Разработка малоотходных и безотходных технологий и методов комплексного использования отходов промышленности

В доменной печи образуется за счет пустой породы руды и золы кокса  шлаки, в состав которых входят CaO, SiO₂, FeO, MgO, Al₂O₃, CaS, MnS, FeS, TiO₂, соединения P, в зависимости от соотношения компонентов шлаки могут быть основные, нейтральные и кислые. При мартеновском способе основные шлаки способны удалять в процессе выплавки из металла примеси серы и фосфора.

Шлак – ценное сырье  для строительной и дорожно-строительной отраслей. Шлаковый щебень в 1.5 – 2 раза дешевле природного, шлаковая пемза  – втрое дешевле керамзита  и требует меньше удельных затрат. Использование гранулированного шлака  в цементной промышленности увеличивает  выход цемента, снижает себестоимость  и удельные затраты на его производство по сравнению с естественным сырьем – цементным клинкером. Применение шлаков при вторичной переработке  металлов для раскисления стали, сокращает расход дефицитного ферросилиция. Допустимо даже применение металлургических шлаков в качестве абразивного материала для очистки днищ судов. Конвертерные шлаки могут использоваться в гидротехническом строительстве для обсыпки дамб вместо грунта. [10]

Для доизвлечения железа из отходов применяется обратная флотация хвостов, прямая флотация руды, сухая магнитная сепарация, магнитно-флотационный способ [11].

Использование шламов уменьшает  содержание железа в доменной шихте, снижает производительность доменных печей, увеличивает расход кокса [13].

Истощение богатых месторождений  хромовых руд вызвало необходимость  постоянно наращивать мощности по добыче и обогащению бедных руд или руд, недостаточно эффективно обогащаемых  механическими методами. Для этого  был разработан специальный процесс, предусматривающий прокалку на воздухе (630 – 750° С) дробленой руды (частицы  менее 15 мм), измельчение пека (до 0.1 мм), приготовления водной суспензии, ее карбонатизация – так можно получить углеродистый феррохром вместо кондиционной руды и кварцита [13].

Во всех металлургических процессах образуется значительное количество пыли, которую необходимо улавливать и утилизировать с  целью извлечения содержащихся в  них металлов и поддержания необходимого уровня охраны окружающей среды.

Для этого применимы системы  сухого и мокрого пылеулавливания. Основная проблема при улавливании  металлургической пыли – повышенное содержание цинка и свинца, которые  нарушают процессы пылеулавливания  и собственно выплавки.

В США Zn и Pb выделяются путем сбора пыли, содержащей кроме них железо, и последующего дробления так, что более мелкие частицы состоят в основном из соединений цинка и свинца, а более крупные в основном из Fe₂O₃, что основано на различной хрупкости упомянутых соединений. Кроме этого используется восстановительный обжиг окускованной пыли, возгонка с улавливанием конденсата, магнитная сепарация и флотация. В Германии для данных целей используются растворы серной, азотной или уксусной кислот, которые способны растворить почти весь Zn,  но при малых его концентрациях раствориться может и железо. В Японии разделение Fe- и Zn-содержащих отходов обычной магнитной сепарацией. В Бельгии и Люксембурге цинк и свинец из Fe-содержащих отходов выделяются методом флотации и экстракции щелочными растворами. [11]

Кроме оксидов железа, свинца и цинка пыль и шламы содержат оксиды Mn, Mg, Ca, Cr, Ni, Cd  и других элементов, которые можно использовать.

Пыли и шламы ферросплавного производства, состоящие главным  образом из аморфного диоксида кремния, пригодного для промышленного и  жилищного строительства.

Особое место занимают установки улавливания SO_X и NO_X, т.к. этот процесс весьма затруднителен вследствие низких концентраций данных веществ.

В работах [10 и 13] упоминается, что существует опыт использования  шламов сероочистки после мокрой известковой обработки для мелиорации почв, что увеличивает содержание в почве кальция, магния, кремния  и уменьшает количество алюминия, меди, цинка, мышьяка, марганца. Действие подобного рода удобрений не ослабевает в течение пяти лет и прибавляет урожай зерновых и кормовых культур  на 25 – 30 % (4 – 5 т шлама на 1 га).

Нефелин – один из компонентов  аппатито-нефелиновых руд, являющихся сырьем для химической промышленности, содержит, помимо фосфора, алюминий, натрий, калий, титан, железо, стронций, редкие металлы. Нефелин является альтернативой бокситам, сырью для алюминиевой промышленности и месторождения которых постоянно истощается. Из попутных продуктов, получающихся при  переработке нефелиновых руд в глинозем, можно производить и уже производятся содовые продукты и цемент. Существуют два основных способа переработки нефелиновых руд [11]:

Спекательно-щелочной способ. Сущность метода заключается в высокотемпературном разложении нефелина в присутствии СаСО₃. При этом содержащиеся в нефелине глинозем  щелочи образуют алюминаты Na и K, а кремнезем – дикальциевый силикат. Путем дальнейшей переработки получаемых продуктов обеспечивается получение глинозема, содо-поташного раствора, используемого для производства соды и поташи, и нефелинового шлама – сырья для производства цемента.

Гидрохимический способ. Данный метод основан на автоклавном разложении нефелина концентрированным раствором едкой щелочи в присутствии извести. В результате образующиеся из алюминатов и силикатов щелочные алюмосиликаты остаются в осадке. Процесс оптимально протекает при 260 – 300° С и 3 МПа. Однако гидрохимический способ переработки нефелиносодержащего сырья требует большое количество щелочи, высокий расход тепла и повышенного водного баланса.

На пути к созданию экологичной и малоотходной металлургии зарубежными государствами был накоплен немалый опыт. В разных странах мира применяются различные методы утилизации и переработки отходов металлургии: в автодорожном и железнодорожном строительстве, в сельском хозяйстве в качестве удобрений, в строительной промышленности и других отраслях.

Несомненное лидерство в  этом принадлежит Японии. При выплавке марганцевых сплавов образуется большое количество газов (700 м³/г углеродистого ферромарганца), часть которого (СО₂) весьма эффективно (на 84 %) используется в качестве источника тепла сушки сырых материалов, что позволяет сэкономить до 16 млн. т в год мазута. Доменный газ применяется для производства метанола, этанола, этиленгликоля, этилена, пропилена, уксусной кислоты, коксовый газ – в производстве метанола и аммиака.[11]

Ярким примером использования  безотходной технологии в нашей  стране может служить Пикалевский глиноземный комбинат [22].

4.2. Топливно-энергетический  комплекс

ТЭК – один из крупнейших загрязнителей окружающей среды  твердыми, жидкими и пылевидными  отходами, т.к. сам процесс производства тепловой или электрической энергии  подразумевает сжигание органического  топлива с неизбежным образованием токсичных компонентов. Кроме этого  с отходами добычи и обогащения топлива  теряется большое его количество.

Существует классификация  на основе литологического состава  отходов добычи и обогащения углей [29]:

·     Глинистые (> 50 % глин);

·     Песчаные (> 40 %  песчаника и кварцита);

·     Карбонатные (> 20 % карбонатов).

Кроме этого отходы различаются  по физико-химическим и теплофизическим  свойствам, по характеристике органического  вещества и др.

Породы вскрыши, отличающиеся высоким содержанием минеральных  веществ, могут быть использованы для  энергетических целей после предварительного обогащения с получением кондиционного  по зольности продукта. Породы вскрыши  могут применяться как закладочный  материал для рекультивации земель, а шахтные – для закладки  шахтного пространства. Возможно применение даже без селективной обработки слагающих литологических разностей как сырье для производства пористых заполнителей для легких бетонов, керамических материалов, при строительстве дамб и других сооружений [29], кислотостойких мастик, в строительстве домов и дамб, в фильтровых установках [11].

Шахтные породы часто содержат большое число микроэлементов, необходимых  для питания растений, поэтому  могут применяться в качестве удобрений почв, разбалансировка  которых происходит в результате интенсификации и химизации сельского  хозяйства [11].

Отходы углеобогащения, содержащие большое количество горючей массы, могут быть подвергнуты дополнительному  обогащению с получением кондиционного  по зольности твердого топлива или  непосредственно использованы для  сжигания и газификации. Возможно сжигание высокозольных отходов углеобогащения в пылеватом состоянии на электростанциях, в том числе на крупных, при этом уменьшаются выбросы  SO_X и NO_X в окружающую среду. В некоторых зарубежных странах нашли применение плазменные печи для переплавки легированных отходов и восстановительной плавки. Для этой цели разработаны и используются разнообразные генераторы плазмы и дуговые плазменные горелки разной мощности, где возможно восстановление руд отходами углеобогащения и выработка некоторого количества электроэнергии за счет отходящих газов.[29]

В результате гравитационной сепарации некоторых углей можно  определить высокозольные фракции, в которых содержатся ряд микроэлементов (Ag, As, Cd, Mn, Mo, Ni, Pb и другие) в 1.3 – 1.4 раза выше, чем в исходных углях. Бóльшая часть микроэлементов может быть извлечена из продуктов термической обработки или обогащения твердого горючего.

С помощью биологических  методов можно извлекать из углей  и части угольных отходов пиритную и органическую серу, различные металлы (Mn, Ni, Co, Zn, Ca, Al, Cd) золу, кислород- и азотсодержащие соединения. Очистка угля может осуществляться за 6 суток на 93 % при применении термофильных бактерий и 18 суток мезофильными бактериями.[11]

В связи с грядущим  в ближайшие десятилетия истощением запасов угля, нефти, природного газа возникла потребность поиска менее дорогих, но технологически более простых в переработке и использование. Важнейшим, в связи с этим, источником для восполнения энергобаланса, производства чистых энергосистем и многих, остро необходимых стране продуктов становятся горючие сланцы. Из сланцев можно получить [11]: мазут, автомобильный бензин, газ для бытовых нужд, жидкое синтетическое топливо.

4.3. Химический  комплекс

Из всех видов минерального сырья особое место занимают агрохимические фосфорсодержащие руды, от которых  в значительной мере зависит плодородие почв, а с учетом истощения богатого фосфором сырья важнейшей проблемой  является эффективное использование  полезных компонентов недр и руды.

Значение фосфора в  природе крайне важно. Минеральный  фосфор входит в состав костной ткани  позвоночных и наружных скелетов ракообразных и моллюсков. Фосфор присутствует в мягких тканях растений и животных. Фосфорсодержащие органические соединения обеспечивает превращение химической энергии в механическую энергию  мышечных тканей. Этот элемент входит в состав нуклеиновых кислот, регулирующих наследственность и развитие организмов.

Производство фосфорных  минеральных удобрений – главная  сфера применения фосфатного сырья. Более полная выемка попутных полезных компонентов из фосфоритов и апатитов путем флотации, т.е. использовать различную  плотность материалов относительно плотности воды.

Один из важнейших попутных компонентов апатитовых руд  – нефелин[1].

Еще  один  минерал, имеющий большое значение и содержащийся в апатитовых рудах, – сфен. В состав данного соединения входит титан (CaTiSiO₄(O,OH,F)), а диоксид титана – важный компонент при производстве лакокрасочных изделий. Перспективность сфена как сырья связана с большими запасами этого минерала в нашей стране (главным образом в Хибинах [11]) и, с учетом комплексной переработки апатитовых руд, низкой себестоимостью содержащегося в них TiO₂.

В настоящее время существуют различные технологические системы  и способы переработки сфенового концентрата: хлорная; азотнокислая; сернокислая; спекание с поваренной солью, кремнефторидом, сульфатом аммония. Однако наиболее приемлемой является сернокислая технология, когда как другие методы очень сложны и не получили промышленного развития.

Оптимально сфеновый концентрат разлагается при использовании 50 – 55 %-ой серной  кислоты  с  расходом  1.5  т  на 1 т концентрата и протекании процесса в течение 20 – 30 часов и в температурных условиях 130° С. В результате получается 1 т товарного TiO₂  на каждые 4 т сфенового концентрата и 6 т серной кислоты.

В нашей стране и за рубежом  проводятся работы по получению из горючих сланцев битумов, масляных антисептиков для древесины, ядохимикатов, серы, гипосульфита, бензола, лаков, клеев, дубителей, шлаковой ваты, матов для  строительной индустрии, портландцемента  и многого другого. [11]

В химической промышленности также используются отходы производства диметилтереоргалата для синтеза алкидных полимеров. Отходы катализаторов производства мономеров используется в строительных лакокрасочных пигментах. Отходы гидроксилсодержащих соединений от производства ксилита  идут на изгототовление простых и сложных олигоэфиров – компонентов лакокрасочных материалов, отходы производства меланина – ПАВ-диспергаторов. Катализаторы алкинирования бензола изготавливаются из аллюминесодержащих отходов кабельной промышленности. Отходы производства капролактама – компоненты смазочных материалов или пластифицирующие добавки к бетонным смесям. Из катализаторов нефтепереработки выделяются металлические компоненты: Mo(SO₄)₃, VO₅, тригидрит оксида алюминия, Ni-Mo концентрат и др. Возможно использование кислых гудронов для выработки из воды аммонийных солей, пригодных для использования, как в пресной воде, так и в морской. Кислые гудроны можно применять совместно с нефтяными шлаками в дорожном и коммунальном строительстве.[28]

 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итог всему вышесказанному, можно сказать, что, несмотря на длительность изучения настоящей проблемы, утилизация и  переработка  отходов  промышленности  по-прежнему не ведется на должном уровне.

Острота проблемы, несмотря на достаточное количество путей  решения, определяется увеличением  уровня образования и накопления промышленных отходов. Усилия зарубежных стран направлены, прежде всего, на предупреждение и минимизацию образования  отходов, а затем на их рециркуляцию, вторичное использование и разработку эффективных методов окончательной  переработки, обезвреживания и окончательного удаления, а захоронения только отходов, не загрязняющих окружающую среду. Все  эти мероприятия, бесспорно, уменьшают  уровень негативного  воздействия отходов промышленности на природу, но не решают проблему прогрессирующего их накопления в окружающей среде и, следовательно, нарастающей опасности проникновения в биосферу вредных веществ под влиянием техногенных и природных процессов. Разнообразие продукции, которая при современном развитии науки и техники может быть безотходно получена и потреблена, весьма ограничено, достижимо лишь на ряде технологических цепей и только высокорентабельными отраслями и производственными объединениями.