Экологическая энергетика

О.Н.Новиков

 

В химической, горной, добывающей, металлургической промышленности образуется большое количество твердых отходов. Отвалы сокращают площади земельного фонда и отравляют почву и водные источники. Сельхозпроизводство является источником загрязнения удобрениями и ядохимикатами.

Одним из наиболее многотоннажных отходов химической промышленности является пиритный огарок, образующийся и производстве серной кислоты. На сернокислотном производстве накоплено более 40 млн. т пиритных огарков. К имеющимся запасам ежегодно прибавляется 7 млн. т. Огарок состоит из оксидов железа, сульфидов и оксидов других металлов, кварца, алюмосиликатов и пирита. В огарке содержится около 58% железа, до 2% меди, небольшие количества серебра, золота и других ценных металлов. Пиритные огарки могут быть использованы в цементной и стекольной промышленности. Наиболее перспективна комплексная переработка огарков с высоким содержанием меди цинка, свинца, серебра и серы путем хлорирующего обжига, позволяющего извлечь и использовать редкие и цветные металлы. После извлечения ценных металлов хлорирующим обжигом огарок представляет собой сырье для получения железа.

В качестве хлорирующего агента можно применим раствор хлорида кальция, образующийся при производстве соды. Огарок смешивают и гранулируют с раствором хлористого кальция, полученные гранулы обжигают при 1500 0К. Происходит возгонка цветных металлов и образование прочных агломератов - сырья для доменного производства чугуна.

Значительное количество твердых отходов образуется в про­изводстве калийных удобрений из сильвинита (смеси хлоридов натрия и калия). На 1 т хлорида калия образуется 1,8-2,6 т так называемых галитовых отходов - хлорида натрия с примесями хлорида калия и других солей. Складирование галитовых отходов требует больших площадей и ведет к засолению почвы, повышению содержания минеральных солей в подземных водах. Галитовые отходы можно перерабатывать на поваренную соль. Но в настоящее время на заводах калийных удобрений накоп­лено в избытке более 500 млн. т галитовых отходов (ежегодно прибавляется 50 млн. т). Их использование составляет не более 5,6 млн. т в год. Захоронение галитовых отходов иногда проводят и в выработанные рудники, но таким способом решить проблему невозможно.

В производстве фосфорных удобрений при обогащении фосфорного сырья флотацией образуется большое количество хвостов обогащения до 1,7-2 т на 1 т фосфора. Комплексная переработка этих отходов необходима с экологической точки зрения. С целью получения цветных и редких металлов (алюминия, титана, ванадия, галлия, индия), а также ценных неметаллических продуктов , таких как сода, поташ, цемент.

Другой из самых крупнотоннажных отходов химической промышленности - это фосфогипс, сбрасываемый предприятиями, вырабатывающими фосфорную кислоту и фосфорные удобрения. О путях утилизации фосфогипса написано достаточно много.

Большие количества твердых отходов сбрасывают предприятия азотной промышленности, производства полимерных материалов и многие другие химические производства. Отходы химической промышленности во все большей степени утилизируют как вторичное сырье. Однако ряд химических заводов, построенных без учета требований экологии, до перевода их на замкнутый производственный цикл еще длительное время будет наращивать мощности и сбрасывать все возрастающее количество твердых отходов. Даже сейчас на любом химическом предприятии отходы просто невозможно скрыть. Необходимо в короткие сроки полностью утилизировать отходы, вернув их в хозяйственный оборот как вторичное сырье. Неутилизируемые твердые отходы необходимо обезвреживать и подвергать захоронению. Пахотные и лесные участки почвы, занятые ранее твердыми промышленными отходами, следует подвергать рекультивации, т.е. восстановлению природных ландшафтов. Подробно об этом написано в статьях на нашем сайте. Для сохранения литосферы необходимо постоянно производить рекультивацию земель вокруг промышленных предприятий. Нужны искусственные экологические системы, предотвращающие миграцию токсичных веществ в окружающую среду. При вскрытии земной поверхности с целью добычи полезных ископаемых, при прокладке газо- и нефтепроводов отчуждаются и загрязняются земли, которые также нуждаются в восстановлении на них природной среды.

Полагают, что существуют следующие методы обезвреживания и захоронения твердых промышленных отходов: биологическое окисление в условиях, моделирующих естественные; термическая обработка; складирование отходов на поверхности земли; захоронение особо вредных отходов на участках, не имеющих хозяйственного значения: овраги, карьеры, шурфы, траншеи, скважины.

Биологическое окисление применяют для обезвреживания твердых отходов, в том числе осадков, образующихся в системах биологической очистки.

Термическая обработка - наиболее надежный, но устаревший способ обезвреживания и утилизации твердых отходов. Сжигание осуществляют в высокотемпературных химических реакторах - печах, обеспечивающих хорошее перемешивание для развития поверхности контакта фаз и для ускорения внешней и внутренне и диффузии кислорода с целью максимального окисления органической части отходов и высокую температуру, достаточную для полного обезвреживания токсичной части отходов. Чаще всего применяют барабанные и камерные печи, но также циклонные и со взвешенным (кипящим) слоем твердого металла. В барабанных печах отходы проходят несколько температурных зон подсушивания, подготовки к сжиганию, воспламенения, горения, дожигания. В зоне подсушивания применяют отходящие дымовые газы с температурой 800-1000 0С. В зоне подготовки твердого материала происходит частичная отгонка летучих органических продуктов; температура образующейся смолы достигает 300 °С - температуры воспламенения отдельных составляющих отходов. Горение твердой массы (во всех типах печей) начинается при -600 °С. Температуру в зоне горения поддерживают в пределах 1100-1500 °С. Наиболее полно и интенсивно происходит сжигание в циклонных печах и печах взвешенным слоем благодаря энергичному перемешиванию твердого материала с воздухом.

Весьма перспективна термическая обработка твердых отходом методом пиролиза, продукты которого могут служить энергетическим носителем, а также сырьем для органического синтеза. Пиролиз проводят в вертикальных цилиндрических печах (ретортных). Нагрев обеспечивают с помощью электрической дуги, токов высокой частоты или применением твердых теплоносителей - расплавов солей, продуктов пиролиза твердого топлива (полукокс) и др. Пиролиз ведут при 300-900 °С в зависимости от требуемого состава газообразных продуктов. Состав газов зависит от состава перерабатываемых отходов и содержания кислорода в зоне пиролиза. Для предупреждения образования сажи и токсичных продуктов в реакционную зону вводят водяной пар. Твердый остаток пиролиза может быть утилизирован как наполнитель для пластических масс и резин, как сорбент.

Твердые отходы перерабатывают под высоким давлением. Под его действием образуются спрессованные, спекшиеся материалы, которые может использовать промышленность строительных материалов. Таким методом обрабатывают отходы древесины, отвалы золы, отходы обогащения минерального сырья.

В дополнение к вышеперечисленному списку следует дополнить его современными методами выщелачивания, низкотемпературной каталитической гидратации (разработан нашим предприятием), огневой с взрывным горением, электрокаталитическим окислением.

Захоронение твердых промышленных отходов в поверхностных хранилищах - наиболее распространенный пока способ их изоляции и частичного обезвреживания. Такой способ приводит к отчуждению больших участков земли, которые могли бы полезно использоваться, и к загрязнению поверхностных и подземных вод. Ранее приводились сведения о хранилищах фосфогипса около суперфосфатных заводов, пиритного огарка сернокислотных предприятий; о шламонакопителях дистиллерной жидкости содовых заводов, о других свалках отходов. Основной тип поверхностных хранилищ - шламонакопители, которые строят по каскадному принципу. Шламохранилища включают в себя чашу, берега, плотину и дренажную систему, защищающую грунты под сооружением от фильтрационных деформаций и отводящую из хранилища загрязненные стоки для обезвреживания.

Захоронение промышленных токсичных отходов на участках, не имеющих хозяйственного значения, проводят после их стабилизации обработкой связующими или цементирующими веществами - жидким стеклом, цементными растворами, битумами. Полученные иммобилизированные отходы в виде блоков закладывают в карьеры, скважины, шурфы и другие естественные или искусственные углубления в поверхностных слоях земли. Такой прием применяют для отходов, содержащих соединения ртути, мышьяка, цианидов, а также для слаборадиоактивных отходов. При этом зачастую токсичные металлы и вещества продолжают мигрировать в окружающую среду. Все способы консервации и захоронения твердых отходом отнюдь не безопасны, ведут к отчуждению полезных площадей и связаны со значительными затратами. Их нужно заменить полной утилизацией твердых отходов, в первую очередь в качестве вторичного сырья. Методы выщелачивания, гидратации успешно решают эту задачу. Одна из важных экологических проблем удаление и использование твердых отходом крупных промышленных городов Например, в Санкт-Петербурге завод механической переработки бытовых отходов перерабатывает более 450 млн. т в год бытового мусора. Отходы доставляют на завод в контейнерах и сортируют на конвейерах. Металлический лом отделяют с помощью магнитных сепараторов; металлы прессуют в блоки массой 60-100 кг. Затем отходы измельчают и подают в биологические барабаны, где происходят обезвреживание и переработка отходов в компост. Биобарабан - вращающийся реактор, в который противотоком твердому материалу подают воздух. За 1-3 суток аэрации при 50-60 °С (температура повышается в результате жизнедеятельности микроорганизмов) отходы обезвреживаются и превращаются в рыхлый компост, используемый как удобрение на полях и в теплицах. Некомпостируемая часть отходов (текстиль, резина, пластмассы, древесина и др.) может быть подвергнута термической обработке (пиролизу) с получением газа и смолы -топлива или химического сырья. Характерный суточный объем твердых бытовых отходов мегаполиса несколько тысяч кубометров, соответственно биореакторы нужны с трекратно превышающим их объемом. Заводы по переработке твердых бытовых отходов с трудом работают, постепенно их закрывают как в России, так и за рубежом.

ЦИТИРОВАНО ПО ЛИТЕРАТУРНЫМ ИСТОЧНИКАМ

Мухленов И.П. и др Основы химической технологии. М.: Химия, 1991

Общая химическая технология и основы промышленной экологии/В.И.Ксензенко, и др..-М.:Колос, 2003 с. 332-326.