книги / Переработка отходов производства и потребления
..pdfПроизводство 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, %:
Бурого угля |
1 0 - 15 |
Каменного угля |
3 - 4 0 |
Антрацита |
2 - 3 0 |
Торфа |
2 - 3 0 |
Дров |
.0 ,5 - 1,5 |
Мазута |
0 ,1 5 -0 ,2 |
Сланцев |
5 0 -8 0 |
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
ной для этих целей золы и кислотностью раствора (табл. |
10.2). |
|||||
|
|
|
|
Т а б ли ц а 10.2 |
||
Изменение содержания ионов тяжелых металлов в растворе |
||||||
в зависимости от количества введенной золы |
|
|||||
Количество золы, г/л |
pH |
|
Содержание ионов, мг/л |
|
||
меди |
свинца |
цинка |
мышьяка |
|||
|
|
|||||
0 |
6,5 |
0,25 |
6,6 |
0,47 |
0,18 |
|
0,5 |
7,0 |
0,20 |
0,6 |
0,35 |
0,10 |
|
1,0 |
10,4 |
0,10 |
0,6 |
0,28 |
0,06 |
|
2,0 |
10,8 |
0,05 |
0,2 |
0,25 |
0,06 |
|
3,0 |
10,9 |
< 0,01 |
0,01 |
- |
- |
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
частицы (до 2 мм) попадают в циклон, из которого ковшовым эле ватором подаются в силосный склад, а оттуда - в бункер упаковоч ных машин. Вся линия подключена к обеспыливающим фильтрам и работает под небольшим вакуумом.
Д1 и
п>.ч
W ©
s a
'«f ' Г\ '
< и и
/3
X J
/9
-
/7
А^
щ-
1_>
ю
Гг/
К
Ю ---V
V f l
каА лу!
/
Рис. 10.8. Технологическая схема производства фосфат-шла-
. кового удобрения:
I - |
грейферный кран; 2 - |
приемная решетка; 3 - приемный |
||
бункер; 4 - каретковый питатель; 5 - |
шаровая мельница грубо |
|||
го помола; 6 - |
элеватор; 7 - магнитный сепаратор; 8 - ленточ |
|||
ный |
конвейер; |
9 - бункер |
металла; |
10 - загрузочный бункер; |
I I - |
тарельчатый питатель; |
12 - шаровая мельница тонкого по |
||
мола; 13 ~ магнитный сепаратор; 14 - |
воздушный сепаратор; 15 - |
|||
циклон; 16 ~ шнек; 17 - силос; 18 - |
просеивающий шнек; 19 - |
|||
|
промежуточный бункер; 20 - упаковочная машина |
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.
Начальная стадия сортировки изношенной кладки мартенов ских печей происходит непосредственно на рабочих площадках у самих агрегатов, где производится выборка годного для повторного использования кирпича. Годный лом собирается в контейнеры, ко торые затем отправляются потребителю. Отходы лома, к которым относятся блоки футеровки размером более 500 мм с включения ми шлака и металла, а также мелочь размером менее 20 - 30 мм, уходят в отвал. Процесс ручной сортировки огнеупорного лома от личается низкой производительностью и тяжелыми условиями тру да. На некоторых крупных металлургических комбинатах действу ют установки по механизированной сортировке огнеупорного лома.
При разборке огнеупорного лома для извлечения частиц метал ла, имеющихся в нем, используется магнитная сепарация. В этом случае фракция размером менее 20 мм, оставшаяся после ручной сортировки, поступает в шаровые мельницы, работающие в замк нутом цикле с грохотом, где лом измельчается до размера частиц не более 3 мм. Измельченный лом подается на магнитные сепара торы. Общая схема магнитной сепарации огнеупорного магнези ального лома представлена на рис. 10.9.
Рис. 10.9. Схема магнитной сепарации магнезиального лома
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.