Использование вторичных ресурсов

 

Накопление значительных масс твердых отходов во многих отраслях промышленности обусловлено существующим уровнем технологий переработки соответствующего сырья. Удаление, транспортирование отходов и их хранение являются дорогими мероприятиями. В то же время, по имеющимся оценкам, в отвалах и шламохранилищах ТЭС, металлургических и углеобогатительных производств накоплены десятки миллиардов тонн ценных и дефицитных материалов.

Комплексный подход к проблеме промышленных, а также и бытовых отходов предусматривает следующую последовательность ее решения:

§ изыскание возможности сокращения количества отходов при сохранении оптимальных условий функционирования производства и жизнеобеспечения населения;

§ превращение отходов во вторичные ресурсы, включая принцип многоразового использования их не по прямому назначению;

§ кратковременное и долговременное захоронение отходов с установлением четких перспектив в будущем;

§ крайне вынужденная форма – уничтожение отходов.

Значительная часть твердых отходов промышленных предприятий может быть эффективно использована. Так, строительная индустрия и промышленность строительных материалов ежегодно добывают и потребляют около 3,5 млрд. тонн нерудного сырья, большая часть которого может быть заменена промышленными отходами. При этом организация производства продукции на их основе требует затрат, в 2-3 раза меньших, чем для соответствующих производств на основе специально добываемого природного сырья.

Предотвращение загрязнения почв отходами промышленности строительных материалов основано на эффективных методах вторичного их использования. Например, улавливаемая электрофильтрами пыль цементных заводов может использоваться в качестве сырья для приготовления строительных растворов, бетонов низких классов, дисперсных добавок для силикатного кирпича и асфальтобетона.

В настоящее время научная классификация твердых отходов промышленности основывается прежде всего на систематизации их по отраслям промышленности. По степени воздействия на окружающую среду выделяют нетоксичные и токсичные отходы. Последние делятся на 4 класса опасности:

§ 1-й класс - чрезвычайно опасные, содержащие такие вещества, как соединения ртути, мышьяка и т.д.;

§ 2-й класс – высоко опасные, содержащие, например, хлористую медь или хлористый никель;

§ 3-й класс – умеренно опасные (оксид свинца, четыреххлористая медь);

§ 4-й класс – малоопасные (сернокислый и хлористый цинк, сернокислый марганец).

Номенклатура отходов даже в рамках одного предприятия чрезвычайно широка: например, на крупном химическом предприятии образуется до 200 видов твердых отходов. Эти вещества не являются однородной массой, а представляют собой конгломерат из смеси сотен и тысяч компонентов различных простых и сложных веществ, материалов, изделий и т.д. В их составе сухие и влажные, органические и комплексные, минеральные и металлические, вредные (опасные) и нейтральные вещества.

Многообразие видов твердых отходов, значительные различия в их составе усложняют задачи утилизации, требуют изыскания своеобразных путей их решения. Тем не менее для большинства основных видов крупнотоннажных твердых отходов в настоящее время разработаны и реализуются экономически целесообразные технологии утилизации.

В большинстве случаев утилизация твердых отходов и использование вторичных материальных ресурсов в производстве требуют определенных дополнительных операций с целью придания им необходимых свойств или четкой фиксации этих свойств: это либо разделение их на компоненты с последующей переработкой сепарированных (выделенных) материалов, либо придание отходам определенного вида, обеспечивающего саму возможность утилизации.

 

§4. Методы подготовки и переработки твердых отходов

 

Совокупность наиболее распространенных методов подготовки и переработки твердых отходов может быть представлена следующим образом (рис. 16):

 

МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

Классификация и УкрупнениеОбогащение: Выщелачи-

сортировка: частиц: -отсадка (раз- вание

-грохочение; -гранулиро- деление);

-гидравлическая вание; -в тяжелых Смешение

классификация -таблетиро- средах;

(гидроциклоны, вание; -в потоках на Растоворе -

спиральные -брикетиро- наклонных по- ние-крис -

классификаторы); вание; верхностях таллизация

-воздушная се- -высокотем- (на столах,

парация пературная на шлюзах);

агломерация -магнитная

сепарация;

Уменьшение размеров утилизиру - -электрическая

емых элементов: сепарация;

-дробление (до 5 мм); -флотация

-помол (до сотых долей мм)

 

 

Рис. 16. Основные методы подготовки и переработки твердых отходов

 

Классификация и сортировка

 

Эти процессы используют для разделения твердых отходов на фракции по крупности. Если разделение является вспомогательной операцией при утилизации и переработке отходов, его называют классификацией; в случае, когда разделение имеет самостоятельное значение, т.е. используется для получения той или иной фракции материала в качестве готового продукта, его называют сортировкой.

Грохочение представляет собой процесс разделения на фракции по крупности различных по размерам элементов материала при его перемещении на подвижных ячеистых поверхностях. В качестве таковых используют колосниковые решетки, штампованные решета, проволочные сетки и другие конструкции из различных материалов.

При выделении более двух фракций перерабатываемого материала процесс грохочения может осуществляться по схеме, изображенной на рис. 17.

Для разделения твердых материалов в виде пульп используются гидравлическиеклассификаторы. Среди них наиболее распространенными являются гидроциклоны (устройства тонкой классификации) и спиральныеклассификаторы (устройства грубого разделения фракций).

 

 

Исходный материал

 

Отсев

Средние

фракции

 

 

Мелкая фракция

 

Рис. 17. Схема выделения материалов при грохочении

от крупного к мелкому

 

 

В гидроциклонах разделение фракций происходит во вращающемся потоке пульпы под действием центробежных сил (рис. 18).

Вода

Пульпа

 

 

Шлам

 

 

Рис. 18. Схема разделения фракций в гидроциклоне

 

 

Основная часть конструкции спирального классификатора - частично или полностью погруженная в пульпу медленно вращающаяся наклонная спираль (шнек).

Для разделения по крупности продуктов сухого измельчения используют воздушныесепараторы циклонного типа.

 

Уменьшение размеров элементов (частиц)

 

Интенсивность и эффективность большинства диффузионных и биохимических процессов возрастает с уменьшением размеров отдельных элементов перерабатываемых материалов. В этой связи обычно технологическим операциям переработки твердых отходов предшествуют операции уменьшения размеров их частиц.

Метод дробления используют для получения продуктов крупностью преимущественно до 5 мм. Область применения - переработка отходов открытой добычи полезных ископаемых, отвальных шлаков металлургических предприятий, вышедших из употребления резинотехнических изделий, отходов древесины, некоторых пластмасс, строительных и других материалов.

В зависимости от прочности, упругости и крупности подлежащего переработке материала для его дробления используют копровые механизмы, механические ножницы, конусные, валковые и роторные дробилки, а также другие механизмы и приемы (например, взрыв).

При необходимости получения фракций крупностью менее 5 мм (до сотых долей мм) используют метод помола. Наиболее распространенными агрегатами для реализации данного метода являются стержневые, шаровые и ножевые мельницы, дезинтеграторы, пневмопушки и т.п.

Мелющими телами в стержневых и шаровых мельницах являются размещаемые в их корпусах стальные стержни диаметром 25...100 мм и стальные или чугунные шары диаметром 30...125 мм.

 

Укрупнение частиц

 

Наряду с уменьшением размеров кусковых материалов и их разделением на классы крупности в практике рекуперационной техники большое распространение имеют методы, связанные с укрупнением мелкодисперсных частиц. Их используют при переработке в строительные материалы ряда компонентов отходов добычи полезных ископаемых, при подготовке к переплавке мелкокусковых и дисперсных отходов черных и цветных металлов, в процессах утилизации пластмасс, пылей, древесной мелочи и т.д.

Гранулирование - это процесс формирования агрегатов шарообразной или (реже) цилиндрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов.

Гранулирование порошкообразных материалов производится:

· окатыванием в ротационных (барабанных, тарельчатых, центробежных, лопастных) и вибрационных грануляторах;

· прессованием в валковых (вальцовых) грануляторах.

В технологии производства из промышленных отходов некоторых адсорбентов, катализаторов и т.д. порошковые материалы гранулируют прессованием в таблеточныхгрануляторах (таблетирование). Приготовляемые таблетки характеризуются разнообразной формой (цилиндры, сферы, полусферы, диски, кольца и т.п.) и диаметром 6...12 мм.

Широкое применение в практике утилизации твердых отходов находят методы брикетирования. Брикетирование используется как в качестве подготовительной операции (для придания отходам компактности), так и для изготовления конечных (товарных) продуктов.

Перед брикетированием материал обычно подвергают классификации, дроблению (при необходимости), сушке и другим подготовительным операциям.

При переработке дисперсных железосодержащих отходов используют метод высокотемпературнойагломерации - спекание при температуре 1100...1600 ⁰С. Спеченный агломерат дробят до крупности 100...150 мм, подвергают грохочению и охлаждают.

 

Обогащение

 

В практике рекуперации твердых отходов промышленности, содержащих черные и цветные металлы, смеси пластмасс используют различные методы обогащения перерабатываемых материалов. Все методы обогащения подразделяют на:

1) гравитационные;

2) магнитные;

3) электрические;

4) флотационные;

5) специальные (флотогравитация, радиометрическая сепарация и др.).

Гравитационныеметоды обогащения основаны на различии в скорости падения в жидкой (воздушной) среде частиц различного размера и плотности. Они объединяют обогащение:

а) отсадкой;

б) в тяжелых суспензиях;

в) в перемещающихся по наклонным поверхностям потоках.

Отсадка представляет собой процесс разделения минеральных зерен по плотности под действием переменных по направлению вертикальных струй воды (воздуха), проходящих через решето отсадочной машины.

В процессе отсадки материал расслаивается: в нижнем слое концентрируются тяжелые частицы, в самом верхнем - легкие мелкие частицы. Получаемые слои разгружают раздельно.

Отсадочные машины различаются способом создания пульсаций, типоразмерами, конструктивными особенностями, числом фракций выделяемых продуктов. Пульсации могут создаваться движением диафрагмы, поршня, решета, пульсирующей подачей сжатого воздуха.

Обогащение в тяжелых суспензиях и жидкостях заключается в разделении материалов по плотности в гравитационном или центробежном поле в суспензии или жидкости, плотность которой является промежуточной между плотностями разделяемых частиц.

Тяжелые суспензии представляют собой взвешенные в воде тонкодисперсные частицы тяжелых минералов или магнитных сплавов-утяжелителей. В качестве утяжелителей используют ферросилиций, пирит, пиротин и другие материалы крупностью до 0,16 мм. Для поддержания устойчивости суспензии в нее добавляют глину (до 3% от массы утяжелителей) или применяют смесь порошков утяжелителей различной плотности.

В качестве тяжелых жидкостей используют растворы хлоридов кальция и цинка, хлорного олова и других соединений.

Наиболее распространенными аппаратами обогащения в тяжелых средах являются барабанные, конусные, колесные и гидроциклонные сепараторы.

Обогащение на концентрационных столах характеризуется разделением минеральных частиц по плотности в тонком слое воды, текущей по наклонной плоской поверхности стола, которая совершает возвратно-поступательные горизонтальные движения перпендикулярно направлению движения воды.

Шлюзы характеризуются наличием наклонных (3...15⁰) лотков с укрепленными на их дне трафаретами (уголки, бруски, профилированные коврики), которые служат для задержания тяжелых частиц пульпы перерабатываемого материала. Ширина шлюзов обычно составляет 0,5...1,5 м, длина 6...20 м. Высота потока может колебаться от нескольких сантиметров до

0,4 м.

Магнитная сепарация используется для отделения парамагнитных (слабомагнитных) и ферромагнитных (сильномагнитных) компонентов смесей твердых материалов от их диамагнитных (немагнитных) составляющих.

Сильномагнитными свойствами обладают магнетит (FeO · Fe₂O₃), маггелит (Fe₂O₃), пирротин (соединение железа и серы), ферросилиций и ряд других материалов. К материалам со слабомагнитными свойствами относятся некоторые оксиды, гидроксиды и карбонаты железа, марганца, хрома. Породообразующие минералы (кварц, полевые шпаты, кальцит и т.д.) относятся к немагнитным материалам.

Слабомагнитные материалы обогащают в сильных магнитных полях напряженностью Н = 800...1600 кА/м; сильномагнитные - в слабых полях (Н = 70...160 кА/м).

Магнитные поля промышленных сепараторов бывают в основном постоянными или переменными. Комбинированные поля применяются реже.

Подлежащие магнитной сепарации материалы, как правило, подвергают предварительной обработке (дробление, измельчение, удаление шламов и т.д.).

Магнитное обогащение материалов крупностью 3...50 мм проводят сухим способом, материалов мельче 3 мм - мокрым способом.

Магнитные сепараторы обычно снабжаются многополюсными магнитными системами, создающими различные типы магнитных полей. В зависимости от характера движения обрабатываемого потока и удаления магнитных компонентов аппараты подразделяются на прямоточные, противоточные и полупротивоточные.

По способу транспортирования продуктов обогащения магнитные сепараторы могут быть выполнены в виде устройств барабанного, валкового, дискового, ленточного, роликового, шкивного типов.

Удаляемые из магнитного поля зерна сильномагнитных материалов вследствие остаточной намагниченности могут агломерироваться в разного рода агрегаты. С целью устранения последствий этого явления, называемого магнитной флокуляцией, используют многократное перемагничивание таких материалов в переменном магнитном поле размагничивающих аппаратов.

Электрическое обогащение основано на различии электрофизических свойств разделяемых материалов и включает сепарацию:

а) в электрическом поле;

б) в поле коронного разряда;

в) в коронно-электростатическом поле;

г) трибоадгезионную сепарацию.

Сепарация в электрическом поле (электростатическая сепарация) основана на различии электропроводности и способности к электризации трением минеральных частиц разделяемой смеси.

По электропроводности все минеральные частицы делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. При контакте частиц с поверхностью заряженного металлического электрода всем им сообщается одноименный с ним заряд, величина которого зависит от электропроводности частиц. Электропроводные частицы интенсивно приобретают значительный заряд и отталкиваются от электрода, частицы диэлектриков сохраняют свои траектории.

При небольшой разнице в электропроводности частиц используют электризацию их трением путем интенсивного перемешивания или транспортирования по поверхности вибролотка. Наэлектризованные частицы направляют в электрическое поле, где происходит их сепарация.

Сепарация в поле коронного разряда основана на ионизации пересекающих это поле минеральных частиц оседающими на них ионами воздуха. Коронный разряд создается между коронирующим (заряженным до 50 тыс. В и более) и осадительным (заземленным) электродами. Различия интенсивности передачи приобретенного таким образом заряда частицами проводников, полупроводников и диэлектриков на поверхность осадительного электрода выражается в различных траекториях движения этих частиц.

Трибоадгезионная сепарация основана на различии в адгезии (прилипании) разделяемого материала к поверхности наэлектризованных трением частиц.

Подлежащие электрической сепарации материалы обычно подвергают подготовительным операциям: классификации, обесшламливанию, сушке, термообработке при температурах до 300 ⁰С. Наиболее эффективно процесс сепарации идет при крупности частиц не более 5 мм.

Флотация - метод обогащения, основанный на возможности образования флотационного комплекса «твердая частица - пузырек воздуха».

Элементарный процесс флотации заключается в следующем: при сближении подымающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной (несмачивающейся) частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс «пузырек-частица» подымается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной суспензии.

Крупность флотируемых материалов обычно не превышает 0,5 мм. Наиболее распространенной является пенная флотация с использованием механических и пневмомеханических пен.