2681

На правах рукописи

Гимик Владимир Викторович

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УТИЛИЗАЦИИ СТЕКЛОБОЯ И ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

25.00.36-Геоэкология

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидататехническихнаук

Нижний Новгород - 2002

РАБОТАВЫПОЛНЕНАВНИЖЕГОРОДСКОМГОСУДАРСТВЕННОМТЕХНИЧЕСКОМУНИВЕРСИТЕТЕИ НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

доктор химических наук, профессор В.И. Наумов

Научный консультант

кандидат технических наук, профессор В.П. Сучков

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор В.А. Яблоков, кандидат технических наук В.В. Варцов

Ведущая организация

ОАО НИТИАП (Научно-исследовательский технологический институт автоматизации производства)

1

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1.Актуальность проблемы

Интенсивное развитие промышленности привело к нарушению веками сложившихся природных связей и росту токсичных отходов. Результатом такого воздействия стало заметное изменение климата, сокращение пахотных земель и запасов питьевой воды, возрастающее число кислотных дождей и техногенных катастроф, аллергических и других болезней. Все это заставило человечество направить свои усилия на минимизацию техногенного воздействия на землю, атмосферу, водные и природные ресурсы. За последние десятилетия разработаны или усовершенствованы, с позиций экологической безопасности и эффективности, многие технологические процессы, в том числе и касающиеся переработки отходов, ресурсосбережения, систем очистки газовых выбросов и сточных вод.

Вместе с тем, в области переработки отходов и охраны окружающей среды существует ряд острых проблем, индивидуальных для каждого региона и требующих незамедлительного решения.

Одной из таких проблем для Нижегородского региона является переработка крупнотоннажных отходов металлургических производств (шлаки, формовочные пески) и боя стекла. Шлаки и пески вызывают запыленность и загрязнение атмосферы, почвы и подземных вод тяжелыми металлами. Бой стекла засоряет городскую территорию, затрудняет переработку бытовых отходов, что способствует отторжению земель под полигоны по их захоронению, загрязнению вод, распространению болезней, грызунов, насекомых и т.д.

В регионе отсутствуют производства и технологии, способные в рентабельном режиме перерабатывать большое количество боя стекла и отходов металлургических производств в полезные продукты. Такие технологии позволили бы одновременно решать вопросы охраны здоровья,

2

окружающей среды и ресурсосбережения. К сожалению, действующие экономические механизмы лишь в небольшой степени способствуют осуществлению природоохранной деятельности, и поэтому поиск, разработка и внедрение рентабельных технологий переработки крупнотоннажных отходов является актуальной и практически полезной задачей.

Диссертационная работа выполнена в 1996-2001 г.г. в рамках целевой комплексной программы "Охрана окружающей природной среды Нижнего Новгорода" Городского комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов г. Н. Новгорода.

1.2. Цель и задачи исследований Целью диссертационной работы является анализ влияния

крупнотоннажных отходов металлургических производств и боя стекла на окружающую среду и здоровье человека, разработка и внедрение экологически безопасных технологий утилизации этих отходов в материалы и изделия строительного назначения.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

-проведен анализ влияния шлаков, отработанных формовочных песков и отходов стекла на жизнедеятельность человека и экологическую ситуацию на территории складирования;

-проведен анализ мирового опыта по организации переработки стеклянного боя, шлаков и отработанных формовочных песков;

-проведено обоснование выбора экологически безопасных способов утилизации шлаков, формовочных песков и боя стекла в полезные продукты, способствующих сбережению энергоносителей и природных ресурсов;

-намечены задачи и пути проведения экспериментальных исследований по поиску поверхностно-активных добавок, позволяющих в процессе охлаждения расплава стекла получать замкнутые газовые пузырьки;

-проведены исследования по разработке и оптимизации составов рабочих стеклянных и керамических масс, условий подготовки и режимов их термической обработки;

-проведены многосторонние испытания полученных материалов и на этой основе уточнены технологические параметры процессов.

1.3. Научная новизна

Научная новизна представленной работы состоит в следующем:

-впервые разработана экологически безопасная, ресурсосберегающая технология получения теплоизоляционного пеностекла с замкнутыми порами

спомощью безвредных карбонатных газообразователей;

-токсичный и обладающий неприятным запахом сероводород, заполняющий поры пеностекла, полученного по углеродной технологии, замещается безвредным углекислым газом;

-экологическая безопасность разработанной автором технологии подтверждена экологической экспертизой, проведенной Городским комитетом по охране окружающей среды и природных ресурсов г. Н. Новгорода (№ 28 от

15.08.01 г.), и санитарно-эпидемиологическим заключением, выданным

ЦГСЭН г. Н. Новгорода № 52.98.13.000.Т.000016.07.01 от 27.07.2001 г.;

-теоретически обоснован принцип выбора поверхностно-активных добавок, позволивших по низкотемпературной технологии из боя стекла впервые получить высококачественное теплоизоляционное пеностекло в блоках;

-исследованы закономерности изменения прочностных характеристик, водопоглощения и объемной плотности пеностекла в зависимости от условий

итонкости помола шихты, от скорости ее нагрева и режимов температурной обработки при вспенивании и отжиге;

4

-исследованы закономерности изменения технических характеристик керамических изделий в зависимости от состава шихты, режимов ее подготовки и обжига;

-установлены закономерности образования каверн при формировании пеностеклянного блока в процессе вспенивания, разработаны мероприятия, устраняющие это явление,

Новизна разработанных автором составов и конструкции формы подтверждены патентом (№2149146) и свидетельством на полезную модель (№ 15574).

1.4.Практическая ценность:

-на базе проведенных исследований спроектирована и строится технологическая линия по переработке отходов стекла в блочное пеностекло;

-разработаны технологии переработки отходов, позволяющие исключить миграцию тяжелых металлов в окружающую среду и получить керамические изделия строительного назначения из невостребованных отходов черной металлургии;

-в рамках среднего по масштабам производства пеностекла (~ 20 000 м3/год) экономия от использования стеклобоя ежегодно составит: по пескам - 2,8 тыс. тонн, по глинозему - 600 тонн, по соде - 1 тыс. тонн;

-замена специально сваренных алюмосиликатных стекол стеклобоем, только на стадии подготовки сырья, позволяет экономить от 7 до 12 МДж энергии на 1 кг стеклянной массы;

-переработка шлаков и отработанных формовочных песков в производстве плитки позволяет экономить от 50 до 70 % высококачественных глин;

-найденные технические решения по конструкции форм обеспечивают возможность их автоматического раскрытия при высоких температурах и

делают ненужной операцию механической обработки блоков. Это новшество

позволяет обеспечить более комфортные и безопасные условия труда;

-возможность утилизации больших объемов стеклобоя и организация его сбора у населения замедлит темпы засорения городской территории этим видом отходов, облегчит сортировку ТБО и переработку его в компосты;

-применение пеностекла позволит потеснить доминирующие на рынке пылящие, выделяющие токсичные вещества и пожароопасные

органических масс и минеральных волокон;

-использование отделочно-теплоизоляционного материала пенодекора создаст комфортные условия жизни и психологически благоприятную среду обитания человека;

-разработанные технологии переработки боя стекла и отходов металлургических производств апробированы в промышленных условиях, выданы рекомендации по их практическому использованию.

1.5. Реализация результатов

Результаты проведенных исследований положены в основу регионального проекта "Организация сбора стеклобоя и переработка его в пеностекло", осуществляемого ООО "Экран" по заданию Городского комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов г. Н. Новгорода в рамках комплексной целевой программы "Охрана окружающей природной среды Нижнего Новгорода". По результатам исследований была спроектирована технологическая линия по производству пеностекла мощностью 4 тыс. м3 в

год. Документами СЭС и Независимой экологической экспертизы подтверждена экологическая чистота проекта. Реализация проекта проходит в два этапа на территории завода АО "Орбита" (г. Н, Новгород). В декабре 2000 года ООО "Экран" пущена в эксплуатацию первая очередь производства - отделение шихтоподготовки. В настоящее время проводятся работы по

6

изготовлению и монтажу печей вспенивания и отжига, организации рабочих мест на отдельных постах и т.п. Начало опытно-промышленной эксплуатации технологической линии планируется на 2-й квартал 2002 года.

1.6. Публикации По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных

работ, в том числе 2 патента.

1.7. Апробация работы Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на

заседаниях секций: межрегиональной выставки "Большая Волга" (Всероссийский выставочный центр "Нижегородская ярмарка", май 1998 г.); научно - технической конференции "Строительный комплекс - 98" (г. Н. Новгород, ННГАСУ, июль 1998 г.); межрегиональной выставки "Ресурсосберегающие технологии и ресурсосбережение" (Межвузовский выставочный центр НГТУ, декабрь 1998 г.); постоянно действующего семинара на базе Нижеюродского центра жилищного и строительного развития (г. Н. Новгород, май 1999 г.); научно-практической конференции "Экологические проблемы промышленности и транспорта" (г. Н. Новгород, сентябрь 1999 г.); выставки "Золотые инновации России" (г, Москва, ВДНХ, декабрь 2000 г.); научно - технической конференции "Архитектура и строительство - 2000" (г. Н. Новгород, ННГАСУ, январь 2000 г.).

1.8.На защиту выносятся:

-результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные при разработке экологически безопасных технологий утилизации шлаков, формовочных песков и отходов стекла;

- технология производства высококачественного теплоизоляционного пеностекла (пенодекора) с применением наиболее экологически чистых карбонатных газообразователей, позволяющая использовать бой стекла и возвращать в повторный цикл бракованные изделия;

- высокотемпературная технология утилизации токсичных отходов (шлаков и формовочных песков), которая позволяет получить половую и облицовочную плитки с характеристиками, удовлетворяющими ГОСТу.

1.9. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 107 наименований и 8 приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков и 16 таблиц.

2.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Впервой главе приведен анализ влияния промышленных и бытовых отходов на окружающую среду Нижегородского региона и на состояние здоровья жителей города. Дана оценка возможных способов утилизации крупнотоннажных отходов металлургических производств и боя стекла, а также указано место этих отходов в рациональном природопользовании.

Во второй главе показано, что для производства качественного теплоизоляционного пеностекла в блоках используются углеродная технология и специально сваренные стекла. Низкотемпературная карбонатная технология для этих целей не используется, т.к. пеностекло с замкнутыми газовыми ячейками по этой технологии до наших работ получить не удалось, что связано с отсутствием подходов, позволяющих понизить поверхностное натяжение расплава стекла в присутствии карбонатов На основе анализа литературных данных намечены пути проведения исследований по

8

переработке отходов металлургических производств и боя стекла в изделия строительного и технического назначения.

В третьей главе дана характеристика используемых материалов и способов их подготовки, описание методик и установок, на которых проводились испытания и экспериментальные работы, принципы их работы, методики расчета и оценки достоверности технологических параметров. В заключение указано, что окончательные испытания полученных материалов (проводимые после уточнения технологических режимов в промышленных условиях) проходили в аккредитованном Госстроем РФ Центре "Нижегородстройиспытаняя" (лицензия № ГОСТР RU.9001.8.5.0085 от 6.07.98 г.).

Четвертая глава разбита на пять разделов. Первые три посвящены исследованию процессов получения пеностекла и пенодекора из стеклобоя по углеродной и карбонатной технологиям и уточнению режимов технологического процесса. В четвертом разделе произведен выбор технологической схемы производства пеностекла. Последний раздел посвящен разработке керамических масс на основе шлаков и формовочных песков, режимов их обжига и апробации разработанных технологических процессов в производственных условиях керамического производства завода "Орбита".

В разделе 4.1, и далее в работе, использованы отходы стекла ОАО "Символ" и Борского стекольного завода, составы которых указаны в табл.1. На примере углеродной технологии отработаны составы и режимы термической обработки шихты и найдены оптимальные условия получения качественного теплоизоляционного пеностекла из боя стекла. Показано, что качественное пеностекло (плотность - 200 кг/м3, прочность при сжатии - от 1,0 до 1,5 МПа, водопоглощение - менее 5 %, коэффициент теплопроводности