Разработка малоотходных и безотходных технологий и методов комплексного использования отходов промышленности

3.4 Огневая переработка

В основу огневого метода положен  процесс высокотемпературного разложения и окисления токсичных компонентов  отходов с образованием практически  нетоксичных или малотоксичных  дымовых газов и золы. С использованием данного метода возможно получение  ценных продуктов: отбеливающей земли, активированного угля, извести, соды и  др.  материалов.  В  зависимости  от  химического  состава  отходов  дымовые  газы могут содержать SO_Х, P, N₂, H₂SO₄, HCl, соли щелочных и щелочноземельных элементов, инертные газы.

Огневой метод переработки  токсичных промышленных отходов  классифицируется в зависимости  от типа отходов и способам обезвреживания [4]:

1.    Сжигание отходов, способных гореть самостоятельно – наиболее простой способ; горение происходит при температурах не ниже 1200 - 1300° С. (следует отметить, что данный способ не является целесообразным ввиду некоторой (большей или меньшей) ценности горючих отходов и возможности их использования в данное время или в будущем).

2.    Огневой окислительный метод обезвреживания негорючих отходов – сложный физико-химический процесс, состоящий из различных физических и химических стадий. Огневое окисление применимо в большей степени по отношению к твердым и пастообразным отходам.

3.    Огневой восстановительный метод используется для уничтожения токсичных отходов без получения каких-либо побочных продуктов, пригодных для дальнейшего использования в качестве сырья или товарных продуктов. В результате образуются безвредные дымовые газы и стерильный шлак, сбрасываемый в отвал. Так можно обезвреживать газообразные и твердые выбросы, бытовые отходы и некоторые другие.

4.    Огневая регенерация предназначена для извлечения из отходов какого-либо производства реагентов, используемых в этом производстве, или восстановления свойств отработанных реагентов или материалов. Эта разновидность огневого обезвреживания обеспечивает не только природоохранные, но и ресурсосберегающие цели.

Для достижения требуемой  санитарно-гигиенической полноты  обезвреживания отходов необходимо, как правило, экспериментальное  определение оптимальных температур, продолжительности процесса, коэффициента избытка кислорода в камере горения, равномерности подачи отходов, топлива  и кислорода [1]. Протекание процесса обезвреживания в неоптимальных  условиях приводит к появлению компонентов  в продуктах сгорания и, в первую очередь, в дымовых газах.

При сжигании на свалках  пластмасс, синтетических волокон, хлороуглеводородов в дымовых газах могут образовываться токсичные вещества: CO, бенз-а-пирен, фосген, диоксины.

Сибирским филиалом НПО «Техэнергохимпром» разработаны камерные, барабанные, циклонные, комбинированные печи, используемые в зависимости от состава, физико-химических свойств и агрегатного состояния отходов. Дополнительно был разработан дожигатель, предназначенный для обезвреживания газовых выбросов, содержащих органические вещества с концентрацией не более 10 г/м³. После полного обезвреживания содержание в выбросах СО не более 40 мг/м³, NO_Х не более 10 мг/м³[1].

По мнению авторов [15] огневое  обезвреживание (чисто термическое  или с применением катализаторов) промышленных отходов  приводит к уничтожению органических веществ, которые могли бы явиться ценным сырьем целевых продуктов.

3.5 Переработка  и обезвреживание отходов с применением плазмы

Для получения высокой  степени разложения токсичных отходов, особенно галоидосодержащих, конструкция сжигающей печи должна обеспечивать необходимую продолжительность пребывания в  зоне горения, тщательное смешение при определенной температуре исходных реагентов с кислородом, количество которого также регулируется. Для подавления образования галогенов и полного их перевода в галогеноводороды  необходим избыток воды и минимум кислорода, последнее вызывает образование большого количества сажи. При разложении хлорорганических продуктов снижение температуры ведет к образованию высокотоксичных и устойчивых веществ – диоксинов [7, 26]. Как утверждает автор работы [15], недостатки огневого сжигания стимулировали поиск эффективных технологий обезвреживания токсических отходов.

Применение низкотемпературной плазмы – одно из перспективных  направлений в области утилизации опасных отходов. Посредством плазмы достигается высокая степень  обезвреживания отходов химической промышленности, в том числе галлоидосодержащих органических соединений, медицинских учреждений; ведется переработка твердых, пастообразных, жидких, газообразных; органических и неорганических; слаборадиоактивных; бытовых; канцерогенных веществ, на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве и др.

Плазменный метод может  использоваться для обезвреживания отходов двумя путями [12]:

-      Плазмохимическая ликвидация особо опасных высокотоксичных отходов;

-      Плазмохимическая переработка отходов с целью получения товарной продукции.

Наиболее эффективен плазменный метод при деструкции углеводородов  с образованием CO, CO₂, H₂, CH₄. Безрасходный плазменный нагрев твердых и жидких углеводородов приводит к образованию ценного газового полуфабриката в основном водорода и оксида углерода – синтез-газ – и расплавов смеси шлаков, не представляющих вреда окружающей среде при захоронении в землю, а синтез-газ можно использовать в качестве источника пара на ТЭС или производстве метанола, искусственного жидкого топлива. Кроме этого, путем пиролиза отходов возможно получение хлористого и фтористого водорода, хлористых и фтористых УВ, этанола, ацетилена [15]. Степень разложения в плазмотроне таких особо токсичных веществ как полихлорбифенилы, метилбромид, фенилртутьацетат, хлор- и фторсодержащие пестициды, полиароматические красители достигает 99.9998 % [12] с образованием CO₂, H₂O, HCl, HF, P₄O₁₀.

Разложение отходов происходит по следующим технологическим схемам:

—   Конверсия отходов в воздушной среде;

—   Конверсия отходов в водной среде;

—   Конверсия отходов в паро-воздушной среде;

—   Пиролиз отходов при малых концентрациях.

Выбор того или иного способа  переработки, возможность вариаций по количественному соотношению  реагентов позволяют оптимизировать работу установки для широкого спектра  отходов по их химическому составу.

Существуют самые разнообразные  модификации плазмотронных установок, принцип их конструкции и порядка работы заключается в следующем:  основной технологический процесс происходит в камере, внутри которой находятся два электрода (катод и анод), обычно из меди, иногда полые. В камеру под определенным давлением, в заранее установленных количествах поступают отходы, кислород и топливо, может добавляться водяной пар. В камере поддерживается постоянное давление и температура. Возможно применение катализаторов. Существует анаэробный вариант работы установки [15]. При переработке отходов плазменным методом в восстановительной среде возможно получение ценных товарных продуктов: например, из жидких хлорорганических отходов можно получать ацетилен, этилен, HCl и продуктов на их основе [4]. В водородном плазмотроне, обрабатывая фторхлорорганические  отходы, можно получить газы, содержащие 95 – 98 % по массе HCl и HF [27]. 

Для удобства возможно брикетирование твердых отходов и нагрев пастообразных  до жидкого состояния [15].

Переработка горючих радиоактивных  отходов была разработана технология с использованием  энергии  плазменных  струй  воздуха  с  введенным  активированным углеводородным сырьем, чистые, или  содержащим галениды. Такой способ получил широкое применение при сжигании органических отходов низкой и средней активности, что позволяет перевести опасные отходы в инертную форму и уменьшить их объем в несколько раз; образуется коксовый остаток и негорючие материалы – шлак, относящийся к категории кислых и улавливающий до 98 % радионуклидов (¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ³⁷Fe, ⁶⁰Co)  [14].

Высокая энергоемкость и  сложность процесса предопределяет его применение для переработки  только отходов, огневое обезвреживание которых не удовлетворяет экологическим  требованиям.

 
4. Разработка малоотходных  и безотходных технологий и  методов комплексного использования  отходов промышленности

Важность экономного и  рационального использования природных  ресурсов не требует обоснований. В  мире непрерывно растет потребность  в сырье, производство которого обходится  всё дороже. Будучи межотраслевой  проблемой, разработка малоотходных и  безотходных технологий и рациональное использования вторичных ресурсов требует принятия межотраслевых  решений.

Вторичные материалы и  ресурсы (ВМР) – отходы производства и потребления, которые на данном этапе развития науки и техники  могут быть использованы в народном хозяйстве как на предприятии, где  они были образованы, так и за его пределами [28]. К  ВМР не относятся возвратные отходы производства, используемые повторно в качестве сырья технологического процесса, в котором образуются.

Побочные продукты и отходы – возможное сырье для других производств. Побочные продукты могут  быть планируемыми и давать прибыль  с их продажи или использования. Отходы – нежелательные, но неизбежные продукты [28].

Классифицируются ВМР  по следующим критериям [28]:

1.    По отраслям промышленности или откуда исходят отходы;

2.    По технологическим процессам;

3.    По видам ресурсов;

4.    По степени и возможности использования;

5.    По агрегатному состоянию.

В зависимости от возможности  использования ВМР подразделяются [2]:

1.    Реально возможные к использованию, т.е. существуют эффективные условия переработки и использования;

2.    Потенциально возможные к использованию, ВМР, использование которых пока экономически и технически нецелесообразно.

По источникам своего появления  существуют ВМР [2]:

1.       Отходы промышленного производства и строительства – остатки сырья,         материалов или полуфабрикатов, пригодные к использованию в качестве сырья, вспомогательных материалов или готовой продукции;

2.       Отходы сферы потребления:

1)    Отходы средств производства, потерявшие непригодность для дальнейшего использования,

2)    Отходы предметов потребления – изделия непригодные для использования по назначению, но потенциально годные как вторичное сырье,

3)    Твердые бытовые отходы, образующиеся у населения в процессе жизнедеятельности и вряд ли имеющие пригодность;

3.       Отходы сферы обращения, т.е. материалы, пришедшие в негодность из-за неосторожной транспортировки, складирования и погрузки-разгрузки.

Кроме этого ВМР могут  быть использованы в местах своего образования или в других отраслях хозяйства.

Малоотходные и безотходные  технологии (МБТ), как правило, ориентированы  на наиболее важные отрасли народного  хозяйства: производство и рациональное использование металлов, стройматериалов, древесины, полезных ископаемых. Существует несколько основных направлений  по осуществлению МБТ [10]:

1)          Создание и внедрение процессов комплексной переработке сырья без образования отходов;

2)          Переработка всех видов отходов производства и потребления с получением товарной продукции;

3)          Выпуск новых видов продукции с учетом требований ее повторного использования;

4)          Применение замкнутых систем промышленного водоснабжения с использованием осадков очистных сооружений;

5)          Организация безотходных территориально-промышленных комплексов и экономических регионов.

При этом необходимо соблюдать  ряд условий [3]:

1)          Самоочевидное использование всех компонентов того или иного сырья, которые обычно не находят применения вследствие отсутствия необходимых производственных условий и навыков обработки, и причисляются к отходам;

2)          Взаимосвязь с экологической обстановкой,  в которой реализуются проекты (выбросы в атмосферу, водоемы, почву, отчуждение пахотных или пригодных для других целей земель под захоронение или складирование);

3)          Возможность вовлечения в хозяйственный оборот ресурсов, ранее не использовавшихся;

4)          Применение одной или минимума прогрессивных операций в общей технологической цепи приводит к необходимости переводить всю технологическую систему на новый уровень;

5)          Возможность получения новых материалов с необходимыми характеристиками;

6)          Улучшение условий труда за счет сокращения процессов, сопровождаемых выделением вредных газов и пыли. Устранение вредных компонентов в качестве промежуточных продуктов и катализаторов.

Многостороннее и глубокое освоение безотходных производств  – долговременное и кропотливое  дело, которым предстоит заниматься ряду поколений ученых, инженеров, техников, экологов, экономистов, рабочих разного  профиля и многих других специалистов. Полностью безотходное производство – далекая перспектива, но необходимо уже сейчас решать эту задачу, как  на общеэкономическом уровне, так  и в отдельных отраслях хозяйства.

4.1. Металлургия

Переработка руд черных и  цветных металлов, их обогащение, литье, прокат, металлообработка – источник потерь колоссального количества металлов.

Задача комплексного использования  сырья в металлургии – рациональная полнота извлечения основных и сопутствующих  элементов, утилизация отходов добычи, обогащения руд без нанесения  урона окружающей среде. Кроме этого  металлургия является весьма земле- и водоемкой отраслью [11]. Несмотря на наличие технологий извлечения ценных попутных компонентов из железной руды на большинстве комплексных месторождений, полезные материалы сбрасываются в  отвалы. Среди ценных компонентов  руд черных металлов (Fe, Mn, Cr) встречаются W, Ti, Co, Ni, Zn, Cu, редкие металлы [11].  При обогащении и обработке руд большое количество отходов при соответствующей обработке может стать товарными продуктами. Часто в попутно извлекаемой породе (особенно при открытом способе добычи) содержатся многие нерудные полезные ископаемые, среди них [10, 11]: мел, пригодный для известкования почв и наполнителя при производстве красок; сланцы для изготовления щебня; глины и суглинки – сырье для фаянсовой промышленности и изготовления технической керамики, эмалей, цветного стекла; кварцевые пески для стекольной промышленности; мергель, являющийся сырьем для изготовления извести и цемента; граниты и гнейсы.