Переработка твердых отходов

«В химии нет отходов,

а есть неиспользованное сырьё»

Д.И. Менделеева.

Утилизация твердых отходов в большинстве случаев приводит к необходимости либо их разделения на компоненты (в процессах очистки, обогащения, извлечения ценных составляющих) с последующей переработкой сепарированных материалов различными методами, либо придания им определенного вида, обеспечивающего саму возможность утилизации отходов ВМР.

Физико-химические методы переработки

Твёрдые отходы необходимо либо разделить на составляющие их компоненты и в дальнейшем перерабатывать каждый компонент по соответствующему методу, либо придать ему определённый вид с целью его использования в самом процессе утилизации. Рассмотрим несколько способов.

Дробление. Активность химических и биохимических процессов возрастает с увеличением поверхности взаимодействия с реагента­ми. Для получения материала определённой фракции используют дробление. Этот процесс применяют при переработке отходов вскрыши (открытые разработки полезных ископаемых) отвальных шлаков металлургических предприятий, вышедших из употребления резиновых технических изделий, отвалов галита и фосфогипса, от­ходов древесины, некоторых пластмасс, стройматериалов и др. Крупность дробления — 5 мм. Для дробления большинства видов твёрдых отходов используют щековые, конусные, валковые, ротор­ные дробилки и др. Для разделки очень крупных агломератов отхо­дов применяют копровые механизмы, механические ножницы, диско­вые пилы, ленточно-шильные станки и др. Выбор типа дробилки производят с учётом прочности, упругости, крупности материала.

Измельчение. Метод измельчения используют при необходимости получения из кусковых отходов зерновых и мелкодисперсных фрак­ций крупностью < 5 мм. Используются при переработки отвалов вскрыш, открытых разработках полезных ископаемых, вышедших из строя строительных конструкций и изделий, некоторые виды сме­шанного лома изделий из черных и¹ цветных металлов, топливных и металлических шлаков, отходов углеобогащения, производственных шламов, пластмасс, пиритных огарков, фосфогипса и т.д. При этом используют в основном такие агрегаты, как стержневые, шаровые, ножевые мельницы. Измельчение некоторых типов отходов пласт­масс и резиновых технических изделий проводят при низких температурах.

Барабанные, стержневые и шаровые мельницы используют 'как для сухого, так и для мокрого помола.

Классификация и сортировка. Эти процессы используют для разделения твёрдых отходов на фракции по крупности. Они включа­ют методы грохочения (рассева) кусков перерабатываемого матери­ала на их разделение под действием гравитационно-инерционных и гравитационно-центробежных сил. Эти методы широко применяют в качестве самостоятельных и вспомогательных при переработке твёрдых отходов. Когда классификация имеет самостоятельное значение называют сортировка, т.е. вы получаете ту или иную фракцию материала в виде готового продукта.

Грохочение — процесс разделение на классы по крупности раз­личных по размерам кусков. Для этого используют колосниковые решётки, штампованные решета, проволочные сетки и щелевидные сита. Это грохоты: неподвижные колосниковые, волновые, барабанные вращающиеся, дуговые, ударные, плоские качающиеся, полувиб­рационные, вибрационные и т.д.

Окускование. Существует и обратная задача — укрупнение мел­кодисперсных частиц. Она объединяет различные гранулирования, таблетирования, брикетирования и высокотемпературные агломерация.

Их используют при переработки в строительные материалы от­вальных пород в процессе утилизации фосфогипса, в с/х, цемент­ной промышленности, при подготовке к переплавке мелкокусковых и дисперсных отходов чёрных и цветных металлов, в процессах ути­лизации пластмасс, саж, пылей, древесной мелочи, при переработ­ке шлаковых расплавов в металлургических производствах и т.д. и т.п.

Гранулирование. Методы гранулирования охватывают большую группу процессов формирования агрегатов шарообразной или ци­линдрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов. Гранулирование порошкообразных ма­териалов скатыванием проводят в барабанных, тарельчатых, центробежных, лопастных, т.е. ротационных грануляторах, а также и в вибрационных. Производительность этих аппаратов и характерис­тики гранулятов зависят от свойств исходных материалов, от тех­нологических и конструктивных факторов.

Барабанные грануляторы характеризуются большой производи­тельностью, простотой конструкции, надёжностью, но на них нель­зя получить гранулят узкого фракционного состава. С этой целью чаще используют тарельчатые грануляторы окатывания. Недостаток — высокая чувствительность к содержанию жидкой фазы в исходном материале.

Гранулирование порошков прессованием характеризуется проме­жуточной стадией упругопластического сжатия, т.е. частицы в процессе грануляции испытывают давление и нагревание в резуль­тате чего образуются коагуляционные структуры, способные к быстрому переходу в кристаллизационную. Прессовое гранулирова­ние проводят в валковых и таблеточных машинах различной конс­трукции, червячных и ленточных прессах, дисковых экструдерах и других механизмах.

Используют таблеточные машины, принцип действия которых ос­нован на прессовании дозируемых в матричные каналы порошков пу­ансонами. Используют червячные прессы (экструдеры различной конструк­ции). Рабочими элементами у них являются червяки (шнеки) или валки, пластицирующие перерабатываемый материал и продавливаю­щие его через перфорированную решётку.

Брикетирование. Используют с целью компактности и удобства транспортировки отходов. Брикетирование дисперсных материалов проводят без связующего при давлениях прессовании > 80 МПа и с добавками связующего при давлении 15-26 МПа. На процесс брикетирования существенное влияние оказывает состав, влажность и крупность материала, температура, удельное давление и продолжительность прессования. Пе­ред брикетированием материал подвергается грохочению, дробле­нию, сушке, охлаждению и другим подготовительным операциям. Приме­няются штемпельные, вальцовые, кольцевые прессы.

Высокотемпературная агломерация. Используется при перера­ботке пылей, окалины, шлаков, мелочи рудного сырья в металлур­гических производствах, пиритных огарков и др. железосодержащих отходов. Для проведения агломерации приготовляют шихту, включа­ющую твёрдое топливо, (6–7 % коксовой мелочи) и другие компоненты. Увлажнённую, шихту размещают на движущихся тележках агломераци­онной машины. Процесс спекания минеральных компонентов шихты происходит при температуре 1100-1600 °С, т.е. температура горения твёр­дого топлива. Спечённый агломерат дробят до крупности 100–150 мм валковых дробилках, продукт подвергают грохочению и последу­ющему охлаждению. Фракцию ~ 8 мм (30–35 %) возвращают на агломе­рацию.

Термическая обработка. Включает различные приемы пиролиза (отходы пластмасс, древесины, резиновых технических изделий, шлаков нефтепереработки), переплава (отвальные металлургические шлаки, отходы термопласта, металлолома), обжига (пиритные огарки, шла­ки цветной металлургии, железосодержащие шлаки, пыли) и огнево­го обезвреживания (сжигания), многих видов отходов на органичес­кой основе.

Физико-химическое выделение компонентов

Выщелачивание (экстрагирование). Его используют в практике переработки отхо­дов горнодобывающей промышленности, металлургических и горных шлаков, топливных шлаков, пиритных огарков, древесных и др. Ме­тод основан на извлечении одного или нескольких компонентов из комплексного твёрдого материала путём его избирательного раст­ворения в жидкости ― экстрагенте. Различают:

1. простое раство­рение (целевой компонент извлекается в раствор в составе, присутствующего в исходном материале соединения;

2. выщелачивание с химической реакцией ― целевой компонент, находится в исходном материале в составе малорастворимого соединения, переходит в хорошо растворимую форму.

При выборе экстрагента к нему предъявляются такие требова­ния как: селективность, величины коэффициента распределения и диффузии, плотности, горючести, коррозионной активности, ток­сичности и др. Процесс выщелачивания зависит от концентрации экстрагента, размера и пористости зерен, обрабатываемого мате­риала, интенсивности гидродинамики и др., температура, наложе­ние различных силовых полей и других, электрическое, электромагнитное, ультразвуковое, центробежные силы и даже микроорганиз­мы.

Процессы экстракции могут быть периодическими и непрерывными. Периодические процессы проводят настаиванием или вытеснени­ем, непрерывное экстрагирование проводят путём многоступенчато­го контакта прямоточным, противоточным и комбинированным спосо­бом.

Растворение. Метод заключается в реализации гетерогенного взаимодействия между жидкостью и твёрдым веществом, при этом твёрдое вещество переходит в раствор. Процессы растворения осу­ществляют в аппаратах периодического действия в стационарном слое частиц или с перемешиванием и непрерывного действия.

Кристаллизация. При переработке твёрдых отходов используют выделение твёрдой фазы в виде кристаллов из них, растворов, расплавов или паров. Чтобы наиболее рационально выбрать способ проведения кристаллизации используют диаграммы состояния раст­воров. Скорость процесса кристаллизации зависит от степени пересыщения раствора, температуры, интенсивности перемешивания, содержания примесей и т.д.

Пересыщение раствора можно достиг­нуть двумя способами: охлаждением насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация) и удалением части растворителя путём вы­паривания (изотермическая кристаллизация).

Иногда используют кристаллизацию высаливанием (введение в раствор веществ, пони­жающих растворимость соли), вымораживанием (охлаждением раство­ров до отрицательных температур с выделением кристаллов соли или их концентрирование с удалением части растворителя в виде льда) и др. способы.

Осуществляют в аппаратах различной конс­трукции. В зависимости от состава отходов и их физико-химических свойств, а также механических свойств первоначально необходимо определить:

― метод разделения фаз;

― способ выделения отдельных компонентов;

― необходимость химической или биохимической обработки;

― возможность их удаления' без предварительной обработки.

Как правило, используют сочетание способов обработки.