Технологии переработки техногенного сырья


А. И. Фоменко







                ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ




Монография











Инфра-Инженерия Москва - Вологда

2018

УДК 504.064.45
ББК 30.69
   Ф 76




ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп.1ч.2 ст. 1

Рецензент:
А. И. Гнездилова, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н. В. Верещагина»


       Фоменко А. И.
Ф 76 Технологии переработки техногенного сырья: монография / А. И. Фоменко -М.: Инфра-Инженерия, 2018.- 136с.: табл., ил.

ISBN 978-5-9729-251-4

    Рассмотрены результаты исследования отходов предприятий черной металлургии, химической и деревообрабатывающей промышленности, отрасли ЖКХ в аспекте их утилизации в качестве техногенных сырьевых ресурсов. Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность их утилизации путем использования в качестве сырья для изготовления продуктов строительного назначения и в качестве материала фильтровально-сорбционной загрузки на установках очистки промышленных и промышленно-ливневых сточных вод.
    Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся управлением отходами, технологов по сбору и переработке отходов, региональных операторов и специалистов экологических служб предприятий, а также студентов направлений бакалавриата 05.03.06 «Экология и природопользование», 04.03.01 «Химия» (профиль «Химия окружающей среды, химическая экспертиза и экологическая безопасность»).




      Издание подготовлено в рамках выполнения государственного задания (Задание № 11.9503.2017/8.9).





© Фоменко А. И., автор, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018



ISBN 978-5-9729-251-4

ВВЕДЕНИЕ


    Одним из основных технико-экономических показателей технологии является степень превращения исходного сырья в полезный продукт. Однако на практике значительная доля сырья превращается в отходы производства. В каждом отдельном технологическом процессе образуются определенного вида отходы, которые не могут быть использованы по месту их производства. Проблема утилизации таких отходов путем возвращения их в ресурсный цикл на сегодня не утратила своей актуальности. До настоящего времени в производственной практике доминирующим способом их утилизации остается складирование в отвалах и накопителях, что по сравнению с другими способами является менее трудоемким и экономически менее затратным. Однако утилизация отходов подобным способом негативно воздействует на все компоненты природной среды, приводит к истощению месторождений природного сырья и отчуждению земель из хозяйственного оборота.
    В то же время запасы многих видов сырья ограничены, а объемы добычи существенно превышают прирост запасов. Сложившаяся ситуация определяет актуальность поиска ресурсосберегающих технологических решений по вовлечению техногенных материалов в производство. С точки зрения рационального природопользования отходы представляют собой добытое из недр земли, перемещенное на другую территорию и недоиспользованное сырье. Большую часть складируемых в отвалах и накопителях отходов переработки минерального сырья можно отнести к техногенным сырьевым ресурсам, так как они по качественному и количественному химическому составу пригодны для эффективного промышленного использования в сфере материального производства. Повышение эффективности использования техногенных материалов в значительной степени позволяет расширить сырьевую базу, предотвратить или свести к минимуму объемы накопления отходов на объектах размещения, загрязняющих окружающую природную среду.
    Учитывая приведенные положения, а также ресурсную значимость складируемых на объектах размещения отходов, поиск доступных технологий и способов повышения эффективности их использования является предметом многочисленных исследований. Решение такой задачи имеет особую значимость для крупных промышленных регионов. Наибольшее количество отходов накоплено в регионах с развитой горнодобывающей и горноперерабатывающей, а также деревообрабатывающей промышленностью. По объемам отходов, складируемых в отвалы и накопители предприятиями этих отраслей промышленности, не отстает и отрасль жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).

3

    Повышение экономической эффективности, технической и экологической безопасности производств этих отраслей экономики становится неотъемлемым условием рационального природопользования в современных условиях.
    Приведенные в монографии теоретические положения, а также личные исследования автора по развитию технологических основ обезвреживания и утилизации отходов, образующихся на предприятиях горноперерабатывающей и деревообрабатывающей отраслей промышленности и ЖКХ, могут послужить основой для решения практических задач в рамках рассматриваемой проблемы и дальнейшего развития экологической безопасности производств этих отраслей экономики. Особое внимание уделяется разработке доступных и реализуемых в условиях конкретного предприятия технологий обезвреживания и утилизации отходов с учетом потребностей реального сектора экономики региона, уменьшая одновременно риск загрязнения окружающей среды.

4

Глава 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

    1.1. Теоретические основы ресурсосбережения и утилизации отходов минерального состава
    Под термином ресурсосбережение в настоящее время понимают экономию природных ресурсов в результате применения при производстве продуктов сравнительно низких удельных норм потребления природных ресурсов, их комплексной переработки, включая утилизацию отходов производства, использования вторичных ресурсов, а также рециклирования воды, тепла, другой энергии и т.п. [147]. Технологии, обеспечивающие производство продукта с минимально возможным потреблением топлива и других источников энергии (энергосберегающие технологии), а также сырья, материалов, воды, атмосферного воздуха и других ресурсов для технологических целей, определяются термином ресурсосберегающие.
    Решение задач ресурсосбережения требует установления наиболее тесного соответствия между реальным пределом природно-ресурсного потенциала с одной стороны и применяемыми технологиями извлечения и переработки ресурсов — с другой. Пригодность сырьевого ресурса для производства необходимого целевого продукта определяется концентрацией в нем тех или иных соединений или отдельного компонента.
    Основным показателем использования сырья (энергии, вспомогательных материалов) является расходный коэффициент, показывающий количество затраченного сырья (энергии, вспомогательных материалов) на производство единицы продукции. Различают теоретический расходный коэффициент, определяемый из стехиометрического уравнения химической реакции образования продукта из исходных веществ при полном их превращении, и практический (или расходный коэффициент), то есть реально достигнутый в производстве [8]:
„    .       , ,       Количество затраченного сырья
Расходный коэффициент = ---------------------------.
                                     Количество продукции

Их отношение показывает степень использования сырья:
      _                        Теоретический расходный коффициент
Степень использования сырья =-=------=----------—------- •
                                     Расходный коэффициент

    Основными причинами различия теоретического и реального расходных коэффициентов являются: неполнота превращения исходного вещества

5

в продукт и выделения продукта; образование побочных веществ; потери промежуточных компонентов и продукта; наличие в сырье примесей; использование части сырья на вспомогательные цели.
    Любой технологический процесс переработки сырья представляет собой совокупность методов и средств, включающих последовательность механических и физико-химических операций (дробление, химическая и термическая обработка и т. д.), в результате которых сырье превращается в готовый продукт, необходимый обществу. Обычно технологический процесс организуется так, чтобы обеспечить получение основного продукта должного качества. Содержащиеся в исходном сырье попутные продуктытранспортируют в отвалы, что ведет к изменению их технических характеристик. В процессе такой хозяйственной деятельности происходит истощение месторождений высококачественного сырья и исчерпание физико-химических возможностей природной среды, что приводит к нежелательным изменениям в ней (сдвигу экологического равновесия и т. п.).
    В большинстве производств затраты на сырье составляют значительную часть себестоимости продукции. Основной задачей ресурсосбережения является максимальное превращение сырья в используемые продукты. Для решения такой задачи применяются различные технологические и технические решения, включающие выбор процесса, обеспечивающего комплексное использование сырья, организацию комбинированного производства, поиск и использование альтернативных источников первичного сырья, утилизацию отходов [32, 34, 98, 100, 105, 119, 136, 144]. Утилизация отходов позволяет получить дополнительные полезные продукты из не прореагировавших исходных веществ и из примесей, имеющихся в сырье и называемых попутными продуктами сырья, а также из побочных продуктов реакции, практически всегда образующихся вместе с целевым продуктом. При этом необходимым условием ликвидации отходов путем переработки их в товарную продукцию является выполнение научных исследований, создание и промышленная реализация эффективных технологий.
    Особенно важна минимизация использования исчерпаемых невозобновимых природных ресурсов минерального происхождения. Как известно, минеральное сырье представляет собой сложную смесь, состоящую из различных соединений, включений и т. д. Рациональное использование минерального сырья включает два самостоятельных направления [9]:
     •  комплексное использование сырья путем разработки новых, замкнутых технологических схем на проектируемых предприятиях с полным использованием всех (попутных, побочных) продуктов на основе современных достижений науки и технологий;

6

     • использование отходов промышленности, накапливающихся в отвалах и представляющих собой техногенное сырье, переработка которого требует дополнительных средств.
    Количественно это может быть описано общим уравнением баланса по сферам производства и потребления (по П. П. Пальгунову, М. В. Сумарокову) [66]:
R = A (1 - Sₘ) + S,
где R — расход природных ресурсов, кг/с;
    А — образующееся в сферах производства и потребления количество отходов, кг/с;
    Sₘ — средний коэффициент использования отходов, кг/кг;
    S— количество веществ, накапливающихся в сферах производства, кг/с.
    Снижение удельного неиспользуемого количества отходов производства A (1 - Sₘ) и тем самым удельного расхода природных ресурсов возможно за счет уменьшения образующегося удельного количества отходов производства А или за счет повышения коэффициента использования отходов Sₘ.
    Выбор одного из путей зависит как от технологических возможностей, так и от экономических условий. Методологической основой выбора направления использования отхода является системный подход, включающий выявление факторов, определяющих его складирование в отвалах и накопителях, и анализ научно-обоснованных и используемых в производственной практике технологий переработки и обезвреживания. Выбор направления использования отходов проводят в зависимости от их химического состава, влажности, дисперсности, технических условий образования, реакционной активности входящих в их состав компонентов, плотности и других физических и механических характеристик. Основными параметрами при выборе направления использования отхода, характеризующими его как сырьевой ресурс, являются химико-минералогический состав, агрегатное состояние, объем образования.
    Изучение техногенного минерального сырья, оценка и разработка рациональных технологий его переработки включает, как правило, прохождение следующих основных этапов:
     • определение его физических характеристик и количественный химический анализ состава;
     • оценку соответствия определяемых основных физических свойств и химических показателей промышленных отходов требованиям санитарно-гигиенических нормативов и технологических норм в зависимости от предполагаемого направления их использования;

7

     • проведение анализа и систематизации сырья по составу главных и сопутствующих минералов;
     • создание банка термодинамических характеристик отдельных соединений, реакций, процессов (применительно к технологическим схемам);
     • выбор реагентов и возможных направлений переработки сырья на основе физико-химических и термодинамических данных для основного минерального компонента и сопутствующих ему примесных минералов;
     • формирование требований к концентрату по содержанию примесных минералов;
     • оценку оптимальных направлений переработки сырья с получением необходимых целевых и попутных продуктов;
     • оценку аппаратурно-технологической схемы предполагаемого производства и предварительный выбор аппаратуры;
     • определение областей использования и утилизации попутно получаемых продуктов и возможности расширения их номенклатуры в зависимости от потребностей, в том числе, и особенно, в смежных областях промышленности региона;
     • прогнозирование потребностей в получаемых продуктах ближайших регионов и страны в целом, определение возможности экспорта продукции;
     • предварительную технико-экономическую оценку технологии на основе результатов лабораторных исследований и корректировку экономических показателей на последующих стадиях;
     • проведение опытно-промышленных испытаний с наработкой представительных партий целевых продуктов и оценку их специализированными организациями и потенциальными потребителями;
     • выполнение технико-экономического обоснования (ТЭО) создания промышленного производства.
    Технология переработки техногенного сырья, как и любого другого, базируется на фундаментальных законах химии. Накопленный опыт по переработке техногенного минерального сырья позволил выработать основные правила и принципы химической технологии для нетрадиционного сырья, частично описанные в [8, 10, 66, 122, 132] и других работах. Любая создаваемая технология должна соответствовать принципам технологической, экологической, экономической целесообразности и возможности решения социальных вопросов региона. Определяющее значение при выборе технологии переработки техногенного минерального сырья имеют его состав и количество. Технология должна быть осуществима на доступном оборудовании в рекомендуемых

8

условиях конкретного предприятия. При этом она в выбранном масштабе имеет положительные экономические показатели и характеризуется низким уровнем загрязнений. Применению отхода в технологии должна предшествовать подготовка, направленная преимущественно на усреднение и гомогенизацию состава до уровня минерального сырья. Обычно показатели неоднородности состава отходов выше таковых у природного полиминерального сырья. Первичная подготовка переводит отход в категорию техногенного сырья. Большинство известных вариантов схем переработки техногенного сырья включают операции его разложения и последовательного выделения групповых концентратов и продуктов более глубокой переработки. Важной особенностью разрабатываемых технологических схем переработки техногенного сырья является уменьшение количества отходов, а также ресурсосбережение и обеспечение экологической безопасности схем.
    Наиболее изученным и распространенным способом переработки техногенного минерального сырья традиционно является использование его в строительных технологиях, что обусловлено простотой их аппаратурного оформления, доступностью и дешевизной реагентов, относительно невысокими требованиями к содержанию в сырье примесей. В отличие от других отраслей промышленности, использующих технологии, ориентированные на выпуск не только продукции, но и отходов, строительная промышленность является многотоннажным их потребителем. На разных этапах решения проблемы рационального использования техногенного минерального сырья в производстве строительных материалов ведущую роль играла наука. На основе теоретических разработок и результатов исследований Ю. М. Баженова, П. И. Боженова, А. В. Волженского, В. С. Грызлова, О. Л. Дворкина, П. Г. Комохова, Е. М. Чернышова и других ученых накоплен опыт и созданы технологии в строительной индустрии по вовлечению техногенного сырья с оптимальными материальными и энергетическими затратами.
    Минеральная сырьевая база производства строительных материалов в настоящее время складывается из двух видов сырья: природного и техногенного. По многообразию и масштабам использования природного минерального сырья в промышленности строительных материалов его условно разделяют на три группы [10]:
      • сырье многоцелевого использования с большими объемами потребления (глины и глинистые породы, карбонатные породы и пески);
      • сырье преимущественно двухцелевого назначения с меньшим объемом потребления (гипс, тальк, кремнистые и вулканические пористые породы, вулканические водосодержащие стекла и стекловидные породы, полевошпатовые породы);

9

     • сырье преимущественно одноцелевого назначения (асбест, шунгитовые породы, вермикулит, волластонит, бокситы и др.).
    Расширение сырьевой базы строительных материалов путем использования техногенного минерального сырья является важной технологической и экономической задачей. Это обусловлено, прежде всего, тем, что большая часть добываемых пород из недр земли используется как строительные материалы. Технология минеральных строительных материалов в известной мере имитирует процессы, происходящие в недрах земной коры. Многие строительные материалы по химическому и минеральному составу и структуре аналогичны цементированным горным породам (песчаникам, конгломератам и брекчиям), что определило применение в строительном материаловедении термина «искусственные строительные конгломераты». Так, природным горным породам соответствуют следующие искусственные строительные материалы [118]:
     • магматическим горным породам и слагающим их ассоциациям минералов— каменное литье, различные стекла, ситаллы, плавленый абразивный корунд, плавленый глиноземистый цемент, металлургические шлаки и другие продукты техногенного пирогенеза;
     • метаморфическим горным породам — цементный клинкер, огнеупорные динас и шамот, шпинельная керамика, фарфор и другие продукты техногенного термометаморфизма;
     • осадочным породам — бетоны, цементные растворы, силикатный кирпич, автоклавные изделия и другие продукты техногенного диагенеза.
    Химический состав горных пород определяется содержанием в основном двенадцати главных оксидов, среди которых преобладают кремнезем и оксид алюминия, оксиды железа и некоторые щелочноземельные и щелочные оксиды (оксиды кальция, магния, натрия, калия). Для большинства продуктов технологии минеральных строительных материалов характерны, хотя и в иных соотношениях, те же главные оксиды (табл. 1) [25, 112, 118].
    Основным сырьем промышленности минеральных строительных материалов (табл. 1) являются осадочные породы: в них содержится примерно 70 мас. % глин, около 20 мас. % песков и песчаников, 5 мас. % карбонатов [118].
    Состояние природной сырьевой базы строительных материалов оценивается по балансу местных месторождений (области или региона). По причине низкой цены и высоких транспортных расходов строительные материалы добывают только вблизи от места потребления. Экономически выгодное расстояние транспортирования не превышает 30 км. Кроме того, в пределах одного месторождения кондиционность сырья колеблется и при выработке месторождений

10