Переработка отходов производства и потребления

Производство шлакоситаллов. Превосходными материалами, получаемыми из доменных шлаков, являются шлакоситаллы. Они имеют двухфазную структуру и состоят из мельчайших кристаллов стекла размером не более 2 мкм и аморфной стекловидной массы, объем которой составляет не более 40%. Свойства шлакоситаллов зависят от соотношения кристаллической и аморфной фаз, хими­ ческого состава шлаков, вида и количества добавок, параметров технологического процесса.

В состав шлакоситаллов входят оксиды кремния, алюминия, кальция, магния, марганца, железа, титана, натрия, цинка, а так­ же фтор. Шлакоситаллы в массе окрашены в белый, серый или черный цвета. Шихта для получения шлакоситалла состоит из из­ мельченного доменного шлака (< 60%), песка (35 - 40%) и не­ большого количества добавок. Катализаторами кристаллизации служат сульфиды железа и марганца, содержащиеся в шлаке. Для придания шлакоситаллу белого цвета в шихту добавляют оксид цинка. Процесс производства шлакоситалла осуществляется в стек­ ловаренной печи.

Шлакоситаллы обладают высокой прочностью на сжатие и на изгиб: они прочнее, чем каменное литье, кислотоупорная керами­ ка, фарфор и некоторые природные камни. Прочность шлакоситал­ лов на изгиб приближается к прочности чугуна, но этот материал легче чугуна в три раза. Шлакоситаллы имеют высокое сопротив­ ление истиранию: в 4 - 8 раз выше, чем у каменного литья, в 20 - 30 раз - чем у гранита и мрамора, в 35 раз - чем у фарфора. Шлакоситаллы тепло- и морозостойки, устойчивы к воздействию кислот и щелочей, имеют низкий коэффициент термического рас­ ширения.

Перечисленные свойства шлакоситаллов определяют области их применения: из них делают листовые панели и трубы для раз­ личного химического оборудования, электроизоляторы, электрова­ куумные и оптические приборы, подшипники и фильеры, мелющие тела и т. д.

Особенности переработки сталеплавильных и ферросплавных шлаков. Переработка сталеплавильных и ферросплавных шлаков имеет некоторые особенности по сравнению с переработкой домен­ ных шлаков, что связано со значительным содержанием в них ме­ талла как в свободном виде, так и в виде сплавов.

Основными видами продукции, получаемой из ферросплавных шлаков, являются щебень, песок, клинкер, гранулированный шлак и металлический сплав, содержание которого в исходном шлаке достигает 2%.

Использование металла, содержащегося в шлаке, очень эффек­ тивно, так как он на 30 - 40% дешевле металлического лома.

Ежегодно около 2 млн. т металла в виде шлакового скрапа возвра­ щается в переплав.

Способы извлечения стали из жидких шлаков пока не разрабо­ таны из-за опасности взрыва при контакте жидкого металла, со­ держащегося в шлаке, с водой. Поэтому металл извлекается из шлака после его отверждения и многократного дробления и сепара­ ции. Первичная переработка проводится в шлаковых отделениях, а вторичная - в дробильно-сортировочных установках. При первич­ ной переработке из шлака извлекается крупный стальной скрап. Содержание шлака в нем составляет 5 - 7 % , поэтому после раз­ делки на более мелкие куски он не нуждается в очистке и сразу поступает на переплав. При первичной обработке с помощью маг­ нитов из шлака извлекается до 65% содержащегося в нем металла. Остальной металл сильно зашлакован, он может быть отделен только после дополнительного измельчения шлака и использован в качестве добавки к шихте.

Дробление шлака осуществляется на щековых дробилках, сор­ тировка - в грохотах, транспортировка - ленточными конвейера­ ми. Перед каждой стадией дробления и после нее металл отбирает­ ся подвесными магнитными сепараторами.

Переработка шлаков может осуществляться на дооборудован­ ных магнитными сепараторами мобильных дробильно-сортировоч­ ных установках, используемых в горных работах.

Особенности утилизации шлаков цветной металлургии. Ме­ таллургические шлаки, образующиеся при выплавке цветных ме­ таллов, отличаются по химическому составу и свойствам. Объем их образования в десятки раз превышает объем образования шла­ ков при производстве такого же количества чугуна. Так, если при выплавке 1 т чугуна образуется до 1 т шлака, то при выплавке 1 т меди и никеля образуется до 30 и до 150 т шлака на 1 т металла соответственно.

Ежегодно в цветной металлургии образуется до 10 млн. т шла­ ков, уровень использования которых не превышает 15%. В значи­ тельной мере это объясняется тем, что в шлаках цветной метал­ лургии содержится ценное металлургическое сырье и переработка их на строительные материалы менее эффективна, чем потенци­ альное его извлечение. Поскольку рациональная технология извле­ чения ценных металлов из этих шлаков пока не создана, значи­ тельная их часть временно сбрасывается в отвал на хранение. Это относится, в частности, к шлакам свинцового и медного произ­ водств, которые частично используются для изготовления медисто­

го чугуна и медноцинкового сплава.

В шлаках медной промышленности содержится 0,3 —1,1% ме­ ди, около 5% цинка, свинец, золото, серебро и другие ценные ме­ таллы.

Для переработки шлаков цветной металлургии в строительные материалы необходимо вначале извлечь из них цветные и редкие металлы, т.е. переработка шлаков цветной металлургии должна быть комплексной и производиться в три стадии:

*извлечение цветных металлов;

*извлечение железа;

*использование силикатного остатка для производства строи­ тельных материалов.

Шлаки медной промышленности, содержащие менее 0,3% ме­ ди, считаются отвальными. Все остальные шлаки идут на дополни­ тельную переработку с целью извлечения меди и других цветных металлов.

Конвертерные шлаки на всех никелевых заводах подлежат до­ полнительному обеднению, после чего используются для строи­ тельных целей.

Значительное обеднение шлаков кислородно-факельной плавки по меди достигается использованием в качестве восстановителя алюминийсодержащих отсевов из алюминиевых литейных шлаков и пиритного концентрата. Переработка шлаков осуществляется в электропечах, в которые заливается жидкий шлак и загружается углеродистый восстановитель в количестве 6 - 8 % от массы шла­ ка, кварцевый флюс и медноникелевая руда.

Шлаки свинцовоцинкового производства также дополнительно перерабатываются.

Восстановление цинксодержащих шлаков позволяет доизвлекать тяжелые цветные металлы. В результате вельцевания (окис­ лительно-восстановительного процесса) шлаков свинцовой плавки доизвлекают цинк и свинец. Отвальный клинкер можно использо­ вать как сырье для производства стройматериалов.

Температура в разгрузочной части вельц-печи поддерживается в интервале 1150 - 1250°С, на выходе газов из печи 580 - 650°С. При этом процессе возгоняются в виде оксидов цинк до 95% и свинец до 92%. Клинкер, составляющий 75—85% от массы шлака, измельчается и подвергается магнитной сепарации в несколько стадий. Магнитный концентрат используют в свинцовом производ­ стве, а немагнитную составляющую - для получения строительных материалов и асфальтобетонов.

Пирометаллургические способы извлечения цветных металлов из шлаков основаны на восстановлении оксидов углем, коксом, карбидом кальция, чугуном, природным газом и другими материа­ лами. При этом расходуется значительное количество энергоресур­ сов, а аппаратурное оформление процесса сложно и дорого, в ре­ зультате чего эти способы не всегда эффективны.

По теплофизическим и прочностным свойствам, износостойко­ сти, кислотостойкости шлаки цветной металлургии значительно

превосходят доменные шлаки. Из них получают те же строитель­

ные материалы (песок, щебень, цемент), что и из доменных шла­ ков.

10.3. Утилизация золы и топливных шлаков

Значительное количество шлаков и золы образуется при сжига­ нии твердых топлив. Их количество составляет при сжигании, %:

Использование отходов теплоэлектростанций (ТЭС) имеет большое экономическое и экологическое значение, поскольку их очень много, а создание и содержание отвалов требует значитель­ ных средств. За сутки работы ТЭС мощностью 1 млн. кВт сжигает 10000 т угля и выделяет 1000 т шлака и золы. Ежегодно для захо­ ронения такого количества шлаков при высоте захоронения 8 м требуется более 1 га площадей.

По заключению ряда специализированных организаций (Мос­ ковского НИИ им. Ф. Ф. Эрисмана, Санкт-Петербургского Инсти­ тута токсикологии и др.), проводивших в 1996 - 1998 гг. исследо­ вания на животных, золошлаковые отходы являются нетоксичны­ ми. Это открывает более широкие перспективы для их экономиче­ ски выгодного и экологически безопасного использования в про­ мышленном, гражданском и дорожном строительстве.

Принятая в 1994 г. Федеральная программа по переработке зо­ лошлаковых отходов ТЭС предусматривает строительство в раз­ личных регионах предприятий по переработке их в стройматериа­ лы с последующей рекультивацией земель.

Известны более 100 технологий производства бетона с исполь­ зованием золошлаковых отходов. Так же как и шлаки металлурги­ ческого производства, топливные шлаки можно использовать для производства керамзита и шлакоблоков. Имеется опыт применения золошлаковых отходов в сельском хозяйстве для раскисления и

удобрения почв.

Топливные шлаки по составу и свойствам отличаются от ме­ таллургических. Основными компонентами золошлаковых отходов, образующихся при сжигании твердых топлив, являются оксиды кремния (19 -65% ) и алюминия (3 -3 9 % ), несгоревшие частицы топлива (7 - 23%), а также в небольших количествах микроэле­ менты.

Температура в топливных камерах современных ТЭЦ достига­ ет 1600 °С, топливо подается в камеру в пылевидном состоянии. Образующиеся из минеральной части топлива частицы пыли име­ ют различный фракционный состав. При размере до 100 мкм пы­ левидные частицы уносятся дымовыми газами (зола-унос). Более крупные частицы оседают на под камеры и оплавляются, образуя стекловидную массу, которую затем подвергают грануляции.

Количественное соотношение между золой-уносом и шлаком зависит от сорта топлива и конструкции топки. Для одного и того же топлива из минеральной части в шлак переходит: в торках с твердым шлакоудалением 10 - 20%, в топках с жидким шлакоудалением 2 0 -4 0 % , в циклонных топках - до 85 - 90%.

Зола-унос может использоваться в производстве строительных материалов без дополнительной обработки (помола, просеивания и т.п.). Нелетучая зола может использоваться в гранулированном виде в дорожном строительстве для изготовления основания участ­ ков парковки автомобилей, велосипедных дорожек, дорог, набе­ режных. Ее можно использовать в качестве покрытия на полигонах для размещения твердых бытовых отходов.

Летучую и нелетучую золу можно использовать в качестве инертного наполнителя в асфальтах.

Большие возможности утилизации золы связаны с ее сорбци­ онными свойствами. По составу зола близка к неорганиче­ ским катионообменникам - цеолитам, имеющим формулу лЫагОmSi02*£Al203. Несгоревшие частицы угля, присут­ ствующие в золе, также являются активным адсорбентом по отношению к органическим малодиссоциирующим веществам. Благодаря этим свойствам золу можно применять для очистки слабозагрязненных сточных вод. Емкость золы как адсорбента состав­ ляет, мг/ч: 3 - 10 по меди, 2 - 5 по цинку, 4 - 6,5 по свинцу. Сте­ пень очистки сточных вод определяется количеством использован­

Из приведенных данных видно, что при содержании золы 3,0 г/л раствора (или сточной воды) очищенная вода практически не содержит ионы меди, свинца, цинка и мышьяка.

Для определения возможности и направлений использования золы необходимо знать ее физические и химические свойства. Хи­ мический состав золы влияет на ее способность к выщелачиванию, а также определяет ее поведение при старении. Физические свой­ ства золы (такие, как дисперсность, гидравлическая проводимость, плотность, уплотняемость, прочность, несущая способность и др.) влияют на прочностные характеристики и эксплуатационные свой­ ства получаемых строительных материалов на ее основе.

Наиболее важными являются испытания, при которых опреде­ ляется способность к выщелачиванию различных составляющих зо­ лы. Они позволяют определить поведение золы и ее производных при эксплуатации.

Главной областью применения топливных шлаков, так же как и металлургических, является производство строительных материа­ лов. Их используют самостоятельно как теплоизолирующую за­ сыпку и как компонент для производства цемента, газобетона, керамзитобетона, зольного гравия, глиняного и силикатного кирпича. При использовании шлакозольных вяжущих получают бетоны с прочностью на сжатие до 40 МПа.

Жидкие топливные шлаки можно использовать в производстве отделочной керамической плитки: при содержании в смеси до 30% шлаков плитка имеет отличные физико-механические свойства и хороший внешний вид.

Зола-унос сухого улавливания может использоваться при стро­ ительстве автомобильных дорог для укрепления грунтов, в качест­ ве самостоятельного медленно твердеющего связущего, а также в сочетании с цементом и известью. Возможно также использование такой золы и при выполнении гидротехнических работ: для произ­ водства сборного железобетона, изготовления бетонных растворов при строительстве плотин, дамб и других гидротехнических соору­ жений. Такой опыт накоплен при строительстве Братской ГЭС, когда была использована зола Иркутской ТЭС-1.

В связи с тем что шлаки содержат соединения фосфора, каль­ ция, магния, различные микроэлементы, их используют для про­ изводства минеральных удобрений в форме муки.

На рис. 10.8 приведена схема производства фосфат-шлакового удобрения из остеклованного кускового шлака размером 150 -

200 мм.

Первичное дробление производится в шаровой мельнице с пе­ риферийной разгрузкой. Фракция размером 25 мм сепарируется и тарельчатым питателем подается в мельницу тонкого помола, ра­ ботающую в замкнутом цикле с воздушным сепаратором. Мелкие

Представляет интерес использование в качестве удобрений гра­ нулированных шлаков, так как такое удобрение будет разлагаться в почве в течение 1 0 - 1 5 лет, передавая все это время растениям необходимые питательные вещества. Такие гранулы не пылят, не слеживаются и не смерзаются, а потому их можно вносить в почву и летом, и зимой. Стоимость гранулированного шлака ниже сто­ имости муки.

Однако объемы утилизации золы и топливных шлаков в России пока незначительны. В отличие от передовых стран, где объемы использования топливных минеральных отходов достигают 62% во Франции и 76% в Германии, в России в 1998 г. было утилизирова­ но менее 5% образовавшихся золошлаковых отходов ТЭС: из 40 млн. т утилизировано только 1,9 млн. т.

10.4, Утилизация отработанных огнеупорных материалов

При разборке огнеупорной футеровки и кладки печей образу­ ется огнеупорный лом, пригодный к дальнейшему использованию. Основное количество огнеупорного лома образуется на предприя­ тиях черной металлургии и в литейных производствах машино­ строительных заводов. Значительное количество огнеупорного лома образуется в устройствах для разливки стали, и прежде всего в сталеразливочных ковшах, которые футеруются в основном алю­ мосиликатными огнеупорами. При ремонтах воздухонагревателей доменных и коксовых печей образуется лом муллитокремнеземи­ стых, муллитовых, муллитокорундовых и корундовых изделий.

На предприятиях фарфоро-фаянсовой, электрокерамической, абразивной промышленности образуется лом карбидкремниевых изделий. Химический состав и физические свойства образующегося огнеупорного лома не контролируются.

Разборка огнеупорной футеровки печей и других тепловых аг­ регатов на большинстве предприятий производится вручную по элементам огнеупорной кладки. Разборка футеровки начинается со свода печи. Перед его обрушением в печь вводят стальные короба, затем свод обрушивают завалочной машиной. После этого короба с отходами кладки вынимают на рабочую площадку, где производит­ ся первичная ручная разборка. Затем производится разборка тор­ цевых стен печи. Для удаления отработанной футеровки в шлаковики вводят скрепер-машины, которые подают отработанные огне­ упоры и шлак в контейнеры. Далее контейнеры транспортируются на сортировочные площадки.

Огнеупорный лом используется как вторичное сырье для про­ изводства огнеупоров. Шамотный лом применяется при изготовле­ нии обычного и ваграночного кирпича, в производстве пористой керамики, жаропрочных бетонов.

Магнезиальный лом используют при изготовлении периклазохромитовых и хромитопериклазовых изделий и порошков. Лом ди­ насовых изделий применяют в огнеупорной промышленности при изготовлении бетонных и динасовых блоков, а также плит для на­ ружной облицовки зданий.

Лом муллитокремнеземистых, муллитовых и муллитокорундо­ вых изделий используют при производстве высокоглиноземистых масс для футеровки разливочных ковшей.

Вторичные огнеупорные материалы широко используют на ма­ шиностроительных предприятиях и заводах цветной металлургии. Малоизмененные огнеупорные изделия, отобранные при ремонте печей, идут в кладку этих же печей. Повторное использование ог­ неупорных изделий наиболее эффективно, так как не требует до­ полнительных затрат ручного труда и энергии и позволяет эконо­ мить первичные огнеупоры.

10.5.Регенерация горелой земли

Влитейном производстве металлургических и машинострои­ тельных предприятий при изготовлении формованных литых ме­ таллических деталей используют формовочную землю для изготов­ ления литейных форм и стержней. При этом образуется горелая земля, утилизация которой имеет важное экономическое значение. Формовочная земля состоит на 90 - 95% из высококачественного кварцевого песка и небольших количеств различных добавок: бен­ тонита, молотого угля, едкого натра, жидкого стекла, асбеста и др.

Регенерация горелой земли состоит в удалении пыли, мелких фракций и глины, потерявшей связующие свойства под воздейст­ вием расплавленного металла, имеющего высокую температуру. Существуют три способа регенерации горелой земли: мокрый, су­ хой и электрокоронный.

При мокром способе регенерации горелая земля поступает в систему последовательных отстойников с проточной водой. При прохождении отстойников песок оседает на дне бассейна, а мелкие фракции уносятся водой. Песок затем просушивается и возвраща­ ется в производство для изготовления литейных форм. Вода посту­ пает на фильтрацию и очистку и также возвращается в производ­ ство.