совместить с сортировкой отходов, то этот метод будет еще эффективнее. 41 Термические методы переработки ТБО. Все термические методы переработки ТБО делятся на 2 вида: процессы, протекающие при температуре меньшей, чем температура плавления шлака и при температуре большей температуры плавления шлака. Слоевое сжигание неподготовленных ТБО в топках с колосниковыми решетками. Сжиганию подвергают все поступающие отходы без предварительной подготовки. Исходные ТБО доставляют мусоровозами и загружают в бункер, из бункера грейферным краном отходы подаются в загрузочную воронку, из которой они направляются в топку на колосниковую решетку с помощью гидравлического толкателя. Температура сжигания составляет 850-1000оС.Решетка расположена наклонно под углом 6-12о, что обеспечивает медленное перемешивание сжигаемых отходов от разгрузочного к разгрузочному концу. После колосниковой решетки образовавшийся шлак через шихту попадает в гидрозолоудалитель с толкательным устройством. Под колосниковой решеткой по всей ее длине установлено скребковое устройство для сбора просыпи между колосниками. При утилизации тепла газы, образовавшиеся в результате сжигания отходов, направляют в пароперегреватель, где образуется пар, который может использоваться непосредственно, либо подается в турбины для получения электроэнергии. Однако производительность пароперегревателей при использовании ТБО в 3-4 раза ниже по сравнению с установками, работающими на ископаемом топливе. Для стабильной работы печи без использования топлива теплотворная способность отходов должна составлять не менее 2000 ккал/кг. Сжигание отходов в барабанных вращающихся печах. Эти печи для сжигания неподготовленных ТБО используются редко, обычно они используются для сжигания больничных отходов, жидких и пастообразных 42 промышленных отходов. Барабанные печи устанавливают с небольшим наклоном в направлении движения отходов, скорость вращения печи составляет 0,05-2 об/мин. Со стороны загрузки подают отходы, воздух, топливо. С противоположной стороны печи выгружают шлак и золу. В первой части печи отходы подсушиваются при 4000С, происходит их газофикация и сжигание при 900-1000 оС. Производительность барабанной печи составляет до 10 т/час. Сжигание в печах кипящего слоя. Печи кипящего слоя обеспечивают наилучший режим теплопередачи и перемешивания обрабатываемого материала. К недостаткам печей кипящего слоя относят: высокие требования к однородности фракционного состава и теплотворной способности; Температура сжигания 850-9200С, поэтому образуется меньше оксидов азота, чем в других печах. Роль теплоносителя выполняет тонкозернистый песок, частицы которого создают большую поверхность нагрева. Технология сжигания. Сначала в печь подают один песок и с помощью горелки нагревают до 7508000С, затем начинают подачу в кипящий слой отходов, они смешиваются с песком и в процессе движения истираются. Благодаря хорошей теплопроводности песка отходы начинают быстро гореть во всем объеме кипящего слоя. Выделяющееся при этом тепло обеспечивает поддержание песка в горячем состоянии, что позволяет работать без подвода дополнительного топлива. Образующийся в результате сжигания шлак вместе с частью песка выгружают из печи и подвергают грохочению с целью регенерации песка. Отходящие газы направляют в циклоны для очистки от пыли после чего выбрасывают в атмосферу. Сжигание-газификация в плотном слое кускового материала. 43 Требования к материалу: крупность не более 200 мм и теплотворная способность не менее 1500ккал/кг. Процесс осуществляется в реакторе типа вертикальной шахтной печи внутренний диаметр – 1,5 м и высота 7 м. В реактор сверху загружают ТБО и инертный материал типа доломита в соотношении 1:4. Снизу полают газифицирующий агент – паровоздушную смесь с температурой 600-8000С. Процесс идет в 2 стадии: 1. газификация отходов ( температура не превышает 11000С) 2. сжигание получаемого синтез-газа. Твердый материал перемещается в реакторе сверху вниз под действием силы тяжести. При этом отходы проходят зоны подогрева, сушки, пиролиза, газификации. На стадиях пиролиза и газификации образуется газ, который содержит водород, СО, СО2, С, смолистые вещества, азот, пары воды. Продукты газификации выводят из реактора при150 оС. Теплотворная способность синтез-газа составляет 1200 ккал/м3. В синтез-газе практически отсутствует пыль, поэтому его без очистки можно использовать для сжигания в виде топлива в паровом котле. Получаемый шлак практически не содержит органических веществ. После выгрузки из реактора шлак отделяют от инертного материала методом грохочения. Инертный материал используют повторно. К недостаткам относят: большой объем отходящих газов который составляет 5-6 тыс.м3 на тонну ТБО, образование значительного количества шлака: 25% по массе и 10% по объему. Шлаки содержат большое количество тяжелых металлов и находят очень ограниченное применение из-за того, что токсичные элементы легко вымываются из них. Если шлак будет расплавлен то при охлаждении он остекловывается, в этом случае токсичные вещества находятся в связанном состоянии и не вымываются из шлака даже после измельчения. Для получения шлаковых расплавов непосредственно в 44 процессе термической переработки ТБО необходимо обеспечивать температуру большую, чем температура плавления шлака(13000С), что требует либо использование подвода дополнительного количества топлива или энергии, либо использования кислорода. Процессы, протекающие при температуре большей температуры плавления шлака: 1. Сжигание ТБО в слое шлакового расплава – используется чистый кис- лород или воздух обогащенный кислородом, что обеспечивает: резкое сокращение объема дымовых газов и затрат на газоочистку, уменьшение содержания оксидов азота, очистка от которых сложна, возможность использования простого оборудования, например шлаковых ванн, в которых нет движущихся частей. Технология сжигания. ТБО сбрасывают в ванну, в которой находится интенсивно перемешиваемый расплавленный шлак. Перемещение расплава осуществляется с помощью окислительного, кислородно – воздушного дутья, подаваемого через фурмы, расположенные в нижней части боковых стенок, то есть ниже уровня расплава. Для дожигания дымовых газов предусмотрена подача дутья через ряд верхних фурм, которые расположены выше уровня расплава. Минеральная часть отходов растворяется в шлаке, а металлические компоненты расплавляются. Для получения шлака заданного состава в печь добавляют флюс. Если содержание металлов в отходах велико, то они образуют отдельный слой. Металлический расплав и шлак сливают раздельно, после охлаждения передают в предприятия втормета, шлак используют для производства стройматериалов. Если ТБО имеет низкую теплотворную способность, то к ним добавляют уголь или природный газ. К недостаткам относят: запуск печи идет 7-8 суток, значительная часть металлов теряется со шлаком, сложно поддерживать требуемую температуру без использования топлива. 45 2. Сжигание ТБО в плотном слое кускового материала и в шлаковом расплаве без принудительного перемешивания. Используются шахтные печи. Подлежащие переработке отходы смешивают с низкосортным углем (25-30% от массы ТБО) и известняком (30% от массы ТБО), загружают в печь и продувают воздухом нагретым до 1000-14000С, в результате получают металлический расплав и шлак. Тепло отходящих газов можно использовать для получения пара и электроэнергии. Преимущество: возможность переработки любых отходов. Недостатки: использование большого количества топлива, сложность получения и реализации металлического расплава. Комбинированные процессы. Пиролиз-сжигание. ТБО измельчают роторными ножницами до размера частиц не более 200 мм и подвергают пиролизу при 4500С в течение 1 часа во вращающихся барабанных печах, снабженной обогреваемыми внутренними лопастями. Скорость вращения 4 об/мин. Обогрев лопастей проводится дымовыми газами с температурой 6000С, так как пиролиз ведется при 4500С, многие минеральные компоненты не претерпевают никаких изменений, а лишь очищаются от органики. В результате пиролиза образуется пиролитический газ и пиролитический твердый остаток, который представляет собой смесь углерода и минеральных компонентов. Из твердого остатка отбирают металлы методом грохочения. Углеродистый остаток измельчают на угольной мельнице до частиц размером не более 100 мкм. Полученную угольную пыль совместно с пирогазом подают на сжигание при 13000С, в результате образуется расплавленный шлак, который потом охлаждают и используют в производстве стройматериалов. Отходящие газы подают в котел-утилизатор, образующийся пар используют для получения электроэнергии. Преимущества: не требуется дополнительного использования топлива, дымовые газы практически не 46 содержат тяжелых металлов вследствие отделения минеральных компонентов перед сжиганием. Недостатки: необходимость измельчения всей массы отходов, при грохочении выделяется много пыли. Пиролиз-газификация. ТБО последовательно подвергаются дроблению, прессованию, пиролизу при 6000С в печи туннельного типа, длинна печи 12 м. Из пиролизной печи твердый остаток, содержащий минеральные и органические компоненты направляют в реактор газификации вертикального типа. Газифицирующим агентам служит кислород. Газификация с образованием СО проходит в нижней части реактора, где температура поднимается до 2 0000С, образуется расплав, который поступает в шлаковую ванну, где разделяется на 2 слоя: металл и шлак. Синтез – газ выводят из верхней части реактора, охлаждают и очищают от пыли, после очистки используют как топливо. Недостатки: дополнительные затраты, необходимость дробления всей массы отходов, загрязнение синтез-газа тяжелыми металлами, сложность утилизации металлического расплава. Сжигание специально подготовленных ТБО совместно с природным топливом в топках энергетических котлов Метод применяется с середины 70 – х. гг. за рубежом. ТБО загружают в приемный бункер, откуда транспортером подают в мельницу, где их измельчают до размера частиц не более 15 см., 80% отходов имеют размер 5 см.. Затем из отходов выделяют черные металлы методом магнитной сепарации и падают в котельную, где их сжигают совместно с углем в соотношении 1: 1. Преимущество: позволяет экономить до 20% топлива, не нужно строить новые установки, а нужно реконструировать уже существующие. 47 Очистка дымовых газов мусоросжигающих заводов. Состав газа: пыль 1.5 – 5 г/ м3, SO2 30 – 180 мг/м3 оксиды азота 10 – 160 мг/м3, СО 140 – 250 мг/м3, HCl 10 – 200 мг/м3, HF 0,07 – 3 мг/м3, хлорорганические соединения 100 – 120 мг/м3, смолистые вещества 5 -20 мг/м3, диоксины 0,1 – 0,2 мг/м3. Схема очистки газа Проводят дожигания СО и углерода в специальном реакторе при 1 2000С, такая температура поддерживается за счет подачи воздушного дутья. Затем в поток газа впрыскивают 10% раствора соды, после чего остаточная концентрация SO2 не превышает 50 мг/м3, HCl 10 мг/м3, HF 1 мг/м3. Затем проводят восстановление оксидов азота карбамидом до молекулярного азота, после чего газ охлаждают в котле – утилизаторе и скруббере. После чего проводят очистку от пыли в рукавных фильтрах и выбрасывают в атмосферу. Утилизация золошлаковых отходов. Золошлаковые отходы относятся к 3 классу опасности. Зола обладает вяжущими свойствами, поэтому ее можно использовать в качестве активной минеральной добавки при производстве цемента, также шлаковую золу используют в производстве асфальтобетона, облицовочной плитки, шлакового щебня, в качестве наполнителя для легких бетонов. Плазменный пиролиз ТБО. Преимущества: 48 Возможность переработки отходов без предварительной сортировки и дробления Возможность переработки отходов с большим содержанием неорганических компонентов Образование чистого шлака, пригодного для использования в стройматериалах Отсутствие вредных выбросов Технология плазменного пиролиза. Отходы поступают в комплекс приемки, взвешиваются, загружаются в бункера-накопители. В отдельные бункеры загружают высококалорийные отходы (пластмасса, древесина, бумага). В бункере, содержащем двухдневный запас отходов происходит их усреднение и подсушивание, после чего с помощью дозатора обычные и. высококалорийные отходы подают в реактор. Используется печь шахтного типа, загрузка отходов и отвод пирогаза производится сверху, а ввод теплоносителя и скачивание расплавов – снизу. В печи имеется мощный источник тепловыделения – плазмотрон, посредством которого осуществляется термическая обработка отходов. Двигаясь сверху вниз, отходы проходят несколько зон: 1. зона сушки – происходит удаление воды 2. зона пиролиза – происходит образование летучих соединений и их разложение, приводящее к образованию легких и тяжелых углеводородов, смолистых веществ 3. зона газификации – происходит образование СО и водорода за счет разложения коксового остатка поступающего из зоны пиролиза. Энергия, необходимая для процессов пиролиза и газификации органических соединений, образуется в результате горения отходов, поступает с плазменной струей, вытекающей из плазмотрона. 49 4. зона плавки неорганических соединений плазменной струей – вывод расплавов, металлов, шлака. Из 1 т перерабатываемых отходов образуется 1100 м3 сухого пирогаза, 243 кг расплава. Выходящий из печей газ имеет температуру 400оС и содержит: метан 2,5%, этилен 1%, водород 38%, СО 40%, смолистые вещества, пыль, в небольших количествах сероводород, сероуглерод и др. Пирогаз может использоваться в газотурбинных установках для получения электроэнергии, однако предварительно необходимо провести тщательную очистку. Пирогаз проходит довосстановление диоксинов в печи или горячем циклоне. Затем газ поступает в конденсатор смолы, который представляет собой наклонную трубу, в которую впрыскивается слабый раствор щелочи. Вода частично испаряется, охлаждая поток газа, а остальная часть воды стекает по дну трубы унося сконденсированную смолу и пыль, здесь конденсируется до 75% смолы. Затем вода со смолой отделяется в сепараторе, а после смола отделяется от воды в отстойнике. Смола из отстойника подается в сборник, а затем возвращается в печь на сжигание, а вода снова подается в конденсатор смолы. Газ из сепаратора поступает в скруббер, где он орошается водой, здесь происходит конденсирование низкокипящей смолы. Конденсат, содержащий смолу, подается в отстойник, смола из отстойника подается в сборник, а затем в печь. Количество промывной воды в этом контуре постепенно увеличивается за счет паров воды, образующихся при пиролизе отходов, поэтому часть воды выводится в канализацию. После скруббера пирогаз направляется в электрофильтр для улавливания тумана смолы и затем поступает в газгольдер, где хранится при давлении 400 атм. Из газгольдера газ поступает в газотурбинную установку для получения электроэнергии. Полученная в газотурбинной установке электроэнергия полностью покрывает энергетические нужды плазмотрона, а излишки энергии подаются во внешнюю энергетическую сеть. Из 1 т отходов образуется пирогаз, который обеспечивает получение 1000 кВт/ч электроэнергии, 670 кВт/ч идет на нужды плазмотрона, а 330 кВт/ч во внешнюю сеть. Образовавшийся шлак подвергают гранулированию и используют в производстве цемента, как наполнитель бетонов, 50 при строительстве дорог. Металлический расплав разливают в формы и после охлаждения передается на предприятия втормета. Аэробное компостирование ТБО. Предварительно должна быть проведена сортировка отходов, удалены механические включения. Компостирование осуществляется с использованием мезо- и термофильных бактерий. На компостирование влияют: влажность отходов ( должна составлять 50-80%); температура работы мезофильных бактерий 15-350С, термофильных – 45650С; рH 6-7.5; потребность в кислороде – зависит от влажности, температуры, состава бактерий и состава отходов, min – 1 мг кислорода на г отходов в час при 200С, влажности 45%; max – 13,6 мг при 550С, влажности 80%; углерод-азотный баланс – оптимальное значение 25 (чем больше баланс отклоняется от оптимального, тем медленнее идет процесс). Компостирование проводят двумя способами: 1. на открытом воздухе 2. в заводских условиях в биобарабанах Компостирование в заводских условиях в биобарабанах Производительность завода составляет от 60 до 200 тыс. т ТБО в год. Отсортированные ТБО загружают в приемный бункер, затем проводят их измельчение и загружают в биотермический барабан. В биобарабане происходит доизмельчение отходов за счет истирания и начинается активный биотермический процесс, в результате которого компостируемый материал саморазогревается до 51 температуры 55-600С, что способствует его обезвреживанию. В биобарабане последовательно проходит 3 фазы: фаза нарастания температуры – характеризуется усиленным размножением мезофильных бактерий, оптимальная температура развития 25-300С, источником энергии служат легкоразлагаемые органические вещества, содержащиеся в пищевых отходах. В процессе жизнедеятельности бактерии выделяют тепло, что приводит к увеличению температуры до 500С. Стационарная фаза высоких температур – характеризуется развитием термофильных бактерий, в результате жизнедеятельности которых увеличивается выделение тепла, ускоряются процессы переработки отходов в компост (при увеличении температуры на 100С микробиологические процессы ускоряются в 2-3 раза). Фаза падения температуры – характеризуется медленным уменьшением температуры, которая свидетельствует об исчерпании легкоразлагаемых органических веществ. Термофильная микрофлора переходит в состояние спор, а мезофильная вновь начинает размножаться благодаря тому, что обладает более разнообразной и мощной ферментативной системой, при помощи которой разлагаются достаточно устойчивые органические соединения (целлюлоза, лигнин). При компостировании происходит не только распад органических соединений, но и их синтез, образуются гуминовые соединения, улучшающие качество органического удобрения. За весь цикл аэробного компостирования содержание органических веществ уменьшается на 15-30%. Если начальная температура выше 50С, то переработка в биобарабанах идет в течение 2 суток, если ниже 5 – до 3 суток. Специальную микрофлору не используют. Скорость вращения барабана 0,2-1 об/мин, подача воздуха 0,2-0,6 м3 на 1 кг отходов за весь цикл компостирования. Полученный компост содержит до 1% азота, 0,6% калия, 60% легкоусвояемых органических веществ. 52