. Оценка технологий
Миллионы тонн промышленных отходов образуются в результате жизнедеятельности крупнейших индустриальных центров России. К ним ежесуточно добавляются отходы коммунально-городского хозяйства, включая твердые бытовые отходы. Совокупный рост объемов ТПО и ТБО составляет примерно 5% в год. С другой стороны, при развитии мощностей по переработке отходов существенно возрастает потребность в площадках для новых установок. Уже в настоящее время проблема размещения стала основным сдерживающим моментом в развитии производств по переработке ТПБО. В большинстве стран Европы и Северной Америки управление потоками ТПБО включает ряд обязательных этапов. К их числу относятся: программы по снижению объемов образования ТПБО, широкое внедрение их вторичного использования, применение соответствующих фракций ТПБО в качестве сырья для основных производственных процессов, утилизация энергетического потенциала отходов, захоронение остатков ТПБО, не обладающих никакими полезными свойствами на экологически нейтральных полигонах.
Фактически формула обращения с ТПБО в развитых странах воплощает принцип устойчивого развития и может быть кратко представлена следующим перечнем операций:
- редукция;
- вторичное использование;
- переработка;
- извлечение энергии;
- захоронение остатков.
Полнота осуществления данной формулы в различных странах определяется конкретными экологическими, сырьевыми, демографическими и другими условиями. В целом европейскими странами принята в настоящее время стратегия, в соответствии с которой возобновляемые источники энергии, к числу которых относятся ТПБО, должны составлять в их энергобалансе 10-15% к 2010 году.
В РФ создано московское государственное предприятие МГП «Промотходы». Основными направлениями деятельности МГП являются:
- создание общегородской системы централизованного удаления и переработки всех видов отходов промышленных предприятий, а также экологически опасных отходов и вторичных материальных ресурсов от объемов коммунального и жилого секторов г. Москвы;
- развитие системы экологического контроля, правового регулирования, нормативно-методического и информационного обеспечения обращения с отходами;
- координация работ, направленных на сокращение промышленных отходов города и др.
В связи с разнообразием веществ и материалов, подпадающих под категорию ТПБО, и различными технологиями и переработки до настоящего времени не существует единого подхода к созданию типового перерабатывающего завода. Сейчас стратегии управления ТПБО осуществляются посредством химико-технологических систем удаления отходов, которые фактически являются инструментом их воплощения. Структура такой ХТС является прямым отражением экономической и экологической политики государства.
Так, во многих регионах РФ, странах СНГ, части Восточной Европы и в развивающихся странах реальные ХТС включают две основных системы - источник ТПБО и свалку. В большинстве экологически развитых стран ХТС удаления ТПБО включают спектр методов и производств, позволяющих осуществлять индивидуальную переработку и обезвреживание различных ингредиентов. Вместе с тем, все современные ХТС включают полигоны захоронения ТБО, куда поступают непрореагировшие остатки от переработки отходов.
Таким образом, при выборе методов и оборудования переработки твердых отходов существенную роль играют их состав, количество, цена и экологическая безопасность. В РФ вторичную переработку осуществляют по четырем основным вариантам: обезвреживание, извлечение полезных веществ, уничтожение и захоронение. Анализ соответствующих процессов позволил сформировать основное требование к их разработке: технологический процесс должен потреблять минимальное количество реагентов и энергозатрат, а продукт вторичной переработки должен обладать потребительской ценностью.
1.
Обезвреживание твердых отходов
Для обезвреживания твердых отходов часто применяют метод их капсулирования, заключающийся в обволакивании токсичного отхода инертной пленкой, например, стеклообразной или полимерной. Используемый метод переплавки отходов заключается в выжигании вредных компонентов, формировании новой структуры вторичных материальных ресурсов и их потребительских свойств: размеров, цвета и т.п. Химические методы позволяют получать из отходов новые продукты: твердые органические отходы путем гидрирования превращают в жидкое и газообразное топливо. Использование цемента для фиксации отходов является в настоящее время наиболее распространенным методом. Технология применяется для отходов, содержащих воду, которая необходима для реакции цементирования. Недостаток метода - увеличение объема отходов и возможная деградация цемента при низких значениях рН. Применяется для неорганических отходов, особенно тяжелых металлов, а также радиоактивных веществ. Для фиксации с использованием органических полимерных материалов готовится смесь отходов с соответствующими смолами или мономерами, затем вводится катализатор, обеспечивающий полимеризацию и создание объема фиксированного материала. Обычно отходы не связываются химически с полимером. Происходит микрообвалакивание органической оболочкой. Для обработки отходов обычно используются формальдегидные, виниловые и полиэстеровые соединения. Такой монолит обладает сопротивлением на сжатие на уровне бетона. Недостаток метода - возможность появления ядовитых паров в процессе полимеризации.
2.
Извлечение ценных компонентов из BMP
Для извлечения ценных компонентов из BMP используют методы экстрагирования и кристаллизации. Экстрагирование - извлечение из твердого вещества одного или нескольких компонентов с помощью растворителя. При этом извлекаемые компоненты переходят из твердой фазы в растворитель. Для последующего выделения целевого компонента из смеси с экстрагентом применяют выпаривание или ректификацию. Используются следующие основные типы экстракторов: смесительно-отстойные, колонные и центробежные. Кристаллизация - выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Процесс характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости. Далее выделенный кристаллический продукт подлежит вторичному использованию, а фильтрат подвергается дальнейшей переработке.
Принцип действия установки по очистке грунта от нефти и нефтепродуктов основан на использовании интенсивной виброкавитационной экстракции загрязнений, содержащих нефть и нефтепродукты, с последующим разделением пульпы на чистый и извлеченную нефть. В качестве экстрагентов могут использоваться различные вещества, в частности, вода, нефть, углеводороды. При проведении работ на морском побережье - соленая морская вода.
В конструкции установки применяется специально разработанный экстрактор, обладающий высокой производительностью и эффективностью, а также оригинальный узел для последующего отделения грунта от нефти и нефтепродуктов.
Установка массой не более 2,5 т и производительностью 1 т загрязненного грунта в час имеет модульную конструкцию. Тип модулей и их количество определяются видом и степенью загрязненности грунта. Габаритные размеры модуля установки составляют: ширина -2 м, длина -2 м, высота - 3 м. Расход воды не превышает 200 кг на 1 тонну исходного грунта, затраты электроэнергии - 10 кВт в час.
Способ экстракции обеспечивает степень очистки грунта не менее 99% и высокую производительность процесса при компактности оборудования. Технология является безотходной и экологически чистой. Возможно создание передвижной очистной установки, что позволяет использовать ее при ликвидации последствий аварий, в частности на нефтепромыслах и нефтепроводах.
Существенным достоинством метода является то, что извлекаемые из грунта нефтепродукты можно применять повторно, например, в виде топлива. По сравнению с зарубежными технологиями данный метод обеспечивает снижение эксплуатационных затрат в 3-4 раза и капитальных - в 10 раз.
Схема кристаллизатора с принудительной циркуляцией суспензии приведена на рис. 3. Циркуляция создается мешалкой. Кристаллизатор с естественной циркуляцией раствора представлен на р и с. 4.
Дальнейшая переработка твердых отходов ведется в оборудовании для сушки жидких, пастообразных и сыпучих продуктов химической, пищевой, медицинской, микробиологической, стройматериалов, горнодобывающей и смежных с ними отраслей промышленности, а также для сушки осадков сточных вод и отходов различных производств.
АО «НИИХИММАШ» разработана сушильная техника широкого назначения, используемая, например, в качестве финишного оборудования процессов экстракции и кристаллизации. Ниже приведены схемы и технические показатели таких аппаратов.
Вальцевые сушилки типа «вн» предназначены для сушки суспензий и текучих паст.
Рабочей поверхностью является цилиндрический обогреваемый валец, установленный на двух опорах и снабженный регулируемым приводом для вращения. Исходный продукт наносится тонким слоем на рабочую поверхность и снимается специальным ножом в виде пленки или чешуек. Время сушки соответствует одному обороту вальца. Сушилки могут поставляться комплектно. Исполнение: одно- и двухвальцевые, открытые и герметизированные с чугунными или хромированными вальцами.
Диаметр вальца, м: от 1,2 до 2.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 25 до 2000. Обрабатываемые продукты: мездровый клей, гербициды, кормовые белки и т.д.
Распылительные сушилки типа «рц» и «рф» предназначены для сушки растворов и суспензий, обеспечивают интенсивное испарение влаги при кратковременном пребывании продукта в зоне теплового воздействия.
Представляют собой цилиндрическую камеру с коническим днищем. В верхней части установлены центробежный распылитель или форсунки и устройство для подвода теплоносителя. Получаемый продукт в виде порошка не требует дополнительного измельчения.
В качестве теплоносителя используется подогретый воздух или дымовые газы от сжигания мазута или природного газа.
Диаметр камеры, м: 1-2, 5-3, 2-4-5-6, 5-8-10-12,5.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 10 до 25000.
Обрабатываемые продукты: минеральные и органические соли, катализаторы, пигменты, красители, кормовые белки, ферменты, сточные воды и др.
Сушилки с вращающимся барабаном типа «бн» предназначены для сушки кусковых и зернистых материалов, в том числе комкующихся и рассыпающихся паст. Представляют собой горизонтальный цилиндр, установленный на опоры для его вращения и снабженный соответствующим приводом. Сушка осуществляется горячими газами.
Корпус барабана снабжен рядом насадок лопастного или цепного типа, обеспечивающих перемешивание и перемещение материала вдоль барабана при активном тепломассообмене.
Диаметр корпуса, м: 0,5-1-1,2-1,6-2,0-2,2-2,5-2,8-3,0-3,2-3,5.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 10 до 25000.
Обрабатываемые продукты: минеральные удобрения, угольные горнохимические и металлургические концентраты, каолин, мел, осадки бытовых и промышленных стоков, доменные шлаки, шламы, кокс, гипс, доломит, песок, щебень, полимеры в порошке и гранулах, лигнин, отходы животноводческого производства, деревопереработки и т.д.
Вальцеленточные сушилки типа «ел» и «лс» предназначены для сушки пастообразных продуктов. Представляют собой двухступенчатую установку, включающую вальцевую и ленточную части. Вальцевая часть выполнена в виде ребристого обогреваемого цилиндра, установленного на опоры с приводом для вращения. Продукт прижимным валиком впрессовывается в канавки, подсыхает в течение одного оборота и специальным ножом-гребенкой удаляется из канавок в виде кусочков или палочек, затем передается на бесконечную ленту. Ленточная часть представляет собой короб, где размещена бесконечная лента, калориферы для нагрева воздуха и циркуляционные вентиляторы.
Сушилки типа «вл» и «лс» самостоятельно используются для сыпучих, гранулированных и волокнистых материалов. Они позволяют строго регулировать время пребывания продукта в аппарате, влажность и температуру теплоносителя и материала, изменять поток теплоносителя: прямоток, противоток, смешанный и т.д.
Диаметр вальца, м: от 0,8 до 1.
Ширина ленты, м: 0,8-1,0-1,2-2-3.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 100 до 1500. Обрабатываемые продукты: пигменты и наполнители после фильтров, таблетированные материалы и т.д.
Сушилки роторные вакуумные типа «рв» предназначены для сушки жидких, пастообразных и сыпучих продуктов от органических растворителей или продуктов токсичных или пожаровзрывоопасных по своим химическим свойствам. Сушилки «рв» периодического действия представляют собой обогреваемую горизонтальную цилиндрическую или биконическую емкость, внутри которой помещен ротор, мешалка с лопастями различной конструкции, в том числе с ножевыми и размольными.
Сушилка работает под вакуумом до остаточного давления 50 мм рт.ст., что обеспечивает высокие скорости сушки при невысоких температурах нагрева. Это обстоятельство важно для сушки термонестойких материалов.
Достоинством сушилок «рв» является абсолютная герметичность, экологическая чистота, надежность в работе и обеспечение высокого качества готового продукта, минимальные энергозатраты.
Объем корпуса, м3
: 0,3-1,6-4-6-10-30.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 5 до 500.
Обрабатываемые продукты: полиамид, поликарбонат, полиэтилен, по-ливинилхлорид, порошкообразный полисульфон, экстракт полифенола, кальнитиновая кислота, 2-хлорбензойная кислота, хлористый натрий, хлористый калий, метилглюкамин.
Сушильные аппараты взвешенного слоя с инертным носителем «пи» предназначены для сушки сыпучих зернистых и порошкообразных продуктов. Проектируются индивидуально во всех элементах соответственно гидродинамическим свойствам обрабатываемого материала.
Сушильные аппараты с псевдоожиженным слоем работают на принципе активного продува слоя материала в режиме, создающем расширение слоя материала. Подобный режим характеризуется высокой интенсивностью тепломассобмена и соответственно высокой производительностью.
Аппарат представляет собой вертикальную цилиндрической формы камеру. В нижней части камеры установлен газоподвод с газораспределительной решеткой, на которую засыпается слой инертных частиц.
Сушильные аппараты НИИХИММАШа с инертным носителем имеют универсальное применение и способны обрабатывать широкий диапазон продуктов жидкотекучих, пастообразных и сыпучих.
Готовый продукт получается в виде порошка или чешуек. Объем корпуса, м3
: 1,5-6-20.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 50 до 1000. Обрабатываемые материалы: красители, ферменты, наполнители, органика и др.
Часто после сушки мелкодисперсных порошков в целях снижения пы-ления подвергают уплотнению на различных видах оборудования: барабанные, тарельчатые, роторные, брикетные и др. грануляторы. На р и с. 6. показан окомкователь порошков роторный ОПР, а ниже приведена его техническая характеристика. Применение окомковате-ля целесообразно перед выгрузкой высушенного порошка или пыли на ленту транспортера или в емкость. Обработанная пылевая масса приобретает вид гранул размером от 1 до 10 мм и влажностью 7-15%, которые не создают вторичного пыления при перевозке транспортными средствами общего назначения, при захоронении в отвалы или иной подготовке к утилизации. Окомкователь может применяться в черной и цветной металлургии, промышленности строительных материалов, машиностроении, химической промышленности.
Технические характеристики ОПР-200
Производительность по пыли м3
/ч до 3
Температура пыли, °С до 100
Диаметр корпуса, мм 200
Число оборотов ротора, об/мин 350
Мощность привода, кВт 5,5
Габаритные размеры, LxBxH, мм 1300x744x554
3. Использование твердых отходов в качестве вторичных энергетических ресурсов и вторичных материальных ресурсов
Термические методы уничтожения твердых BMP позволяют использовать энергетический потенциал отходов, а в случае комплексной переработки извлекать из продуктов термообработки различные вещества, применяемые в основной или смежной отраслях. Процесс осуществляют в термических реакторах различных конструкций. Недостатком метода сжигания является образование сопутствующих топочных газов, подлежащих дополнительной очистке. В ряде случаев при термической переработке твердые отходы подвергают пиролизу - высокотемпературному превращению органических соединений, сопровождающееся их деструкцией и вторичными процессами. Образующиеся продукты используются как жидкое и газообразное топливо.
Переработка отходов с целью использования их энергетического потенциала без нанесения экологического ущерба окружающей среде представляет собой сложную энерготехнологическую проблему. К таким ВЭР относятся отходы химической и термохимической переработки углеродистого или углеводородного сырья, древесные отходы в лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, отходы химических производств, представляющие собой смеси различных веществ и др., разделение которых экономически нецелесообразно.
Большого экономического эффекта достигают при применении систем, вырабатывающих или полностью обеспечивающих себя электроэнергией, кислородом, сжатым воздухом и теплом. Избытки электроэнергии, тепла и продуктов разделения воздуха используют для нужд коммунально-городского хозяйства. Схема такого энерготехнологического агрегата с применением печей Ванюкова предназначена для переработки твердых бытовых и промышленных отходов в барботируемом расплаве шлака.
Сущность технологического процесса переработки ТБО в печи Ванюкова заключается в высокотемпературном разложении компонентов рабочей массы в слое барботируемого шлакового расплава при температуре 1350-1400 °С и выдерживании их в течение 2-3 секунд, что обеспечивает полное разложение всех сложных органических соединений до простейших компонентов. Барботаж осуществляется за счет подачи через стационарные дутьевые устройства окислительного дутья.
ТБПО рассматривается как топливо с теплотворной способностью 1500-1800 ккал/кг при влажности 51,7%.
Плавка осуществляется автогенно без добавления топлива на дутье, обогащенном кислородом до 50-70%.
Комплекс по утилизации отходов позволяет перерабатывать шихту без предварительной сортировки и сушки со значительным колебанием по химическому и морфологическому составу за счет универсальности плавильного агрегата.
Экологическая безопасность достигается за счет отсутствия на выходе из печи высокотоксичных соединений и применения системы очистки газа, имеющей запас по пропускной способности и рассчитанной на улавливание практически всех возможных вредных соединений, встречающихся в бытовых и промышленных отходах и образующихся при их переработке.
ТБПО и флюсы поступают на завод автотранспортом. Материалы взвешиваются и проходят дозиметрический контроль.
В результате плавки образуются газы, содержащие продукты сгорания и разложения ТБО, и шлак, состоящий из силикатов и оксидов металлов. Возможно образование донной фазы, содержащей черные и цветные металлы.
Шлак после водной грануляции поступает на предприятия стройиндустрии или на строительство автодорог.
Донная фаза отливается в слитки и отправляется на переработку на предприятия черной и цветной металлургии.
Газы охлаждаются в газоохладителе с получением пара энергетических параметров, очищаются от пыли, возгонов, вредных примесей и сбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.
Уловленная пыль, в зависимости от содержания в ней компонентов, отправляется или потребителю, или возвращается в оборот - на переработку с ТБПО.
Модули, кроме МПВ-30, полностью обеспечивают себя кислородом, сжатым воздухом, теплом и электроэнергией. Избыток электроэнергии, тепла и продуктов разделения воздуха используется для нужд населения и промышленных предприятий. Теплом отработанного пара турбогенератора в зависимости от мощности модуля можно отапливать от 3 до 30 гектаров тепличных хозяйств. Шлак используется для изготовления строительных изделий, а также для строительства дорог. Из отходящих газов печи Ванюкова, по желанию заказчика, возможно получение товарной угольной кислоты и метанола. Условная экономия земельных площадей при переработке 120 тыс. тонн ТБО в г. Рязани.
Научно-производственной фирмой «Термоэкология» и акционерным обществом «ВНИИЭТО» разработана технология и оборудование для термической переработки и утилизации твердых бытовых, промышленных и больнично-медицинских отходов. Используемая для переработки и утилизации отходов технология «ПИРОКСЭЛ» обеспечивает:
- возможность безоотходной высокотемпературной переработки отходов, в том числе токсичных и с высокой влажностью;
- очистку отходящих газов от пыли, соединений хлора и фтора, тяжелых металлов, окислов серы, азота и т.д.
- полное уничтожение образующихся в процессе переработки диоксинов и фуранов;
- производство полезного продукта в виде различных строительных материалов-теплоизоляционных, отделочных и конструкционных.
Метод высокотемпературной переработки отходов «ПИРОКСЭЛ» базируется на комбинировании процессов «сушка» - «пиролиз» - «сжигание» «электрошлаковая обработка» и предусматривает соответствующее аппаратурное оформление. Основное технологическое оборудование включает плавильную электропечь, пиролизную шахту, сушильный барабан с загрузочным устройством. Отходы подаются через загрузочное устройство и сушильный барабан в пиролизную шахту и плавильную электропечь, последовательно проходя через сушку, пиролиз, окисление углерода и обработку жидким шлаком. В результате происходит разложение отходов на шлак, металл, пиролизные и дымовые газы. Подогрев шлака осуществляется графитовыми электродами, которые подключены к источнику питания, при этом состав шлака регулируется добавкой флюсов. Слив шлаков и металла осуществляется периодически через дозирующие отверстия с последующей грануляцией.
В процессе переработки образуются газы двух типов: пиролизный и дымовой. Пиролизные газы проходят по замкнутому рециркуляционному тракту, включающему циклон, холодильник и дымосос. Пиролизные газы возвращаются в подсводовое пространство электропечи для сжигания.
Дымовые газы из подсводового пространства направляются в реактор, фильтр, скруббер и через дымосос и дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.
Все оборудование объединено в единый производственный комплекс.
Переработка отходов и получение из ее продуктов строительных и других материалов осуществляется наследующих производственных участках:
- участке по термической переработке отходов;
- участке по производству пирозита;
- участке по производству металлической фибры;
- участке по переработке резинотехниче
- участке по переработке коагулянта и пигмента;
- участке по переработке гальваностоков.
Технологии всех производственных участков взаимосвязаны. Объединяющим является принцип безотходности производства: продукты переработки отходов на одном производственном участке являются либо товарной продукцией, либо исходным материалом для переработки на другом участке. В конечном итоге из твердых бытовых, медицинских и ряда промышленных отходов производятся: пористый наполнитель, красящие пигменты и резиновая крошка. Избыток тепла, образующийся в результате работы установок комплекса, используется для переработки загрязненного снега и отопления производственных помещений.
Первый из подобных комплексов - Региональный экологический центр ЮВАО г. Москвы - создан и успешно работает на территории Юго-Восточного административного округа столицы. Производительность центра - 25 тыс. тонн отходов в год.
Относительно низкая себестоимость оборудования, а также возможность реализации получаемых в результате переработки отходов материалов, определяют срок окупаемости комплекса в 2,1 года.
ОАО «Уральский институт металлов» предложены технологии комплексной переработки железосодержащих отходов предприятий черной металлургии и сухой грануляции шлака с утилизацией его тепла. В основу комплексной технологии заложены отработанные в отечественной и зарубежной металлургии процессы. Технологическая схема включает термическое обезмасливание мелкой окалины из вторичных отстойников прокатных цехов, сгущение и частичное обезвоживание шламов, агломерацию и холодное или горячее брикетирование отходов в различном сочетании с добавками с целью получения продуктов, удовлетворяющих требованиям доменного и сталеплавильного переделов. При необходимости отходы с повышенным содержанием цинка могут быть металлизованы с попутной отгонкой и улавливанием оксида цинка. Схема имеет блочную структуру и может быть реализована по частям, в том числе и на предприятиях с неполным металлургическим циклом. В зависимости от видов, количества, физических и химических свойств образующихся отходов, имеющегося задействованного и резервного оборудования в основных и вспомогательных цехах, а также на близрасположенных предприятиях, комплексная технологическая схема подлежит корректировке с целью максимального учета местных условий и минимизации дополнительных капитальных затрат.
Преимущества технологии:
- полное использование текущих железосодержащих отходов;
- возможность утилизации заскладированных отходов из шламонакопителей;
- снижение потребности в привозном сырье;
- высокое качество получаемых продуктов и их эффективное применение в производстве;
- максимальное использование резервных производственных площадей и оборудования при минимальных дополнительных капитальных затратах;
- уменьшение затрат на содержание отвалов и улучшение экологической обстановки;
- высокая экономическая эффективность и быстрая окупаемость затрат.
Предлагается также технология и установка для грануляции жидких шлаков воздухом с утилизацией до 45-50% тепла расплава. Производительность установки изменяется в пределах 1,5-4,0 т/час. Конструкция узла распыливания обеспечивает проработку 100% жидкой части без образования корок и настылей и снижает энергозатраты на дробление шлака до 0,7-0,8 кВт-ч/т. Получаемый гранулят имеет средний фракционный состав: более 5,0 мм - 0,2-0,5%; 2,5-5,0 мм - 20-25%; 1,25-2,5 мм - 40-50%; 0,63-1,25 мм - 30-35%; менее 0,63 мм - остальное.
При грануляции самораспадающихся шлаков происходит их стабилизация и исключается образование пыли при охлаждении гранул. Отработанный воздух обеспыливается и передается на регенерацию тепла. Вредных газообразных продуктов не выделяется. Весь процесс осуществляется в автоматическом режиме.
Тепло шлака утилизируется в виде горячей воды, пара и горючего воздуха. Соотношение между объемами утилизаторов могут меняться в широких пределах.
В зависимости от химического состава исходного шлака гранулят может быть использован в агломерационном производстве, цементной промышленности, в дорожном строительстве, сельском хозяйстве и т.п. Грануляция способствует повышению гидравлической активности шлаков.
Технология сухой грануляции опробована на Череповецком и Осколь-ском металлургических комбинатах, Верх-Исетском металлургическом, Се-ровском и Актюбинском ферросплавных заводах.
В производстве стекла и стеклянного волокна твердые отходы могут достигать 50-70%, а в производстве стеклянного волокна отходы составляют не менее 15-30% от выпуска годной продукции. Задачи промышленной экологии, требования к малоотходным производствам и технологии стекловарения предопределили основные варианты рационального использования получаемых отходов как вторичных материальных ресурсов. Неоднородный состав отходов, их специфические свойства создают основные трудности повторного их использования в процессах стекловарения. Комплекс проведенных исследований в Московском государственном университете инженерной экологии позволил разработать оригинальные методы промышленной рекуперации отходов.
Способ рекуперации отходов стекловолокна путем переплавки, включающий кучевую загрузку через окно 1 отходов 12, их варку при температуре °С, гомогенизацию расплава и термическую грануляцию, осуществляют в реакторе с двойным сводом. Реактор снабжен плавильным бассейном 11, каналом кондиционирования 10, узлами подачи топлива 2, 7 и воздуха 5. Каналы ввода воздуха и топлива снабжены устройствами для изменения угла их наклона, нижняя часть составного свода 6 в конце плавильного бассейна выполнена с наклоном под углом 25±45°. Термический гранулятор 9 выполнен со штуцерами ввода и вывода охлаждающей воды и снабжен форсункой с механизмом регулирования угла наклона относительно вытекающей струи стекломассы. Термическое гранулирование струи стекломассы ведут при ее вязкости 105
-109
Пз струей воды под давлением 0,15-0,3 МПа при соотношении струи расплава стекломассы и воды 1,4-2 и соударяющихся под углом 45-80° на высоте, равной 15-30 диаметров отверстия питателя. Применение в реакторе двойного свода с теплообменником 5 и фильтра 3 позволяет эффективно использовать тепло отходящих газов 4 и снижать перепад температур между верхним и нижним строением плавильного бассейна, что резко снижает выбросы в атмосферу из расплава вредных и дефицитных компонентов и значительно улучшает структуру получаемых гранул. Диаметр получаемых гранул колеблется от 2 до 4 мм. Производительность по гранулам составляет 10 т/сут.
Оптимальные условия в объеме отходов и получаемом расплаве, минимальные потери при сгорании топлива и стабилизация химического состава стеклогранул, соответствующего требованиям на сырьевые материалы для стекловарения, позволили по сравнению с имеющимися решениями снизить расход топлива на 40%, повысить производительность в 2,5-3 раза и значительно снизить выбросы в окружающую среду соединений бора. Экономия минерального сырья при подготовке стекольной шихты с использованием специально переработанных отходов основного производства достигает 30%.
Способ рекуперации отходов стекловолокна путем их механического измельчения в сочетании с термообработкой при температуре 450-830 °С в туннельной или барабанной печи и последующим резким охлаждением заключается в следующем. Стеклянные нити в мягкой и твердой фазах, прошедшие операции сбора, транспортировки и сортировки направляются в туннельную печь в виде слоя определенных размеров и подвергают термообработке при температуре 450-830 °С. При этом размеры слоя обеспечивают равномерный отжиг отходов и удаление органического или неорганического покрытия их поверхности по всему объему.
Подготовленные таким образом отходы подают в камеру охлаждения с целью резкого снижения их температуры. Охлаждение осуществляют за счет термического удара при перепаде, равном Тсг, где Тег - температура сгорания наиболее термостойкого компонента покрытия стеклянных нитей или их отходов. Резкий перепад температур вызывает спонтанные структурные изменения в объеме переработанного материала, происходит его разупрочнение и наблюдается эффект массового самоизмельчения отдельных волокон отходов. Далее отходы с пониженной по сравнению с до операции резкого охлаждения прочностью на истирание и излом направляются в установку для их измельчения, например, в молотковую дробилку. Процесс измельчения ведет при отношении твердой фазы к мягкой, большем не менее чем в 3 раза отношения твердой фазы к мягкой перед термообработкой. Дополнительно может осуществляться ввод возвратного стеклобоя в измельчитель или в печь отжига, количество которого может изменяться в диапазоне 2-45% от массы отходов. Ввод возвратного стеклобоя в измельчитель осуществляется с целью интенсификации процесса измельчения отходов. В этом случае стеклобой выполняет роль дополнительных помольных тел. Одновременно решается вопрос вторичного использования стеклобоя. Ввод возвратного стеклобоя в печь отжига используется при наличии в стекле кусков размером более 30-70 мм. За счет термоудара такие куски разрушаются на фракции с размером 1-15 мм, которые затем направляются в измельчитель в качестве помольных тел и для дополнительного их измельчения до фракции с максимальным размером 0,8-1,0 мм.
Технико-экономический эффект от использования этого способа рекуперации выражается в увеличении производительности процесса в 1,4-1,7 раза, снижении энергозатрат на 32-43% и уменьшении загрязнении окружающей среды. Использование в стекловарении порошка из отходов целевого продукта путем его добавки в качестве комплексного компонента в традиционную порошковую или компактированную шихту позволяет экономить до 45% дорогостоящего минерального сырья.
На основе разработанных технологий вторичной переработки промышленных и бытовых отходов стекла и стекловолокна получены новые материалы и изделия, отвечающие в полной мере требованиям экологической экспертизы и промышленного дизайна: стеклогранулят, стеклопорошки, стеклянные микрошарики и полые микросферы, воднодисперсионные краски, облицовочная стеклоплитка различной фактуры и оттенков и другие материалы.
Создание новых лакокрасочных композиций с повышенной прочностью, термостойкостью и износостойкостью, малым тепловым расширением и низкой стоимостью становится возможным благодаря разработке новых составов, в частности, применению наполнителей с улучшенными свойствами.
Такими уникальными характеристиками обладают мелкодисперсные системы, состоящие из сферических частиц стекла с размерами от 3 мкм до 400 мкм. Гранулометрический и химический составы наполнителей являются основными критериями для выбора конкретной области их использования. Идеальная форма поверхности, отсутствие острых кромок обеспечивают равномерное распределение напряжений вокруг частиц и улучшение механических и потребительских характеристик наполненных материалов.
Предложен состав антикоррозионной композиции, предназначенной для обработки и восстановления покрытий днища кузова легковых автомобилей, а также для защиты от коррозии химического и нефтегазового оборудования. За счет введения в битумную основу стеклянных наполнителей увеличивается гидрофобность и адгезионная способность, возрастает ударная прочность и термостойкость покрытия, а также повышается проникающая способность наносимой композиции. Композиция рекомендована также в качестве клея для различных конструкционных материалов.
Разработано аппаратурно-технологическое оформление линии для производства воднодисперсионной краски различного назначения. В качестве наполнителя 2 латексной основы используются микрошарики, микросферы, а также порошки из промышленного и бытового стеклобоя. В смесителе 1 происходит перемешивание всех компонентов 3, необходимых для получения воднодисперсионной композиции. Полученный состав накапливается в бункере 4 и с помощью оборудования по дозированию 5 и расфасовке 6 направляется в бункер хранения готового продукта.
Воднодисперсионная композиция наносится на бетонную, оштукатуренную, кирпичную, деревянную и другие поверхности без предварительной их подготовки. Срок службы покрытия по сравнению с аналогом возрос в 3-7 раз.
Предлагаются к реализации также составы рефлектирующих эмалей и мастик, в которых светоотражающую функцию выполняют стеклянные микроизделия.
В НПО «Радон» переработке подвергаются радиоактивные отходы средний и низкой активности.
В целях экономии объема хранилищ и обеспечения безопасности при длительном хранении твердые РАО перед захоронением подвергаются переработке сжиганием и прессованием. Сжигаются горючие отходы: древесина, бумага, ветошь, спецодежда, биологические отходы и т.п. Коэффициент сокращения объема - 60-80. Образующаяся зола отверждается методом цементирования, превращаясь в монолитные блоки. Высокоэффективная система газоочистки обеспечивает надежную защиту атмосферного воздуха.
Прессованию подвергаются негорючие отходы или те, сжигание которых нецелесообразно ввиду содержания опасных веществ: металлоизделия, резина, пластмасса, лабораторное оборудование. Коэффициент сокращения объема - 4-8.
Крупногабаритные и свехпрочные конструкции поступают на захоронение в индивидуальных контейнерах без переработки. Пустоты, образующиеся в хранилище между упаковками с РАО, заполняются цементным раствором.
Жидкие РАО подвергаются различным методам очистки и обезвреживания, позволяющим сконцентрировать радиоактивные вещества в малом объеме. На конечной стадии они переводятся в твердые формы, безопасные при длительном хранении.
Особенности переработки РАО по данной технологии:
- способность перерабатывать отходы сложного морфологического состава с содержанием негорючих компонентов до 40%;
- относительно малые объемы отходящих газов и малые уносы радиоактивности из печи;
- высокая степень сокращения первоначального объема отходов;
- получение конечного продукта в виде плавленого химически стойкого материала.
Технические характеристики
Производительность по твердым горючим отходам, кг/ч 200
Производительность по жидким горючим отходам, кг/ч 40
Максимальная температура в зоне плавления, °С 1650
Габариты, мм:
диаметр подовой части 1100
высота шахты 5000
Объем отходящих газов печи, м3
1500
Расход охлаждающей воды, м3
35
Коэффициент сокращения объема 10-100
Эффективность системы газоочистки:
по аэрозолям 99,5
по радионуклидам 99,5
4. Санитарное захоронение отходов
Санитарное захоронение отходов является альтернативой современной практике сброса ТПБО на открытые свалки. Концепция метода нацелена на создание полигонов как экономически нейтральных производственных объектов. Она включает следующие основные принципы: максимальное использование рабочего объема полигона; контроль состава отходов, поступающих на захоронение; учет реальной массы, поступающей на захоронение; минимизация негативного влияния ингредиентов отхода на биосферу и др..
Санитарному захоронению подлежат отходы, обезвреживание которых нецелесообразно по экономическим соображениям или технически затруднено. Причем наземное складирование вновь образуемых твердых отходов недопустимо. Существующие отвалы, например, фос-фогипса, являются потенциальным сырьем для стекольной промышленности.
Полигон для захоронения отходов должен быть обустроен природоохранными техническими средствами, обеспечивающими перехват водных и газовых эмиссий, формируемых структурой отходов. К этим средствам относятся: противофильтрационный экран в основании полигона, система дренажа для сбора фильтрата в основании полигона, система дренажа для отвода поверхностного стока с прилегающих территорий, система откачки и очистки свалочного фильтрата, газодренажная система, система откачки и обезвреживания газовых эмиссий, непроницаемый поверхностный рекультивационный экран.
Принцип максимального использования рабочего пространства предполагает реальное доведение плотности ТПБО не ниже 0,8 т/м3
и реализацию высотной схемы складирования. Средние затраты захоронения отходов в 1978 г составляли 110-340 $/т, химическая фиксация в твердое состояние увеличивает затраты примерно на 200 $/т, фиксация отходов капсулированием - на 100 $/т.
5. Экологическая оценка влияния промышленности на природу
Оценка природоохранительной деятельности предприятий производится по различным показателям: достигаемой степени очистки вредных выбросов; уровню загрязнения окружающей среды; капитальным и эксплуатационным затратам на экобиозащитную технику и т.д..
Существуют нормы абсолютного количества вредных веществ на 1 т готовой продукции. В качестве критерия оценки можно рекомендовать индекс относительной токсичности массы, применяемый в химической промышленности:
где ПДК1
и /7ДК) - предельно допустимые концентрации вещества, соответственно принятого за эталон и сравниваемого.
При помощи индекса относительной токсичности и концентрации вещества в выбросе С можно рассчитать относительную токсичность единичного li, ln
и суммарного lN
выбросов:
Общий индекс относительного загрязнения среды определяется по формуле
где /ft, /Jv, /$ - индексы относительной токсичности выбросов в атмосферу, воду и на поверхность литосферы; а, р - коэффициенты, характеризующие перенос загрязняющих веществ в поверхностные или грунтовые воды с учетом фильтрации, сорбции, трансформации.
ОТМ выбросов определяется с учетом объемов единичного, группового и суммарного выбросов:
где Mh
Мп
, MN
- единичная, групповая и суммарная токсичные массы выбросов; Ц, Vni
VN
- единичный, групповой и суммарный объем выбросов. Общий баланс ОТМ технологического процесса
где Мс
+ Мв
- масса отходов, поступающих в окружающую среду с газовыми выбросами и сточными водами; I Мн
- масса нейтрализованных отходов; 1Мр - масса рассеянных отходов.
Относительная экологичность процесса, объекта, предприятия и т.д. определяется по формуле,%,
где 1,2- индексы, характеризующие величины либо до и после внедрения нового аппарата, метода, процесса, либо перед очистными сооружениями и после них.
Для облегчения дальнейших расчетов и получения критериев, численно сопоставимых с принятыми в других методиках, выбирают ПДК) - 1 мг/л для гидросферы. Значение единичной ПДК для атмосферного воздуха ПДКав
рассчитывается из известной системы уравнений:
где ПДКав
, ПДКвт
ПДКв
- предельно допустимые концентрации соответственно в атмосферном воздухе, в воздухе промышленных помещений и в водоеме. ПДК для воздуха выражается в миллиграммах на кубический метр, для воды - в миллиграммах на литр. При решении этой системы получаем:
В качестве единицы ОТМ принята условная единица 1 етм, соответствующая загрязненности 1 м3
природной или техногенной среды 1 кг ОТМ.
Оценивая уровень загрязнения окружающей среды, необходимо иметь в виду, что для одной природной сферы на основании существующих санитарных норм обязательно соблюдение условия
Если в сточных водах, выпускаемых с предприятия в водоем, присутствуют одновременно загрязняющие вещества, относящиеся к различным группам по лимитирующим показателям вредности, следует вначале привести их к суммарным значениям ОТМ внутри каждой группы, а затем к общей ОТМ:
Сопоставление частных ОТМ в выбросах в водоем по группам вредности позволяет выявить, по каким именно веществам создается неблагоприятная обстановка в водоеме и требуется принятие мер. ОТМ каждой группы веществ, отнесенная к площади водосбора в единицу времени, представляет собой модуль химического стока в единицах ОТМ с площади F промышленной площадки:
который в сопоставлении с модулем естественно-ионного стока характеризует нагрузку на окружающую среду в исследуемом районе.
Так как токсичность вещества для живых организмов - одно из проявлений его активности, можно сделать чрезвычайно важный вывод о наличии пока еще не исследованной коррелятивной связи между его токсичностью и эксергией и далее токсичностью химических веществ, элементов, ионов и их энергетическими характеристиками. Это дает возможность определять в дальнейшем ПДК не эмпирическим путем, как это делается в настоящее время, а на основе строгих термодинамических характеристик, большинство из которых табулировано.
6. Экономическая эффективность безотходных производств
При безотходном производстве рационально используются сырье и энергия и не оказывается вредного влияния на окружающее пространство. Экономический эффект в этом случая образуется за счет непосредственного возвращения сырья в производство Эн
в. предотвращения социально-экономического ущерба от загрязнения окружающей среды Эу
и снижения затрат на добычу сырья ЭР
:
Непосредственный эффект от использования отходов производства
где Z- замыкающие затраты на данный вид продукции; л - количество используемых отходов; f - коэффициент, учитывающий количественное соотношение отходов и исходного сырья; Зп
- приведенные затраты на вовлечение отходов в производственный цикл.
где Ув
- возможный ущерб при отсутствии природоохранных мероприятий, выраженных в стоимостной форме; Уф
- фактический ущерб, выраженный в стоимостной форме и существующий в данное время.
Региональный эффект ЭР
может быть предоставлен в виде снижения приведенных затрат на единицу продукции за счет использования отходов производства.
Социально-экономический эффект безотходных производств определяется по комплексному критерию:
где- сумма всех эффектов, достигаемых при внедрении безотходного производства:
где 3j - эффект от производства конечной продукции, полученной при внедрении безотходного производства и более полного использования исходного сырья; Э2
- эффект от потребления конечной продукции, полученной при внедрении безотходного производства и более полного использования исходного сырья; Э3
- экономия затрат на разведку, добычу и транспортировку отдельного ресурса; Э4
- эффект от комплексного развития региона и совершенствования размещения производственных сил; Э5
- внешнеторговый эффект; У - ущерб от загрязнения окружающей среды отходами производства и потребления; Зп - полные затраты на осуществление безотходного производства.
При наличии ряда вариантов безотходного производства должен быть выбран вариант с наибольшим коэффициентом абсолютной социально-экономической эффективности при равных или близких по значению народнохозяйственных затратах.