Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

мические способы активирования такого сырья. Парогазовому ак-

тивированию подвергают обычно такие предварительно карбонизо-

ванные материалы,

как

уголь из древесины, скорлупы кокосовых оре-

хов, косточек фруктов, кокс из бурых углей, торфа и т.п. Агентами ак-

тивирования наиболее

часто

являются водяной пар

диоксид углерода,

реже - кислород воздуха. Процесс осуществляют путем обработки

этими реагентами угля-сырца при температурах 600-IOOO

C во вра-

щающихся, шахтных, многополочных

других печах. В процессе ак-

тивирования происходит существенная потеря массы обрабатывае-

мого материала и развивается его внутренняя пористость.

Промышленность производит порошковые и более дорогие гра-

нулированные (формованные) активные угли, получаемые с исполь-

зованием различных связующих материалов (древесная и каменноу-

гольная смола, отходы нефтепереработки, фенольные смеси, гидро-

ксиды железа и алюминия и др.). Соответствующие рецептуры для

приготовления формованных

утлей

парогазовым активированием, как

и многие приемы в технологии химического активирования, опреде-

ляющие основные качественные характеристики получаемых актив-

ных углей, часто составляют секреты производства.

Принципиальная схема получения формованных углей парогазо-

вым активированием представлена на рис. III-44.

Подлежащее обработке сырье, в частности указанные отходы

растительного сырья, подвергают последовательно операциям дроб-

ления и помола, после чего смешивают со связующими добавками,

пластифицируют и гранулируют

экструдере. Получаемый гранулят

подсушивают, карбонизируют и активируют водяным паром и га-

зом. Товарную фракцию в виде готовой продукции затаривают для

отправки потребителям.

Химическому активированию подвергают в основном некарбо-

низированное сырье в смеси с неорганическими агентами активации

(хлорид цинка, фосфорная кислота, сульфид и сульфат

калия и

другие

соединения) при температурах обычно до 650°С и реже - до 1IOO

Технологические схемы получения активированных углей путем

химического активирования весьма различны даже при использова-

нии одних и тех же активирующих агентов. В качестве примера на

рис. III-45 представлена одна из технологических схем получения

активных угдей методом хлорцинковой активации.

Исходное сырье пропитывают при перемешивании концентриро-

ванным (плотность 1,8 г/см

) раствором ZnCl

при отношении хло-

'652

рид цинка: сырье = (0,4 - 0,5): 1. Получаемую смесь карбонизируют

и активируют одновременно при нагревании до 600-700°С. Агент

активации удаляют из насыщенного им продукта термической обра-

ботки путем выщелачивания разбавленным раствором хлорида цин-

ка и экстрагирования соляной кислотой при нагревании, после чего

уголь промывают водой для удаления хлор-ионов, подвергают мок-

рому измельчению с последующим отделением продукта помола от

жидкости фильтрованием. Процесс завершают сушкой влажного

угля

и упаковкой готового продукта.

16.7.3. Использование отходов растительного сырья

в качестве топлива

В связи с прогрессирующим исчерпанием ресурсов нефти и при-

родного газа и все большими трудностями освоения их новых мес-

торождений

последние годы ведутся интенсивные разработки тех-

нологии превращения различных видов биомассы (в том числе отхо-

дов сельскохозяйственного производства и древесины) в топливо.

Потребление биомассы в качестве топлива в ряде стран заметно

увеличивается. Так, например, в США в 1975-1981 гг. доля биомас-

сы в топливно-энергетическом балансе возросла с 2,4 до 3,5%

а ко-

личество произведенной на ее основе энергии достигло в 1981 г. та-

кового, вырабатываемого гидро- и атомными электростанциями.

Сырье

Связующее

Рис.

III-44.

Принципиальная

схема производства формованных активирован-

ных

углей с

парогазовым активированием:

1 - дробление; 2 - измельчение; 3 - смешение и пластификация; 4 - гранулирование;

5 - сушка; 6 - карбонизация; 7 - активирование; 8 - классификация; 9 - затарка

'653

Раствор ZnCI

Раствор

ZnCL

Раствор

ZnCL

——

Раствор

HCI

Раствор

Г~1

— —

a»—

Раствор ^

Рис. III-45. Принципиальная

схема

производства

порошковых

активирован-

ных

ушей методом хлорцинковой активации:

1 -смешение

пропитка; 2 - кальцинирование; 3 - выщелачивание; 4 - экстракция;

5 - отмывка; 6 - измельчение; 7 - фильтрование; 8 - сушка; 9 - упаковка

Эффективность различных процессов превращения биомассы в

топливо, представленная по зарубежным данным

табл.

III. 1,

пока-

зывает, что наибольший интерес для химической промышленности

представляют процессы аэробного сбраживания (см. гидролизное

производство) и термохимического превращения. Получаемый

пос-

леднем случае синтез-газ по составу идентичен таковому, произво-

димому газификацией

угля

или паровой конверсией природного газа

или нефтепродуктов, и может использоваться

различных химичес-

ких синтезах. При цене 4,27 долл./ГДж синтез-газ на основе древес-

ного сырья может конкурировать с нефтяным сырьем.

Критерием целесообразности утилизации отходов древесного и

другого растительного сырья по вышеуказанным направлениям

обычно является стоимость производства. Если она не отвечает в

соответствующих условиях требованиям экономичности, то указан-

ные отходы могут быть использованы

как

топливо. Однако физичес-

кое состояние отходов древесины и других видов растительного сы-

'654

Таблица III. I

Сравнительная эффективность различных процессов превращения биомас-

сы в топливо

Процесс

Первичный

продукт

Степень превращения на

сырье, % масс

Анаэробное усвоение

Метан 5-15

Брожение (целлюлоза)

Этанол 10-20

Термическое превращение

Синтез-газ 50-70

рья часто служит препятствием для непосредственного их исполь-

зования в качестве топлива, требуя осуществления ряда подготови-

тельных операций (измельчение, подсушка

др.). Так, например, теп-

лота сгорания коры различных видов древесины составляет в кДж/

кг (Ккал/кг) для сосны - 20160 (4800), ели - 18900 (4500), пихты -

18060 (4300), тополя - 19740 (4700), березы - 21420 (5100). Вместе с

тем сжигание коры с влажностью 50 и 65% приводит к снижению

этих величин, то есть потерям тепла приблизительно на 13 и 24%

соответственно. В связи с этим предложено большое число различ-

ных термических и некоторых других приемов переработки таких

отходов с целью получения на их основе «облагороженных» топ лив.

Опилки, стружки, кору с влажностью не менее 35% подвергают

механической обработке на установке, состоящей из шнека и корот-

кой пресс-формы. Во время прессования отходы нагреваются, избы-

ток воды удаляется. Готовая продукция непрерывно выходит из труб-

чатой пресс-формы.

Согласно другой технологии, реализованной одной из американ-

ских фирм для утилизации лесосечных отходов, измельченные су-

чья, кору и хвою отливают с некоторыми добавками и прессуют в

виде блоков, имеющих вид настоящих поленьев любых древесных

пород. Последние служат для топки бытовых печей и каминов, они

легко

поджигаются и горят. Д

ля

переработки насыщенной влагой коры

хвойных пород деревьев одним из акционерных обществ Финляндии

предложена технология, включающая удаление из коры значитель-

ной части влаги на короотжимных прессах с последующей ее суш-

кой в камере кипящего слоя, измельчением и прессованием с полу-

чением плотных высококалорийных брикетов в виде гранул с попе-

речником

мм, которые

можно

транспортировать

как

обычный уголь.

В целом ряде случаев, особенно

на

деревообрабатывающих пред-

приятиях, отходы древесины могут успешно заменять другие виды

топлива. Крупные лесохимические комбинаты для удовлетворения

65 5

энергетических нужд сжигают большие количества древесных от-

ходов. Подсчитано, что при сжигании в топках котлов электростан-

ций около 40 тыс. м

/год отходов древесины можно обеспечить ра-

боту электростанции мощностью до 750 кВт.

Отходы древесины и других видов растительного сырья обычно

содержат небольшие количества серы, что при их непосредствен-

ном использовании в качестве топлива, в отличие от нефти и угля,

гарантирует весьма невысокую (значительно ниже существующих

норм) токсичность образующихся отходящих газов. Последние, од-

нако,

обычно

характеризуются высокой концентрацией твердых час-

тиц, что требует установки соответствующего оборудования (цикло-

ны, электрофильтры) для их улавливания.

16.8. Другие направления использования и переработки

отходов растительного сырья

Заводскую переработку- древесного сырья и его отходов эконо-

мичнее всего осуществлять в лесопромышенных комплексах. Од-

нако задача комплексного использования даже такого обычно цент-

рализованно перерабатываемого сырья,

как

древесина,

стране пока

не решена. В восьмидесятых годах, например, в СССР в конечных

продуктах, производимых из древесины, оставалось только ее тре-

тья часть, а 2/3 уходило в отходы. В связи с этим необходимо отме-

тить и другие, отличные от вышеуказанных, пути утилизации отхо-

дов растительного сырья.

Древесные отходы,

частности, можно эффективно использовать

для укрепления кормовой базы

животноводстве. На лесосеках Рос-

сии ежегодно образуется около 12 млн. т хвойной лапки, а также

ветви лиственных пород, основная масса которых сжигается. В то

же время эти отходы могут служить для пополнения рациона сельс-

кохозяйственных животных каратином и витамином В. Для этого в

корм сшгу добавляют пропаренные или обработанные щелочами или

кислотами лесосечные отходы. В частности, пропариванием при 150-

190°С древесины тополя, клена, березы, вяза, ольхи под давлением в

течение получаса, можно получить корм, не уступающий сену сред-

него качества. Пропаривание разрушает в древесине комплекс цел-

люлоза - лигнин. Сырьем

такой технологии может служить и соло-

ма. Кроме того, солому ряда однолетних культур широко использу-

ют в качестве компонента кормовых брикетов.

Из хвои деревьев получают богатую протеином витаминную му-

'656

ку - ценную добавку к грубым кормам в животноводстве. Техноло-

гия ее получения заключается в сушке исходного сырья при темпе-

ратуре 350°С

течение 5-12 секунд и его размоле. Витаминная хвой-

ная

му ка

содержит значительное количество каротина

витамина Е,

она хорошо хранится в течение 2-3 месяцев.

Отдельные виды отходов растительного сырья служат хороши-

ми адсорбентами и МОГУТ использоваться в этом качестве для ре-

шения различных задач.

Так, например, древесная пыль (мука) используется для дезодо-

раций воздуха в помещении животноводческих ферм. В частности,

сорбционная способность таких отходов по H

S и NH

- основным

компонентам дурнопахнущих примесей существенно зависит от их

влажности: по данным статических измерений для газа с содержа-

нием H

S 4 ррт или концентрацией NH

около 90 ррш коэфициент из-

влечения для H

S и NH

высушенной древесной мукой составляет

соответственно 42,8 и 85,9%, тогда как при использовании древесной

муки влажностью ~ 42% соответствующие величины составляют 97

и 95,4%. По

данным

динамических измерений коэффициент извлече-

ния для H

S составляет практически 100% при контакте указанного

газа

течение 5 мин. с древесной мукой влажностью ~ 42%, а коэф-

фициент извлечения для NH

достигает ~ 95% при контактировании

в течение ~ 3 мин. древесной муки с влажностью - 21% с газом,

содержащим 81,4-110 ppm NH

Перспективным материалом для борьбы с нефтяными загрязне-

ниями является такой многотоннажный отход,

как

древесная кора. В

измельченном до крупности частиц 0,2-0,5 мм виде она может впи-

тывать до 180% нефтепродуктов и масел по отношению к собствен-

ной массе при времени контакта с очищаемым стоком около 15 мин.

Поглотительная же способность по этим загрязнениям сухой измель-

ченной коры, прошедшей предварительную обработку специальны-

ми составами, может быть увеличена до 200-700%.

Решение ряда задач очистки технологических растворов, произ-

водственных сточных вод и ливневых стоков промышленных пред-

приятий от нефтепродуктов и некоторых ионов тяжелых металлов

(Cu, Fe, Cr и др.) может быть успешно осуществлено на основе ис-

пользования такого широко распространенного отхода, как древес-

ные опилки. Последние в таких процессах играют роль адсорбента

и/или,

некоторых случаях, восстановителя.

В настоящее время установлено, что из древесной коры можно

'657

производить не меньше, чем из самой древесины, полезных продук-

тов, таких

как

высококачественный кормовой белок, древесный уголь,

смолы для строительных и иных целей, сырье для получения биоло-

гических стимуляторов, лечебных и противогрибковых препаратов,

дубильные экстракты и ряд других веществ. Производство отдель-

ных видов указанных продуктов осуществляется в промышленных

масштабах.

Так, например, дубящие вещества (танниды, таннины), широко

используемые в кожевенной промышленности, получают путем эк-

стракции их из древесной коры и ряда других растительных отходов

водой, растворами щелочей или некоторых солей. Органические ра-

створители применяют для экстрагирования из таких отходов смол,

жиров и восков.

Отдельные виды растительных отходов находят применение при

решении некоторых местных задач. В частности, картофельную и

свекольную ботву и другие богатые клетчаткой отходы растение-

водства можно использовать для укрепления дна и берегов водо-

емов, откосов земляных плотин с целью уменьшения потерь влаги

путем фильтрации.

Вопросы для повторения

1. Каковы масштабы образования отходов древесного и другого ра-

стительного сырья?

2. Какие основные компоненты входят

состав клеточных оболочек

сосудистых растений?

3. Как можно утилизировать рассредоточенные отходы раститель-

ного сырья?

4. В чем заключаются пути использования отходов растительного

сырья в производстве строительных материалов?

5. Какие продукты позволяют получать различные способы варки и

гидролиза отходного растительного сырья?

6. Как получают удобрения из отходного растительного сырья?

7. Что можно получить пиролизом отходов растительного сырья?

8. Какими способами получают из отходного растительного сырья

адсорбенты типа активных углей?

9. К чему сводятся приемы «облагораживания» отходов раститель-

ного сырья при получении на их основе твердых топлив?

'658

Глава 17. Переработка отходов

горнодобывающей промышленности

Ежегодный объем переработки горной массы при добыче полез-

ных

ископаемых в СССР составлял

80-е

годы

более 15 млрд.т. Однако

существующая технология добычи и обогащения полезных ископае-

мых приводила

тому, что собственно на полезные ископаемые при-

ходилась лишь сравнительно небольшая часть этого объема: вмеща-

юИще и вскрышные породы составляли примерно 10 млрд.т. Ежегод-

но

только таких

пород

перемещали

в отвалы

более 800 млн. м

, а общий

объем отвалов горных предприятий СССР оценивали величиной, пре-

восходящей 2,5 млрд. м

В угольной промышленности, например, из более чем 2 млрд. т

добываемой горной массы собственно на уголь приходилось лишь

около 20%, остальная масса поступала в отвалы, степень утилиза-

ции которых не превышала 4%. Подобные отвалы занимают многие

десятки тысяч гектаров земель и неблагоприятно влияют на окру-

жающую среду

Между тем отвалы открытой и шахтной разработок полезных

ископаемых, как правило, являются ценным сырьем для производ-

ства ряда материалов (в основном строительных), так как содержат

различного вида глины, каменные и песчаные материалы, мел и дру-

гие компоненты. Еще более ценными являются отвалы обогатитель-

ных предприятий ряда отраслей промышленности, содержащие гам-

му ценных компонентов. Так, на обогатительных фабриках цветной

металлургии с отвальными хвостами теряется все железо, содержа-

щееся в руде, а также значительные количества серы, окисленных

соединений металлов, ряд редких и рассеянных элементов.

В настоящее время оба этих вида отходов ( отвалы вскрыши и

хвосты обогащения) используют незначительно. Между тем прове-

денные исследования, производственные испытания и опыт работы

ряда промышленных производств показывают, что отходы добычи и

обогащения полезных ископаемых служат прекрасным сырьем для

производства пористых заполнителей бетонов, строительного кирпи-

ча и керамики, штукатурных и кладочных растворов, щебня и дру-

гих материалов, пользующихся большим спросом, в первую очередь

в строительстве.

'659

17.1. Переработка отходов углеобогащения

На территории бывшего СССР свыше 1 млн. т отходов углеобо-

гащения используют в качестве топливной и отощающей добавки

(10-15%) к шихте для производства кирпича из глины. Перспектив-

но их использование и в качестве основного сырья для формования

изделий эффективной пустотелой строительной керамики. При этом

за счет экономии технологического топлива (в результате использо-

вания горючих, содержащихся в отходах) и исключения затрат на

добычу глинистого сырья значительно снижается себестоимость

продукции.

Анализ химического состава технологических отходов 80 угле-

обогатительных фабрик основных угольных бассейнов СССР пока-

зал достаточно стабильное содержание в них Al

и SiO

, что по-

зволяет использовать их как сырье для производства керамических

изделий. В исходном состоянии эти отходы не размокают в воде, но

после дробления и помола их глинистая составляющая высвобожда-

ется и отходы приобретают способность образовывать с водой пла-

стичную массу, из которой может быть сформован кирпич-сырец,

превосходящий по некоторым свойствам аналогичные изделия из

обычной глины. Производство глиняного (красного) кирпича заклю-

чается в обжиге формованной глиняной массы, в которую добавля-

ют опилки, некоторые органические отходы, просеянный уголь в ка-

честве

топливного (выгорающего) компонента.

Для

уменьшения усад-

ки при сушке и обжиге, а также для предотвращения деформации и

трещин изготовляемых керамических изделий в жирные пластичес-

кие глины вводят природные (кварцевые пески) или искусственные

(дегидратированная глина, шамот) отощающие материалы. Обжиг

изделий из таких отходов обычно проводят в условиях, обеспечива-

ющих завершение процесса выгорания углерода к моменту начала

интенсивного спекания черепка.

Производство аглопорита. Уголь, содержащийся в отходах уг-

леобогащения, может быть использован как топливо при их терми-

ческой переработке (в смеси с глинистыми породами) в кирпич, ке-

рамику и в другие строительные материалы. Таким способом полу-

чают, например, аглопорит - искусственный легкий пористый

заполнитель для бетонов, производство которого налажено в ряде

зарубежных стран и развивается в России.

Технология производства аглопорита может быть различной. На

'660

ряде заводов она заключается в термической обработке методом

агломерации гранулированной шихты из глинистых пород или отхо-

дов добычи, обогащения и сжигания углей с последующим дробле-

нием получающегося в результате спекания «коржа» и выделением

при рассеве требуемых фракций заполнителя. Аналогично можно

перерабатывать отходы обогащения горючих сланцев.

Производство диоксида серы. Производимое с целью умень-

шения содержания серы в угле обогащение сопровождается образо-

ванием углистого колчедана, содержащего 42-46% серы и 5-8% уг-

лерода. Его запасы только в Подмосковном

гольном бассейне дос-

тигают 60 млн. т.

Углистый колчедан является потенциальным сырьем для произ-

водства серной кислоты, однако непосредственная его переработка

в S(X путем обжига приводит

получению низкоконцентрированных

газов (в результате их разбавления образующимся С0

) и связана с

техническими трудностями ввиду необходимости отвода избыточ-

ного тепла экзотермических реакций. Высокотемпературная пере-

работка углистого колчедана совместно с гипсом (40-45%) в меха-

нических печах не обеспечивает разложения последнего больше, чем

на 20%, и приводит к образованию высокосернистого (10-15% S)

огарка.

В промышленной практике нашел использование способ произ-

водства SO

путем термической переработки флотационного колче-

дана совместно с сульфатами железа, являющимися отходами про-

цессов травления метачлов в черной металлургии и метизной про-

мышленности, при получении пигментного TiO

. Выход сульфатов

железа в этих производствах составляет примерно 500 тыс. т/год в

виде FeSO

O. Целесообразно в этом процессе флотационный

колчедан заменить на углистый.

На практике соотношение S

cyjn4ttrau

: 5

сульфвдная

берут, исходя из

теплового баланса, обеспечивающего автотермичность экзотерми-

ческой реакции обжига углистого колчедана и процесса эндотерми-

ческого разложения сульфатов железа. Обжиговые газы, максималь-

ная концентрация SO

которых не превышает 18,3%, направляют в

промывное отделение сернокислотного производства.

* Белый портландцемент изготовляют из маложелезистого клинкера

(серый цвет обычного цемента обусловлен главным образом содержанием

соединений железа в исходных сырьевых материалах).