Твердых отходов

1. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ АГЛОМЕРАЦИЯ И ТЕМПЕРАТУРНАЯ ОБРАБОТКА [1]

 

При переработке пыли, окалины, шламов, огарков и других дисперсных твердых отходов используют методы высокотемпературной агломерации и термической обработки. Метод высокотемпературной агломерации включает следующие технологические операции:

- приготовление шихты, содержащей твердое топливо (6- 7 % мас. коксовой мелочи) и различные примеси (руда, концентрат, флюсы и т. п.);

- усреднение шихты и ее увлажнение до 5-8 %;

- размещение шихты слоем на решетках движущихся обжиговых тележек (палет) агломерационной машины;

- пропускание через слой шихты раскаленных продуктов сжигания газообразного или жидкого топлива и воздуха для воспламенения и нагрева шихты;

- процесс спекания минеральных компонентов шихты проводят при температуре горения ее твердого топлива в интервале 1100- 1600 ^оС;

- дробление спеченного агломерата до крупности 100-150 мм в валковых зубчатых дробилках и грохочение его с выделением фракции – 8 мм, которую возвращают на повторную агломерацию;

- удаление (под разрежением 7-10 кПа) и очистка агломерационных газов, содержащих вредные примеси СО, SO_2, NO₂.

Примером использования высокотемпературной агломерации является обработка пиритных огарков перед направлением их в доменную плавку. Пиритные огарки образуются при получении серной кислоты из серного колчедана и содержат 40-63 % железа, примеси в виде серы (до 2 %), меди, цинка, золота, свинца и др. Отходы пиритных огарков при обжиге серного колчедана составляют примерно 70 % от массы колчедана. Поэтому утилизация пиритных огарков с целью извлечения железа и цветных металлов является выгодной с экономической точки зрения.

При использовании пиритных огарков в доменной плавке необходимо удалить из огарка серу и провести его окускование. Наиболее распространенным процессом в этом случае является высокотемпературная агломерационная обработка огарка, в результате приводящая к выгоранию в нем серы и получению кускового материала, пригодного для доменной плавки. Самый распространенный способ агломерации основан на пропускании воздуха через слой спекаемой шихты на колосниковой решетке. На агломерацию в этом случае поступает шихта из пиритных огарков и топлива (кокса или угля). Шихту поджигают сверху в так называемой запальной камере. Под палетами с горящей шихтой имеются специальные камеры, в которых поддерживается разрежение. Поэтому процесс горения при медленном перемещении палет над вакуум-камерами развивается по направлению сверху вниз. Газообразные продукты горения отводят из машины через вакуум-камеры. Под действием развивающейся в процессе горения шихты высокой температуры огарковая мелочь спекается и одновременно выгорает сера. При опрокидывании палет спекшийся огарок сбрасывается с агломашины на грохот. Мелочь после грохочения возвращается снова на агломерацию. Крупные куски, являющиеся готовым продуктом, подают на охлаждение и затем подмешивают к агломерированной шихте для доменной плавки.

2. СУШКА ТВЕРДЫХ И ПАСТООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ [2]

Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла. Это термический процесс, требующий значительных затрат тепла.

Сушка широко применяется в химической, химико-фармацевти-ческой, пищевой и других отраслях промышленности. Относительно широкое распространение сушка получила в области обработки осадка городских сточных вод (барабанные сушилки, сушка во встречных струях). Процессы термического удаления той части влаги, которую невозможно удалить механическим путем, могут также найти применение при обработке промышленных отходов, которые необходимо подготовить к транспортированию и дальнейшей переработке (например, гальванические шламы); а также при обработке некоторых отходов химической, пищевой и других отраслей промышленности. Сушка осуществляется конвективным, контактным, радиационным и комбинированными способами.

Метод сушки выбирают на основе технологических требований к высушиваемому продукту и с учетом технико-экономических показателей. Процесс сушки осуществляется за счет тепловой энергии, вырабатываемой в генераторе тепла. Генератором тепла могут служить паровые или газовые калориферы и топки, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе, инфракрасные излучатели и генераторы электрического тока. Выбор генератора тепла обычно определяется схемой и методом сушки, физическими свойствами высушиваемого материала и требуемым режимом сушки при возможности целесообразно использовать тепло отходящих газов или отработанного пара. В этом случае одновременно утилизируются и тепловые отходы.

Конвективная сушка воздухом или газом является наиболее распространенной. При воздушной сушке, так же как и при газовой, тепло передается от теплоносителя непосредственно высушиваемому веществу. Для получения материала необходимого качества особое внимание должно уделяться технологическому режиму сушки, правильному выбору параметров теплоносителя и режиму процесса (выбор оптимальной температуры нагрева материала, его влажности и т. д.). Оптимальный режим сушки, влияющий на технологические свойства материала, зависит от связи влаги с материалом.

Физическая сущность сушильного процесса заключается в следующем: движущей силой процесса удаления влаги из материала является разность парциальных давлений паров Dр над материалом (р_п^м) и в окружающей воздушной или газовой среде (р_п^в):

 

Dр = р_п^м - р_п^в. (39)

 

При Dр = 0 наступает равновесие, и сушка прекращается. Если р_п^в > р_п^м, то происходит противоположный процесс - увлажнение материала. По мере удаления влаги с поверхности материала за счет разности концентрации влаги внутри материала и на его поверхности, происходит движение воды к поверхности путем диффузии. В некоторых случаях имеет место так называемая термодиффузия, когда движение влаги внутри материала происходит за счет уменьшения разности температур на поверхности и внутри материала.

Сушка - процесс тепломассообменный. Удаление влаги с поверхности тесно связано с продвижением ее изнутри к поверхности. Сушка отличается от выпаривания тем, что в первом случае удаление влаги происходит при любой температуре, если Dр = р_п^м - р_п^в, во втором - если давление образующихся паров равно давлению окружающей среды (например, кипение воды происходит при давлении, равном барометрическому). Выпаривание происходит из всей массы жидкости, при сушке же влага удаляется с поверхности высушиваемого материала. Выпаривание - более интенсивный процесс, чем сушка, однако не все материалы можно подвергать выпариванию. Так, влага из твердых материалов удаляется только тепловой сушкой.

Критериями выбора типов сушилок для обработки отходов являются их исходные свойства (консистенция, влажность, гранулометрический состав, токсичность, пожаровзрывоопасность и т. д.), требования, предъявляемые к конечному продукту (физико-химические и ме-ханические свойства), вопросы технологии, стоимостные показатели.

 

 

3. ПРОЦЕССЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ШЛАМА ХИМВОДООЧИСТКИ [3,4]

 

Образование в котлах и теплообменных аппаратах отложений, нарушающих их нормальную работу, приводит к необходимости производить периодическую чистку, что сопряжено с вынужденными длительными простоями оборудования, большими трудзатратами и повышенным износом труб котлоагрегатов от технологической окалины, продуктов коррозии и накипи. Основной причиной образования накипи на поверхностях теплообменного оборудования является жесткость используемой в качестве теплоносителя воды. Жесткость воды обусловлена наличием в ней различных солей, в основном солей кальция и магния. В технике процесс, приводящий к понижению жесткости воды, т. е. к уменьшению концентрации солей кальция и магния, называют умягчением воды. Существует несколько способов умягчения воды: нагревание воды, реагентный метод, метод ионного обмена и др.

Термическое умягчение воды методом нагревания основано на сдвиге углекислотного равновесия в сторону образования карбоната кальция [3]:

Са(НСО₃)₂ Û СаСО ₃ + СО₂­ + Н₂О (40)

¯

Смещение равновесия происходит в результате понижения растворимости углекислого газа при повышении температуры. Кипячением можно полностью удалить углекислый газ и, следовательно, намного снизить карбонатно-кальциевую жесткость. Однако полностью устранить указанную жесткость не удается, так как карбонат кальция, хотя и незначительно (13 мг/л при t =18 °С), но растворим в воде.

При наличии в воде бикарбоната магния процесс перехода его в осадок происходит следующим образом: вначале образуется сравнительно хорошо растворимый (10 мг/л при t =18 °С) карбонат магния [3]:

Мg(НСО₃)₂ Û МgСО ₃ + СО₂­+ Н₂О. (41)

¯

Эта соль при продолжительном кипячении подвергается гидролизу, в результате которого выпадает осадок малорастворимой (8,4 мг/л) гидроокиси магния

 

МgСО₃ + Н₂О Û Мg (ОН) ₂ + СО₂­ (42)

¯

Таким образом, при кипячении воды жесткость, обусловленная наличием бикарбонатов кальция и магния, значительно снижается.

Кипячением устраняется и часть жесткости, обусловленной наличием сульфата кальция, растворимость которого падает до 0,65 г/л при температуре 100 °С. Для более глубокого умягчения воды применяют реагентные методы.

В качестве реагентов для умягчения воды используют известь, кальцинированную соду, едкий натр, гидроокись бария и др. Одним из наиболее дешевых реагентов является известь (оксид кальция). Известь при умягчении воды чаще всего применяют в виде известкового молока, а на установках малой производительности - в виде насыщенного раствора извести, который приготовляют в специальных сатураторах.

Известковое молоко получают в результате гашения твердой извести водой:

СаО + Н₂О ® Са(ОН)₂ (43)

(известь) (известковое молоко)

 

Процесс умягчения воды известкованием основан на реакции:

Са(ОН)₂ + Са(НСО₃)₂ = 2 СаСО ₃ + 2Н₂О (44)

¯

Более широкое распространение получил известково-содовый способ умягчения воды благодаря более широким границам его применимости. При этом происходит осаждение и магния в виде Мg(ОН)₂, и устраняется жесткость некарбонатная. Например, осаждение магния:

 

Мg(HСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = СаСО ₃ + МgСО ₃ + 2Н₂О, (45)

¯ ¯

далее, при избытке извести, карбонат магния взаимодействует с ней, образуя гидроокись магния, выпадающую в осадок:

 

МgСО₃ + Са(ОН)₂ = СаСО ₃ + Мg (ОН) ₂, (46)

¯ ¯

или удаление некарбонатной жесткости с использованием кальцинированной соды:

 

СаSO₄ + NaCO₃ = СаСО ₃ + Na₂SO₄ (47)

¯

MgSO₄ + NaCO₃ = MgСО ₃ + Na₂SO₄ и др. (48)

¯

Для улучшения осаждения взвесей и очистки воды от коллоидных примесей применяют метод коагуляции. В качестве коагулянтов наиболее часто используют железный купорос FeSO₄·7H₂O или Al₂(SO₄)₃. В результате после обработки воды на всех энергоустановках образуется большое количество шлама, состоящего в основном из СаСО₃ (неактивная известь - карбонат кальция) и MgCO₃ с примесями Fe(ОН)₃, Mg(OH)₂, СаSO₄, Ca(OH)₂ и адсорбированных минеральных взвесей. Образующийся шлам в виде шламовой воды в соответствии с технологией размещается на длительное хранение в специальные сооружения - шламохранилища. Площадь земель, отводимых под такие шламохранилища, может достигать несколько десятков тысяч квадратных метров и более. Шламохранилища остаются потенциально опасными объектами, и размещение в них шламовых вод можно рассматривать лишь как временную меру до появления возможности их переработки и повторного использования.

Известно несколько способов повторного использования шламов:

- внесение в почву в качестве удобрения и средства понижения ее кислотности;

- использование в процессах сероулавливания на установках ТЭЦ;

- регенерация извести для ТЭЦ;

- в качестве наполнителя при производстве строительных материалов.

Если в первом и втором случаях необходимы дополнительные исследования, чтобы убедиться в экологической безопасности и экономической целесообразности способов, то в отношении последних двух способов уже имеются определенные наработки. Так, в случае применения способа умягчения воды известкованием основная масса шлама будет приходиться на долю известняка CaCO_3. При температуре 800-1100 °С известняк разлагается на известь и двуокись углерода [5]:

 

СаСО₃ ® СаО + СО₂­ (49)

Регенерация извести таким способом потребует предварительной сушки шлама (150-350 °С) и последующего обжига в шахтной циклонно-вихревой печи при температуре 900-1200 °С. Производительность печи по извести составляет около 0,5 т/ч (45 % активности СаО).

В случае образования шлама смешанного состава (СаСО_3, MgCO₃ и другие компоненты) после предварительной его сушки и последующего обжига при температуре 800-1000 °С возможно получение продукта, характеризующегося содержанием активных СаО и MgO ³ 40 %, что позволит использовать его в качестве бесцементного вяжущего для замены цемента при формовке строительных изделий, приготовлении тампонажных материалов и др.

 

 

Контрольные вопросы

1. Сущность метода высокотемпературной агломерации и термической обработки твердых пылеобразных промышленных отходов.

2. Физическая сущность процесса сушки твердых и пастообразных ТО.

3. Особенности образования, поведения и необходимость удаления нерастворимых примесей солей жесткости.

4. Способы утилизации шламов, образующихся при процессах умягчения воды.