Использование золы

В промышленности

В промышленности строительных материалов зола используется для производства некоторых видов бетона. Из золы некоторых углей добывают редкие и рассеянные элементы, например германий и галлий.

В сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве золу широко применяют как удобрение, содержащее калий в форме поташа (K₂CO₃), легкорастворимого в воде и доступного растениям соединения. В золе находятся и другие минеральные вещества, необходимые растениям, — фосфор, кальций, магний, сера, бор, марганец и др. макро- и микроэлементы. Высокое содержание углекислого кальция в золе сланцев и торфа позволяет использовать её для снижения кислотности почв.

Шлак- расплав (после затвердевания — камневидное или стекловидное вещество), обычно покрывающий поверхность жидкого металла при металлургических процессах — плавке сырья, обработке расплавленных промежуточных продуктов и рафинировании металлов. Представляет собой сплав окислов переменного состава; главные компоненты шлака — кислотный окисел SiO₂ и основные окислы CaO, FeO, MgO, а также нейтральные Al₂O₃ и (реже) ZnO. В зависимости от преобладания тех или других окислов шлака называют кислым или основным. Шлаки играют важную роль в физико-химических процессах металлургического производства: они очищают металл от нежелательных примесей, предохраняют металл от вредного воздействия газовой среды печи (т. е. от окисления и газонасыщения). Шлак формируется из пустой породы руды (или рудных материалов), флюсов, золы топлива, продуктов окисления обрабатываемых материалов, футеровки плавильных агрегатов. В сталеплавильном производстве шлак иногда готовят в спец. печи (т. н. синтетические шлаки и затем обрабатывают ими сталь в процессе выпуска её из печи или конвертера в ковш. Предварительно подготовленный шлак применяется при электрошлаковом переплаве металлов.

В чёрной металлургии шлаки являются, как правило, побочной продукцией. Шлак — вторичное сырьё для получения строительных материалов (например, шлакоситаллов), известковых и фосфорных удобрений, а также оборотный продукт в металлургии. Из доменного шлака производятся: гранулированный шлак, применяемый в производстве цемента и шлакоблоков; пемза — лёгкий заполнитель бетонов; щебень; литые изделия; шлаковая вата. Из сталеплавильных шлаки изготовляют щебень для дорожного строительства; кроме того, они используются в аглодоменном и ваграночном производствах, с целью извлечения содержащихся в них марганца, железа, окиси кальция. Ферросплавные шлаки перерабатываются на известковую муку, щебень и шлаковый песок для строительства, технологический порошок для литейного производства, часть их идёт на выплавку готовых сплавов. Для производства ферросплавов получают и специальные шлаки путём комплексной переработки руд и чугунов. Из природнолегированного чугуна целесообразно методом окисления переводить в шлаковый ванадий, марганец, ниобий и др. металлы, а затем использовать этот шлак для производства указанных металлов или их сплавов.

В цветной металлургии различают шлаки передельные и отвальные. Передельные содержат повышенные количества ценных металлов; они образуются как побочный продукт в процессах получения или рафинирования металлов (например, конвертерные шлаки никелевого и медного производств или анодные шлаки рафинирования меди). Иногда передельный шлак является одним из основных продуктов технологической схемы, в котором концентрируется извлекаемый металл (например, титановые или ванадиевые шлаки). Выход шлака очень велик (при переработке бедных руд до 100—120 т на 1 т извлечённого металла), поэтому даже небольшое содержание цветных металлов в шлаках приводит к значительным потерям. Для извлечения металлов из передельных шлаков их направляют в оборот в один из головных процессов технологические схемы или применяют специальные процессы обработки: фьюмингование, электроплавку с добавкой восстановителя и сульфидизатора, флотацию и др. В отвальных шлаках концентрируются окислы металлов, не подлежащих извлечению в металлургической переделе, а также различные примеси и остаточные небольшие количества ценных металлов, доизвлечение которых при данном уровне технологии экономически невыгодно. Отвальные шлаки частично используют для производства шлаковаты и других строительных материалов. Полное и комплексное использование шлака обеспечивает безотходную технологию и уменьшает загрязнение окружающей среды.

Методы переработки и обезвреживания: сегрегация отходов с целью извлечения вторичного сырья; физические, химико-физические, химические, биологические, биохимические, термические методы обезвреживания отходов, сегрегация отходов с целью извлечения вторичного сырья

Сегрегация- Обжиг труднообогатимых окисленных руд некоторых цветных металлов в присутствии небольшого количества хлора или хлорсодержащей соли с целью переводаметаллов, содержащихся в руде, в форму металлических зерен размером 20-40мкм с последующим их извлечением. Процесс применяется для извлечения металлов, образующих летучие хлориды (Cu, Ni, Co, Ti и др.).

Вфизическихпроцессах изменяются лишь форма, размеры, агрегатное состояние и некоторые другие свойства отходов при сохранении их качественного химического состава. Эти процессы доминируют, например, при дроблении и измельчении вскрышных пород, хвостов обогащения, шлаков и зол, при окомковании тонкодисперсных материалов, брикетировании рудной мелочи, строительных отходов, в магнитных и электрических методах сепарации смешанных отходов, в процессах сушки и испарения.

Физико-химическиепроцессы и основанные на них методы являются пограничными между физическими и химическими, образуя совокупность взаимосвязанных физических и химических превращений, протекающих в вещественной субстанции. Однако, в отличие от химических методов, переходы одних веществ в другие в данном случае нестехиометричны. Значительное влияние на изменение свойств системы при протекании физико-химических процессов оказывают внешние условия (давление, объем, температура и др.), в которых они реализуются. При этом могут существенно изменяться поверхностные, межфазные свойства, развиваются другие явления смешанного (физического и химического) характера.

Физико-химические процессы в утилизационных способах образуют наиболее представительную группу методов, используемых в основном не столько для переработки и утилизации, сколько для обезвреживания промышленных и бытовых отходов. В этом плане можно назвать методы коагуляции и флокуляции, экстракции, сорбции, ионного обмена, флотации, ультрафиолетового излучения, радиационного воздействия и другие, подробно рассмотренные ранее

Химическиепроцессы изменяют физические свойства исходного сырья и его качественный химический состав. Взаимодействие веществ в них осуществляется в стехиометрических соотношениях, определяемых уравнениями протекающих реакций.

Важное место среди химических процессов занимают термические способы. Для ускорения обезвреживания загрязнителей или их извлечения во всех типах термических превращений могут быть использованы катализаторы.

Биологическиеоснованный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических

устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки. В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила. Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)

Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.

Биохимические процессы представляют собой химические превращения, протекающие с участием субъектов живой природы, выполняющих роль биологического катализатора,. Они основаны на способности различных штаммов микроорганизмов разлагать и/или усваивать многие органические соединения. Биохимические превращения составляют основу жизнедеятельности живых организмов растительного и животного мира. Конечным продуктом этих превращений являются вещества неживой природы. На использовании биохимических превращений построены многие технологии, например методы переработки сельскохозяйственной продукции, а также отходов с получением биогаза, биометаллургии, очистки сточных вод и др.

Реальные технологии редко могут быть сведены только к какому-либо одному виду превращений. Как правило, имеют место комбинированные процессы, являющиеся сочетанием двух и более типов превращений, один из которых может быть преобладающим.

Применительно к переработке и утилизации отходов невозможны как понятие биологические процессы. Действительно, конечный продукт биологического процесса, воспроизведенный субъект живой природы, например крупный рогатый скот в животноводстве, но отнюдь не неживое вещество биохимического процесса. По существу биологический процесс представляет собой совокупность множества физических, химических, физико-химических и биохимических превращений, одновременно протекающих в субъекте живой природы, которые в течение определенного времени обеспечивают жизнедеятельность этого субъекта, включающую и воспроизводство потомства. Можно полагать, что предложенная классификация, как и любая другая из научно обоснованных, позволит более объективно оценивать оригинальность и научно-техническую новизну теперь уже весьма многочисленных публикаций по переработке и утилизации отходов, поможет привлечь внимание к работам, содержащим действительно новую информацию, снизит интерес издателей и читателей к произведениям эпигонского характера.

Термическийметод. Суть термической технологии заключается в обработке отходов высокотемпературным теплоносителем, в частности продуктами сгорания топлива, СВЧ-нагревом и др. Высокотемпературная обработка происходит в окислительном или восстановительном режиме с подачей воздуха, кислорода, водорода или других газов. Этот способ обладает определенной универсальностью, позволяя обезвреживать неорганические и органические соединения. Главный недостаток термической технологии большая энергоемкость на единицу перерабатываемых отходов. Разновидностью термического метода является плазменный, при котором высокие температуры (выше 3000 К) позволяют обезвреживать широкий спектр токсичных и особо токсичных веществ, среди них различные отравляющие вещества (в том числе боевые), пестициды, диоксины и др. Еще одним перспективным направлением термической технологии является пиролиз разложение отходов под действием высокой температуры без доступа воздуха. Преимущества этой технологии возможность получения газа для технологических и бытовых целей, а в ряде случаев новых продуктов (масла, смолы), пригодных к использованию; резкое сокращение затрат на систему очистки отходящих газов за счет снижения их объемов (в 3.4 раза); достаточная экологическая чистота и безопасность; низкое энергопотребление на единицу объема перерабатываемого вещества, особенно в случае применения СВЧ-нагрева. В результате физико-химической технологии переработки некоторые отходы используются как сырье для получения полезного продукта. В промышленно развитых странах эту технологию применяют для переработки: отходов резинотехнической промышленности (автомобильные покрышки, резиновые шланги и рукава и др.) в резиновую крошку, используемую в дорожном строительстве (например, шумопоглощающий «шепчущий асфальт», которым покрыты многие автомагистрали Австрии); широко используемых полимерных материалов (новая отрасль промышленности по переработке такого вида отходов обеспечивает их 100%-ю переработку в сырье для повторного использования); определенных видов промышленных отходов в удобрения, строительные материалы. При переработке каждого вида отходов этим методом приходится разрабатывать индивидуальную технологию. В связи с этим с точки зрения экологизации промышленного производства при создании нового материала, находящего широкое применение, желательно одновременно разрабатывать и технологию его утилизации.

Виды термического воздействия: сжигание, газификация, пиролиз, нагревание на воздухе, в вакууме и т. д. Их используют для удаления и обезвреживания органических веществ и некоторых цветных металлов, термической стабилизации грунтов, сжигания строительных отходов и т. п.

Наибольшее распространение получили первые три метода. Их существенное отличие друг от друга заключается в разной степени окисленности атмосферы, в которой они реализуются. Так сжигание горючих отходов проводят в окислительной атмосфере, газификацию — в частично окислительной, пиролиз — в неокислительной (без доступа воздуха). Окислительная, нейтральная, восстановительная атмосфера или ее отсутствие (вакуум) характерны также и для термических способов переработки негорючих отходов.

Сжигание — весьма распространенный метод термической переработки отходов. Он реализуется при температурах не ниже 600° С и относится к окислительным термическим процессам автогенного характера. Автогенность означает, что теплоты, выделяемой при окислении, достаточно для поддержания горения и что дополнительного топлива для этого не требуется.

При сгорании органической части отходов образуются диоксид и оксид углерода, пары воды, оксиды азота и серы, аэрозоли. Методы сжигания не нуждаются в организации шламового хозяйства, имеют компактное, простое в обслуживании оборудование, низкую стоимость очистки отходящих газов. Однако область их применения ограничивается свойствами продуктов реакции. Их нельзя использовать для переработки отходов, если последние содержат фосфор, галогены, серу. В этом случае могут образовываться продукты реакции, например диоксины и фураны, по токсичности во много раз превосходящие исходные газовые выбросы.

Твердые продукты сгорания отходов, как правило в виде золы, накапливаются в нижней части печи и периодически вывозятся на захоронение или используются в производстве вяжущих веществ.

Основным полезным продуктом сжигания отходов является обычно тепло отходящих газов, используемых как вторичные энергетические ресурсы для выработки пара, электроэнергии, горячей воды для производственных и бытовых нужд.

Газификация как индустриальная технология применяется для переработки твердых, жидких и пастообразных отходов. В частности, она широко используется в металлургии для получения горючих газов из бурого высокозольного угля.

Сущность газификации заключается в обработке углеродсодержащего вещества (угля) при 600-1100°С водяным паром, кислородом (воздухом) или диоксидом углерода. В результате соответственно паровой, кислородной, углекислотной или комбинированной конверсии угля образуется равновесная смесь вновь образованных (водород, оксид углерода) и исходных газов. Эта смесь (генераторный газ, синтез-газ), включающая продукт неполного окисления угля (оксид углерода), а также водород, обладает восстановительным потенциалом и используется как газообразное топливо. Синтез-газ может содержать туман жидких смолистых веществ, однако его восстановительный потенциал практически исключает наличие в нем оксидов серы и азота.

Генераторный газ, полученный при газификации на воздушном или паро-воздушном дутье, вследствие значительного содержания азота имеет низкую (3,5-6 МДж/м ) теплоту сгорания. Он обычно используется по месту получения в низкотемпературных технологических процессах. Газ паро-кислородной конверсии более калориен (до 16 МДж/м ), поэтому может применяться как технологическое топливо для высокотемпературных печей и транспортируется на значительные расстояния от газогенераторной станции. Он является также ценным химическим сырьем (содержание Н₂ и СО доходит до 70%).

Пиролиз как способ нагревания органических веществ до относительно высоких температур без доступа воздуха сопровождается разложением высокомолекулярных соединений на низкомолекулярные, жидкую и газообразную, фракции, коксованием и смолообразованием. Его используют при сухой перегонке древесных отходов, переработке резино-технических изделий, нефтепродуктов и т. д.

В зависимости от температуры реализации различают три вида пиролиза: низкотемпературный, или полукоксование (не более 450-550°С); среднетемпературный, или среднетемпературное коксование (до 800°С); высокотемпературный, или коксование (900-1050°С). С повышением температуры снижается выход жидких и увеличивается — газообразных продуктов. Поэтому низкотемпературный пиролиз обычно проводят для получения первичной смолы — наиболее ценного источника жидкого топлива и различных химических продуктов. Основная задача высокотемпературного пиролиза — получение высококачественного горючего газа. Твердый остаток (пиролизный кокс) используют в качестве заменителя природных и синтетических углеродсодержащих материалов, сорбента при очистке питьевых и сточных вод и т. д.

Из других химических методов переработки отходов отметим осаждение и комплексообразование. Как правило, они предусматривают добавление химических реагентов к нейтрализуемой массе.

Методы осаждения основаны на обменных ионных реакциях с образованием малорастворимых в воде веществ, выпадающих в виде осадков. Они особенно эффективны при нейтрализации нерадиоактивных тяжелых металлов (Cr, Pb, Hg, Cd) и радионуклидов в грунте. В почве после ее обработки фиксируется более 90% указанных элементов. Осаждение также применяют для очистки грунта от полихлорированных бифенилов, хлорированных и нитрированных углеводородов.