Металлургических агрегатов для переработки (утилизации) отходов

Мировая практика показала, что ос­новная масса всех образующихся тех­ногенных отходов не может быть пе­реработана (утилизирована) на тех предприятиях, где эти отходы образу­ются. Все большее распространение получает практика использования от­ходов смежных отраслей. При реше­нии этой проблемы особая роль от­водится черной металлургии. Все большее распространение получает мнение, что предприятия черной ме­таллургии в состоянии утилизировать (с высокой степенью эффективности) подавляющее большинство отходов самых разных отраслей, включая даже бытовые отходы. Почему сложилось такое мнение?

Комплекс современных предприя­тий черной металлургии включает пе­речень агрегатов и производств с пол­ным набором возможных технологи­ческих характеристик: 1) возможность иметь низкие, высокие, очень высокие температуры; 2) возможность иметь окислительную, нейтральную, восста­новительную атмосферу; 3) диапазон давлений от 1 МПа и более (от 10 ат и более) до технического вакуума; 4) пол­ный набор оборудования для помола, измельчения, дробления материалов; 5) полный набор оборудования для сушки и нагрева материалов в разных агрегатах, в том числе в таких энерго­экономных, как шахтные печи; 6) пол­ный набор оборудования для улавлива­ния всевозможных выделений и очист­ки выделяющихся газов (что важно при обработке отходов).

ПОДГОТОВКА ОТХОДОВ К ПЕРЕРАБОТКЕ

25.5.1. Обогащение.Во многих случаях отходы представляют собой твердые материалы, содержащие ценные компоненты в весьма малых концентра­циях. Для эффективного использова­ния (утилизации) таких материалов требуется их обогащение. Для этого применимы технологии, аналогичные используемым в металлургии при обо­гащении бедных руд. Технологическая цепочка при этом выглядит следую­щим образом: 1) дробление и измель­чение; 2) собственно обогащение.

При разной плотности разделяемых компонентов применяют методы гра­витационного обогащения, основанные на различии в скорости движения час­тиц в водной или воздушной среде под действием гравитационных или цент­робежных сил. Если компоненты обла­дают неодинаковой магнитной вос­приимчивостью, то используют мето­ды магнитной сепарации. Это так назы­ваемое магнитное обогащение, которое осуществляют в специальных аппара­тах — магнитных сепараторах. Поле со­здается магнитами постоянного тока. Силовые линии магнитного поля воз­действуют на частицы материала, обла­дающего заметной магнитной воспри­имчивостью; при этом меняется траек­тория движения магнитных частиц и их можно отделить от других частиц. Учи­тывая эффективность этого метода, стремятся придать магнитные свойства некоторым материалам. Например, при обогащении гематитовых руд и бу­рых железняков (слабомагнитные ма­териалы) их подвергают так называе­мому магнетизирующему обжигу, при котором гематит Ре₂Оз частично вос­станавливается до магнетита FезО₄:

3Fe₂O₃ + СО = 2Ре₃0₄ + СО₂.

При различии в электрических свой­ствах (электропроводности, диэлектри­ческой проницаемости, способности заряжаться при трении) для разделения компонентов материала используют ме­тоды электрической сепарации. С помо­щью электрической сепарации удобно отделять абразивы и некоторые другие промышленные отходы.

На различии поверхностных свойств разделяемых компонентов ос­нован, в частности, такой эффектив­ный способ, как флотация '. Этот процесс разделения мелких твердых час­тиц основан на различии их в смачи­ваемости водой. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы закреп­ляются на границе раздела фаз (газа и воды), отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) и всплы­вают вместе с пузырьками газа. При масляной флотации измельченные ма­териалы смачиваются водой, к кото­рой добавлено масло, и всплывают вместе с маслом.

¹ От англ, flotation — всплывание.

Для повышения эффективности флотации используют метод введения поверхностно-активных веществ (пе­нообразователей или вспенивателей), которые повышают устойчивость об­разующейся при флотации пены (пен­ная флотация). Пенообразователи спо­собствуют лучшему диспергированию газа и образованию массы мельчайших пузырьков с огромной поверхностью контакта газа с жидкостью, в которой размещены частички реагента.

Операции обогащения во многих случаях сопровождаются проведением операций сушки или обжига.

Если обрабатываемый материал со­держит компоненты, изменяющиеся при высокой температуре (например, из-за выделений кристаллизационной воды, разложения карбонатов и выде­ления СО₂, испарения вредных при­месей), то такой материал предвари­тельно подвергают обжигу. В отличие от обжига сушкой или высушиванием принято называть процесс удаления жидкости (влаги) из твердых, жидких и газообразных тел, причем влаги, связанной с материалом адсорбцион-но и механически. Химически связан­ная влага не может быть удалена при температурах сушки; она удаляется при температурах обжига.

25.5.2. Классификация материала по крупности.Для разделения кусков твер­дых материалов в зависимости от их крупности используют разные методы.

Для кусков крупных и средних фракций — грохоты (операция назы­вается грохочение), в которых материал проходит через решетки или сита. Ре­шетки (сита) грохота совершают обычно колебательные движения, и в результате через отверстия в грохоте проваливается часть кусков материа­ла, образуя подрешетный продукт, а более крупные куски скатываются по ситу и образуют надрешетный продукт. Для сортировки материалов, содер­жащих частицы мельче 1-3 мм, при­меняется обычно гидравлическая клас­сификация (в воде более крупные час­тицы оседают быстрее, чем мелкие) или воздушная сепарация.

25.5.3. Измельчение.В технике из­мельчение материалов до крупности ~ 5 мм обычно называют дроблением, а до крупности меньше 5 мм — тонким измельчением. Способами измельчения являются: раздавливание, удар, исти­рание. Аппараты, в которых осуществ­ляют дробление, называют дробилка­ми, а для измельчения служат мельни­цы. Металлургические предприятия широко используют дробилки различ­ных конструкций для предваритель­ной подготовки руд.

При очень тонком измельчении мельчайшие частицы могут под дей­ствием сил молекулярного сцепления образовывать хлопья и сростки (про­исходит как бы агрегатирование час­тиц). Для предотвращения агрегатиро­вания добавляют поверхностно-актив­ные вещества, покрывающие частицы тончайшей пленкой, препятствующей слипанию.

Помимо чисто механических спосо­бов измельчения получают развитие новые принципы измельчения, осно­ванные на использовании: электрогид­равлического эффекта (электрический разряд в воде); токов высокой частоты; соударения встречных потоков возду­ха, несущих твердые частицы (так на­зываемые струйные мельницы) и др.

25.5.4. Выщелачивание —это пере­вод в раствор (обычно водный) каких-либо компонентов твердого вещества. Перед выщелачиванием твердые ве­щества обычно подвергают вначале дроблению или измельчению, затем химической обработке (окислению, восстановлению, обжигу, спеканию, сульфатизации и т. п.). Такую предва­рительную обработку называют вскры­тием. Назначение вскрытия — пере­вод труднорастворимых соединении в легкорастворимые (сульфидов в суль­фаты, высших оксидов в низшие). В качестве растворителей используют воду, водные растворы кислот (сер­ной, соляной) и щелочей (аммиака, едкого натра), солей (углекислого на­тра, цианидов¹). Процессы выщелачи­вания ускоряются организацией пере­мешивания мелкого твердого материа­ла продувкой газом (обычно возду­хом). Такую операцию металлурги называют агитацией.

Выщелачивание — один из вариан­тов процессов, носящих общее назва­ние экстракция или экстрагирование (от лат. extractio — извлечение). Ис­пользуемые при этом растворители на­зываются экстрагенты, а выделяемый продукт — экстракт. Так как экстрак­ция полезного компонента из отходов часто осуществляется в несколько при­емов, операцию экстрагирования обыч­но повторяют несколько раз. Промежу­точный продукт, который остается пос­ле первоначальной экстракции и содер­жит еще какое-то количество полезного компонента, так называемый рафинат, обычно смешивают со свежей порцией экстрагента и добиваются максималь­ного извлечения ценного компонента. Интенсивность извлечения ценного компонента определяется общим урав­нением массообмена:

М= kΔСF ,

где М— количество экстрагированного ве­щества; k — коэффициент массопередачи; ΔС —разность концентраций компонента в удаляемой из зоны реакции и остающейся в фазах; F— площадь контакта твердой фазы и экстрагента; —время.

Из уравнения следует, что процесс извлечения ускоряется при хорошем измельчении (увеличивается F), ин­тенсивном перемешивании (возраста­ет k) и непрерывном удалении экст­ракта (увеличивается величина ΔС).

¹ Цианиды — соли синильной кислоты [Л/eCN, A/e(CN)₂], очень токсичны; работа с ними требует особой осторожности и приня­тия специальных мер по охране труда и окру­жающей среды.