Накопление значительных масс твердых отходов во многих отраслях промышленности обусловлено существующим уровнем технологии переработки соответствующего сырья и недостаточностью его комплексного использования. Удаление отходов и их хранение являются дорогими мероприятиями. В металлургических производствах, ТЭС и углеобогатительных фабриках затраты на них составляли примерно 8-30 % стоимости производства основной продукции. Между тем, в отвалы и шламохранилища ежегодно поступают огромные массы вскрышных пород и отходов обогащения и переработки минерального сырья. По имеющимся оценкам, на территории стран СНГ в них накоплены десятки миллиардов тонн различных горных пород (известняков, кварцитов, доломитов, огнеупорных глин, каолинов, песчаников и др.), более 1,2 млрд. т золошлаковых отходов ТЭС, 580 млн. т металлургических шлаков, 350 млн. т галита, 200 млн. т фосфо-гипса и значительные количества других (часто ценных и дефицитных) материалов. Наряду с этим уровень оперативной утилизации отходов является низким: в хозяйственный оборот вовлекается только пятая часть шлаков цветной металлургии. 10-12 % золошлаковых отходов и фосфогипса, менее 4 % отходов углеобогащения, что ведет к нарастанию массы складируемых отходов.

В то же время значительная часть твердых отходов промышленных предприятий может быть эффективно использована в народном хозяйстве. Так, строительная индустрия и промышленность строительных материалов стран СНГ ежегодно добывают и потребляют около 3,5 млрд. т нерудного сырья, большая часть которого может быть заменена промышленными отходами. Задача утилизации последних тем более актуальна, что организация производства продукции на их основе требует затрат в 2-3 раза меньше, чем для соответствующих производств на основе специально добываемого природного сырья. Кроме того, увеличение комплексности использования минерального сырья при одновременном решении задач защиты биосферы способствует сокращению потребления ряда его видов.

Большая номенклатура отходов, образующихся на предприятиях различных отраслей экономики, затрудняет их классификацию, учет, сбор и переработку. Вследствие многих причин в настоящее время и у нас в стране, и за рубежом отсутствует общепринятая научная классификация твердых отходов промышленности, охватывающая все их многообразие. Существующие классификации твердых отходов весьма многообразны и односторонни.

Различные подходы к классификации отходов базируются на следующих классификационных признаках: место образования отходов (отрасль промышленности); стадия производственного цикла; вид отхода; степень ущерба окружающей среде и здоровью человека; направление использования; эффективность использования; величина запаса и объемы образования; степень изученности и разработанности технологий утилизации.

Прежде всего различают отходы производства и потребления.

Отходы производства - это остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образующиеся в процессе производства продукции, которые частично или полностью утратили свои качества и не соответствуют стандартам. Эти остатки после предварительной обработки, а иногда и без нее, могут быть использованы в сфере производства или потребления, в частности для производства побочных продуктов.

Побочные продукты образуются наряду с основными продуктами производства, но не являются целью производственного процесса. Они в большинстве случаев бывают товарными, на них имеются ГОСТы, ТУ. их производство планируется предприятием.

Производственные отходы являются следствием несовершенства технологических процессов, неудовлетворительно организованного производства, а также несовершенного экономического механизма. К ним относят: отходы, образующиеся при механической и физико-химической переработке сырья и материалов; отходы, образующиеся при добыче и обогащении полезных ископаемых; вещества, улавливаемые при очистке отходящих технологических газов и сточных вод.

Отходы потребления - различные бывшие в употреблении изделия и вещества, восстановление которых экономически нецелесообразно. Например, изношенные или морально устаревшие машины, изделия производственного назначения (отходы производственного потребления), а также пришедшие в негодность или устаревшие изделия домашнего обихода и личного потребления (отходы бытового потребления).

Совокупность отходов производства и потребления, которые могут быть использованы в качестве сырья для выпуска полезной продукции, называется вторичными материальными ресурсами (BMP).

Все промышленные отходы можно разделить на два вида: нетоксичные и токсичные. В своей основной массе твердые отходы нетоксичны. Примерами токсичных отходов могут служить шламы гальванических цехов и травильных ванн.

Отходы можно также классифицировать на металлические и неметал-пические, а также комбинированные. Неметаллические отходы подразделяются на химически инертные (отвалы породы, зола и т.д.) и химически активные (резина, пластмассы и т.д.). К числу комбинированных отходов относится всевозможный промышленный и строительный мусор.

Отходы можно разбить на две группы - основные и побочные.

Основными являются отходы материалов, использованных непосредственно для изготовления товарной продукции. Это металлические, металлсодержащие (окалина, шламы, шлаки и пр.) и неметаллические (древесина, пластмассы, резина, клеи, текстиль, стекло и др.) отходы.

К побочным относятся отходы технологических материалов и веществ, использованных или образующихся при проведении технологических процессов. Побочные отходы могут быть твердыми (зола, абразивы, огнеупоры), жидкими (смазочно-охлаждаю-цис жидкости, минеральные масла 1 другие нефтепродукты, отходы ~альванопроизводства) и газообразными (отходящие газы).

Широко используется классификация отходов по степени их опасного воздействия на человека и окружающую среду. Так, в странах ЕЭС установлено 14 категорий опасности отводов для здоровья человека и риска щя окружающей среды: 1 - взрывоопасные; 2 - оксиданты; ЗА - отходы с высокой степенью воспламеняемости; ЗВ - воспламеняемые; 4 - раздражающие; 5 - вредные; 6 - токсичные; 7 - канцерогенные; 8 - кор-юзионно-активные; 9 - инфекцион-ше; 10 - тератогенные (повреждающие зародыши - эмбрионотоксичные); 11 - мутагенные (вызывающие наследственные изменения); 12 - выделяющие при контакте с водой токсичные газы; 13 - выделяющие опас­ные вещества; 14 - экотоксичные.

Источники возникновения твердых отходов в материальном производстве иллюстрируются схемой (рис. 1.1). Конкретные причины их образования весьма многообразны, причем некоторые из них могут быть без значительных издержек достаточно легко и быстро устранены, для устранения других, напротив, требуются продолжительные исследования и крупные затраты.

Классификация промышленных отходов по видам представлена на рис. 1.2.

Многообразие видов твердых отходов, значительное различие состава даже одноименных отходов в большой степени усложняют задачи их утилизации, вызывая в ряде конкретных случаев необходимость изыскания своеобразных путей их решения. Тем не менее для большинства основных видов крупнотоннаж­ных твердых отходов в настоящее время разработаны и частично реа­лизуются технологии их утилизации. В то же время различные технологии рекуперации твердых отходов в своей основе базируются на ряде методов, совокупность которых обеспечивает возможность утилизации BMP или их переработки в целевые продукты.

УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

1.1. Утилизация золо- и шлаковых отходов

Твердые отходы тепловых электростанций - золы и шлаки - близки к металлургическим шлакам по составу. По химическому составу эти отходы на 80-90 % состоят из Si0₂, А1₂0₃, FeO, Fe₂0₃, CaO, MgO со значительными колебаниями их содержания. Кроме того, в состав этих отходов входят остатки несгоревших частиц топлива (0,5-20 %), соединения титана, ванадия, германия, галлия, серы, урана. Химический состав и свойства золошлаковых отходов определяют основные направления их использования.

Основная масса используемой части шлаков и зол служит сырьем для производства строительных материалов. Так, золу ТЭС используют для производства искусственных пористых заполнителей - зольного и аглопоритового гравия. При этом для получения аглопоритового гравия используют золу, содержащую не больше 5-10 % горючих, а для производства зольного гравия содержание в золе горючих не должно превышать 3 %. Обжиг сырцовых гранул при производстве аглопоритового гра­вия осуществляют на решетках агломерационных машин, а при получе­нии зольного гравия - во вращающихся печах. Возможно использование зол ТЭС и для производства керамзитового гравия.

Золы и шлаки от сжигания бурых и каменных утлей, торфа и сланцев, содержащие не более 5 % частиц несгоревшего топлива, могут широко использоваться для производства силикатного кирпича в качестве вяжущего при содержании в них не менее 20 % СаО или в качестве кремнеземистого заполнителя, если в них содержится не более 5 % СаО. Золы с высоким содержанием частиц угля с успехом используются для производства глиняного (красного) кирпича. Зола в этом случае играет роль как отощающей, так и топливной добавки. Содержание вводимой золы зависит от вида используемой глины и составляет 15-50 %, а в отдельных случаях может достигать 80 %.

Кислые золошлаковые отходы, а также основные с содержанием свободной извести s 10 % используют как активную минеральную добавку при производстве цемента. Содержание горючих веществ в таких добавках не должно превышать 5 %. Эти же отходы можно использовать в качестве гидравлической добавки (10-15 %) к цементу. Золу с содержанием свободной СаО не более 2-3 % используют для замены части цемента в процессе приготовления различных бетонов. При производстве ячеистых бетонов автоклавного твердения в качестве вяжущего компонента используют сланцевую золу, содержащую > 14 % свободной СаО, а в качестве кремнеземистого компонента - золу сжигания углей с содержанием горючих s 3-5 %. Использование зо-лошлаковых отходов по указанным направлениям является не только экономически выгодным (вследствие сокращения потребления гипсового камня, песка, цемента, извести, топлива), но и позволяет повысить качество соответствующих изделий.

Золошлаковые отходы используют в дорожном строительстве. Они служат хорошим сырьем для производства минераловатных изделий. Высокое содержание СаО в золе сланцев и торфа позволяет использовать ее для снижения кислотности - известкования почв. Растительная зола широко используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения ввиду значительного содержания калия и фосфора, а также других необходимых растениям макро- и микроэлементов. Отдельные виды золошлако-вых отходов обладают свойствами, делающими перспективным их применение в качестве агентов очистки отходящих газов ТЭС и производственных сточных вод.

Зола углей и нефтей содержит практически все металлы. Среднее содержание в золе углей некоторых ценных металлов иллюстрируется следующими данными:

Металл Zn Ga Со Ni Ge V Sn

Содержание,г/т 200 100 300 700 500 400 200

В ряде случаев концентрации металлов в золе таковы, что становится экономически выгодным их извлечение. Концентрация Sr, Zn, V, Ge достигает 10 кг на 1 тзолы. Содержание урана в золе бурых углей некоторых месторождений может достигать 1 кг/т. Зола торфа содержит значительные количества V, Со, Си, Ni, Zn, U, Pb. В золе нефтей (мазутов) содержание V₂0₅ в некоторых случаях достигает 65 %, кроме того в ней в значительных количествах присутствуют Мо и Ni. В связи с этим извлечение металлов является еще одним направлением переработки таких отходов. Из золы некоторых углей извлекают в настоящее время редкие и рассеянные элементы (например, Ge и Ga), из золы мазутов - ванадий, никель и другие металлы.

Вместе с тем, несмотря на наличие разработанных процессов утилизации топливных золошлаковых отходов, уровень их использования все еще остается низким по сравнению с имеющимися ресурсами. С другой стороны, современное технологическое использование энергии топлива (по сравнению, например, с его использованием на мощных ТЭС) является малоэффективным. При решении вопросов защиты окружающей среды, в частности от вредного влияния твердых и газообразных отходов ТЭС, перспективным может оказаться путь комплексного энерготехнологического использования топлив. Объединение крупных промышленных установок для получения металлов и других технологических продуктов (в частности химических), а также технологических газов с мощными топками ТЭС может позволить полностью утилизировать как органическую, так и минеральную части топлива, увеличить степень использования тепла, резко сократить расход топлива.

Так, например, на энергогазохи-мическом комбинате топливо перед сжиганием можно будет подвергать направленному пиролизу с получением ценных химических продуктов. Из сернистых мазутов, в частности, можно будет получать в виде сжиженного газа пропанбутановую смесь, бензол, серную кислоту, ванадий и газ с высоким содержанием этилена и пропилена.

Определенные успехи на пути комплексного использования топлив уже достигнуты. Так, например, в топках котлов крупнейшей в Эстонии ГРЭС сжигают жидкое топливо, поступающее с введенной в эксплуатацию энерготехнологической установки переработки сланцев, на которой из последних извлекают ценные компоненты, используемые в качестве сырья для производства синтетических материалов, а жидкий остаток направляют в качестве топлива на ГРЭС.

Значительные перспективы в решении задач борьбы с отходами в энергетике и некоторых смежных отраслях обещает детальная отработка трех наиболее важных способов получения жидких топлив из ископаемых углей: газификации (производства синтез-газа с последующим получением на его основе жидкого топлива), гидрогенизации (насыщение угля водородом при температу­рах порядка 500°С и давлениях в несколько сот атмосфер) и пиролиза (высокотемпературное разложение угля в инертной среде). Наряду с этим существенные результаты на этом пути могут быть обеспечены связанными с повышением коэффициента полезного использования топлив поиском альтернативных источников энергии и другими подобными исследованиями.

По данным ВНИИР, в табл. 1.2 приведены удельные показатели отходов, образующиеся в теплоэнергетических производствах.

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

Бурого угля 10-15

Каменного угля 3-40

Антрацита 2-30

Торфа 2-30

Дров 0,5-1,5

Мазута 0,15-0,2

Сланцев 50-80

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

Температура в топливных камерах современных ТЭЦ достигает 1600 °С, топливо подается в камеру в пылевидном состоянии. Образующиеся из минеральной части топлива частицы пыли имеют различный фракционный состав. При размере до 100 мкм пылевидные частицы уносятся дымовыми газами (золаунос). Более крупные частицы оседают на пол камеры и оплавляются, образуя стекловидную массу, которую затем подвергают грануляции.

Количественное соотношение между золой-уносом и шлаком зав­сит от сорта топлива и конструкции топки. Для одного и того же топлива

из минеральной части в шлак переходит: в топках с твердым шлакоуда-лением 10-20 %, в топках с жидким шлакоудалением 20-40 %, в циклонных топках - до 85-90 %.

Золаунос 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 участков парковки автомобилей, велосипедных дорожек, дорог, набережных. 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 сорбционными свойствами. По составу зола близка к неорганическим катионообменикам. Несгоревшие частицы угля, присутствующие 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, составляет, мг/ч: 3-10 по меди, 2-5 по цинку, 4-6,5 по свинцу. Степень очистки сточных вод определяется количеством использованной для этих целей золы и кислотностью раствора (табл. 1.3).

Из приведенных данных видно, что при содержании золы 3,0 г/дм³ 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. Химический состав золы влияет на се способность к выщелачиванию, а также определяет ее поведение при старении. Физические свойства золы (такие, как дисперсность, гидравлическая проводимость, плотность, уплотняемость, прочность, несущая способность и др.) влияют на прочностные характеристики и эксплуатационные свойства получаемых строительных материалов на ее основе.

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

Главной областью применения топливных шлаков, так же как и металлургических, является производство строительных материалов. Их используют самостоятельно как теплоизолирующую засыпку 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.

Золаунос сухого улавливания может использоваться при строительстве автомобильных дорог для укрепления грунтов, в качестве самостоятельного медленно твердеющего связущего, а также в сочетании с цементом и известью. Возможно также использование такой золы и при выполнении гидротехнических работ: для производства сборного железобетона, изготовления бетонных растворов при строительстве плотин, дамб и других гидротехнических сооружений.

В связи с тем, что шлаки содержат соединения фосфора, кальция, магния, различные микроэлементы, их используют для производства минеральных удобрений в форме муки.

Как пример, на рис. 1.3 приведена схема производства фосфат-шлакового удобрения из остеклованного кускового шлака размером 150-200 мм.

Первичное дробление производится в шаровой мельнице с периферийной разгрузкой. Фракция размером 25 мм сепарируется и тарельчатым питателем подается в мельницу тонкого помола, работающую в замкнутом цикле с воздушным сепаратором. Мелкие частицы (до 2 мм) попадают в циклон, из которого ковшовым элеватором подаются в силосный склад, а оттуда - в бункер упаковочных машин. Вся линия подключена к обеспыливающим фильтрам и работает под небольшим вакуумом.

Представляет интерес использование в качестве удобрений гранулированных шлаков, так как такое удобрение будет разлагаться в почве в течение 10-15 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 стоимости муки.