Сохранение экологии при переработке твёрдых отходов электролиза

Во всем мире одной из наиболее актуальных является проблема ра­ционального обращения с отходами. Бесконтрольное обращение с отхо­дами приводит к серьезным экологическим последствиям, в связи, с чем во всех развитых странах принимаются специальные законодательные акты, регулирующие комплексное управление отходами (сбор, транс­портировка, сортировка, обезвреживание, переработка, утилизация, ли­квидация, захоронение, требования к местам складирования, правила маркировки и хранения), представляющими опасность для здоровья че­ловека и окружающей среды

В металлургической промышленности электролизом расплавленных соедине­ний и водных растворов получают металлы (Си, Bi, Sn, Pb, Ni, Cd, Zn), а также производят электролитическое рафинирование — очистку металлов от вредных примесей и извлечение ценных компонентов.

Электролизом расплавов получают металлы, имеющие сильно отрицательные электродные потенциалы, и некоторые их сплавы.

На алюминиевых заводах образуется большое количество твердых техногенных отходов, состоящих в основном из углерода и соединений фтора, натрия и серы, а также присутствуют газообразные выбросы в атмосферу (фтористый водород, диоксид серы, смолистые). И если выбросы в атмосферу можно кардинально понизить, применяя более совершенные типы укрытий электролизеров и системы газоочистки, то в плане твердых отходов требуется разработка решений, обеспечивающих утилизацию с получением легко реализуемых продуктов. Необходимо также учитывать реалии современных рыночных отношений - по возможности предприятие при переработке должно получать товарные продукты, которые могут быть использованы в основном или вспомогательных производствах.

Алюминиевая промышленность является основным потребителем фтористых солей, поэтому основной задачей переработки отходов является извлечение из них фтора и утилизация углерода, алюминия и натрия. Таким образом, основной задачей переработки отходов является извлечение из них фтора и его соединений.

За годы развития алюминиевой промышленности на территории промышленных площадок заводов было накоплено сотни тысяч тонн твердых фторуглеродсодержащих отходов (в основном состоящих из хвостов флотации угольной пены, пыли электрофильтров и шламов содовой газоочистки), хранение которых требует специально оборудованных и достаточно дорогостоящих сооружений - шламовых полей. К тому же практически невозможно достичь идеальной гидроизоляции шламовых полей, что влечет за собой неорганизованные потери ценных для электролиза компонентов и оказывает дополнительную нагрузку на экологию промышленных регионов. Соединения фтора, натрия, серы и других опасных веществ также проникают в поверхностные и подземные источники питьевой воды, делая их не пригодными для хозяйственно-бытового использования без дополнительной обработки.

Способы утилизации и переработки твердых отходов электролиза:

1 В качестве способа переработки тонкодисперсных фторуглеродсодержащих отходов (хвостов флотации угольной пены, пыли и шлама газоочистки) в наибольшей степени соответствует гидрохимический двухстадийный способ разложения отходов с обработкой на первой стадии тонкодисперсных фторуглеродсодержащих отходов раствором №ОН, причем реагент для второй стадии должен обеспечивать максимально низкое содержание фтора в углеродистом остатке после обработки. Это должен быть слабокислотный раствор. Для утилизации обесфторенного углеродсодержащего остатка после двухстадийного выщелачивания отходов разрабатывается метод окускования либо с использованием прессов высокого давления, либо в шихтовке с древесными отходами на экструзионных прессах.

2 В качестве способа переработки кусковых фторуглеродсодержащих отходов (угольная пена на заводах БТ и ОА, выбойка углеродной составляющей части подины) в наибольшей степени соответствует высокотемпературный способ разделения фаз электролита и углеродистой составляющей при температурах выше 1300 °С. Для сокращения капитальных и эксплуатационных затрат в качестве основного агрегата используется печи индукционного нагрева, а для предотвращения выбросов соединений фтора в окружающую среду размещение участка по переработке в районе расположения «сухой» газоочистки.

Организационная и технологическая схема переработки отходов электролиза при производстве алюминия:

1 Сернокислотное разложение фторуглеродсодержащих отходов. Натриево-алюминиевые фториды, присутствующие в отходах, разлагают серной кислотой во вращающихся печах с получением фтористого водорода и натриево-алюминиевых квасцов. Фтористый водород направляется в производство фтористых солей по любой из известных технологий. Натриево-алюминиевые квасцы нейтрализуются известковым молоком с образованием гипса, который выводится на шламовое поле, и растворов алюмината натрия, которые могут быть использованы в производстве криолита или глинозема. Вопрос утилизации натриево-алюминиевых квасцов требует дополнительных исследований и технологической проработки.

2 Высокотемпературный обжиг фторуглеродсодержащих отходов с термической нейтрализацией углеродистых соединений и пирогидролизом фторидов. Суть технологии заключается в том, что тонкодисперсные фто- руглеродсодержащие отходы в виде водной суспензии сжигаются в циклонной топочной камере при 1400-1500 °С.

При этом углеродсоставляющие отходы (углерод, смолистые) сгорают, выделяя дополнительное тепло, фториды взаимодействуют с водяным паром с образованием фтористого водорода, а прочие составляющие плавятся совместно с нелетучими продуктами пирогидролиза фторидов.

3 Переработка пыли и шлама газоочистки варкой в плавиковой кислоте, совмещенной с флотацией углеродистых частиц. Сущность процесса заключается в последовательной обработке пыли и шлама газоочистки плавиковой кислотой и кальцинированной содой. При этом плавиковая кислота взаимодействует с оксидами алюминия, входящими в состав отходов, с образованием фторалюминиевой кислоты. Криолит образуется в результате нейтрализации полученной фторалюминиевой кислоты содовым раствором. Образование криолита сопровождается выделением углекислого газа во всем объеме пульпы, это приводит к флотации углерода и выносу его из реактора. Взаимодействие оксидов алюминия с плавиковой кислотой позволяет разрушить спекшиеся частицы углерода, криолита и глинозема, что способствует более качественному разделению частиц криолита и углерода. Данная технология может быть реализована как на алюминиевом, так и на криолитовом заводе.

4 Комплексная переработка жидкой и твердой фаз шламовых полей. Задача удаления сульфатов из состава растворов шламовых полей, к примеру, Таджикского алюминиевого завода решена за счет природных возможностей региона (упаривание растворов в летний период и кристаллизация ледообразного осадка сульфатов в осенний период). Спек сульфата натрия с углем и известняком (80 % конверсия сульфатов в карбонаты) может быть использован для приготовления содовых растворов газоочистки. При замене в составе шихты угольной мелочи на хвосты флотации и введении добавок флюорита (до 90 % CaF2) и нефелиновой руды (до 22 % А1203) получают алюминат натрия, который извлекается из спека по стандартной схеме. Полученный криолит-глиноземный концентрат, содержащий 20 — 25 % AI2O3; 70 — 75 % Na3AlF6, используют в качестве сырья в производстве алюминия.

5 Гидрохимический двухстадийный способ переработки тонкодисперсных фторуглеродсодержащих отходов. Обработка отходов на первой стадии раствором NaOH (концентрация 30 г/дм3) при температуре 80 °С. Реагент для второй стадии должен обеспечить максимально низкое содержание фтора в углеродистом остатке. Предположительно это должен быть слабокислотный раствор. В качестве такого реагента выбран раствор щавелевой кислоты, которая позволяет перевести в раствор фтор, содержащийся в виде CaF2 и NaF. Для осаждения криолита из растворов выщелачивания использован раствор плавиковой кислоты. Для утилизации обесфторенного углеродсодержащего остатка предлагается его прессование.

Многие разработки предусматривают передачу отходов на сторону с потерей ценных для производства алюминия компонентов, хотя сложившийся в электролизе алюминия баланс потребности в криолите и фтористом алюминии требует проводить переработку твердых фторуглеродсодержащих отходов с получением фторида алюминия. Предлагаемая автором безотходная технология переработки фторуглеродсодержащих материалов шламовых полей (рисунок), заключающаяся в сжигании отходов, утилизации тепла, улавливании фтора из отходящих газов и получении сырья для производства алюминия позволяет это осуществить.

В качестве основного агрегата применяется печь кипящего слоя (КС), которая отличается простотой конструкции, большой производительностью, высокой степенью механизации и автоматизации процесса, обеспечивает высокую эффективность использования тепла отходящих газов. Рабочее пространство печи представляет собой цилиндрическую шахту. Большая высота шахты печи способствует более полному обжигу материала и меньшему уносу пыли с отходящими газами. Исходная шихта (влажность до 25 %) непрерывно загружается на ванну кипящего слоя, а продукт обжига - огарок самотеком удаляется из печи.

Пылевынос при обжиге в кипящем слое составляет 25 — 40 %, следовательно, необходима эффективная система пылеулавливания — две пылевые камеры (стояки) и два циклона. В стояках помимо осаждения пыли снижается температура газов перед циклонами до 450 - 550 °С. Эффектовность такой системы составляет примерно 98 %. Далее газы направляют в систему сухой газоочистки и мокрый скруббер (улавливание оксида серы). При обжиге в печах КС уловленная пыль и огарок близки по химическому составу и представляют собой готовую продукцию - фторглиноземный концентрат.

Производительность печей КС зависит от ряда факторов: гранулометрического состава и физических свойств обжигаемого материала; параметров и качества воздушного дутья (давления, скорости, содержания кислорода); температуры и толщины кипящего слоя; конструкции печи и ее габаритных размеров. Обжигаемые материалы отличаются между собой по содержанию углерода. Чем больше содержание углерода, тем меньше удельная производительность агрегата по перерабатываемому материалу. Материальный и тепловой балансы процесса обжига, просчитанные для шихты разных составов, позволяют сделать вывод о возможности совместного обжига хвостов флотации, шламов газоочистки и лежалых отходов шламовых полей.

В процессе окислительного обжига углеродная составляющая шихты выгорает с выделением в слое большого количества тепла. Температура в слое обжигаемых материалов поддерживается на уровне 800 °С. Для отвода избыточного тепла используется система испарительного охлаждения с принудительной циркуляцией воды. В эту систему кроме основного агрегата включены и аппараты системы пылеулавливания - пылевые камеры и циклоны. Непосредственно в зоне кипящего слоя установлены змеевики, в которые подается химически очищенная вода. Пароводяная смесь, полученная в результате отвода тепла из всех агрегатов (печи КС, пылевых камер, циклонов), поступает в барабан — сепаратор, где разделяется на воду и пар. Их можно использовать на технические нужды предприятия

При расширении отделения обжига отходов алюминиевого производства можно будет ставить вопрос о получении пара высокого давления в котлах - утилизаторах.

Полученный в результате обжига фторглиноземный концентрат может использоваться также успешно, как и флотационный концентрат, при электролизе алюминия. В зависимости от состава исходной шихты содержание основных компонентов в огарке меняется. Среднее содержание АlО_з в огарке равно 35 %, содержание NaF - около 30%.

Расчет оборудования показал, что одной печи с площадью пода 12 м² и удельной производительностью по перерабатываемым материалам 1,8 т/м² сутки достаточно для переработки образующихся отходов, однако имеется возможность повысить производительность установки с целью переработки лежалых отходов шламовых полей.

В настоящее время лицензирование отходов осуществляется в соответствии с требованиями ФЗ «О лицензировании отдельных видов деятельности» (в части обезвреживания и размещения отходов) и разрешение на ведение деятельности в данной сфере выдается бессрочно. Данный закон исключил лицензирование сбора, использования и транспортировки отходов, а также исключил отходы 5 класса опасности из объектов лицензирования. Соответствующие изменения (в том числе отмена экологической экспертизы материалов обоснования лицензии) произведены и в соответствующих подзаконных актах, включая положение о лицензировании в данной сфере.

Регулируется обращение с твердыми отходами производства и потребления многими законодательными и иными актами. Наиболее общие требования в области охраны окружающей среды при обращении с отходами производства и потребления установлены Федеральным законом "Об охране окружающей среды". Согласно ст. 51 отходы производства и потребления, в том числе радиоактивные отходы, подлежат сбору, использованию, обезвреживанию, транспортировке, хранению и захоронению, условия и способы которых должны быть безопасными для окружающей среды и регулироваться законодательством Российской Федерации.

Одновременно в целях исключения экологического вреда Закон запрещает удаление отходов на наиболее экологически и социально ценных территориях. В частности, запрещается:

- захоронение отходов на территориях городских и других поселений, лесопарковых, курортных, лечебно-оздоровительных, рекреационных зон, в поверхностные и подземные водные объекты, в недра и на почву, на территориях водоохранных зон, на водосборных площадях подземных водных объектов, которые используются в целях питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, в бальнеологических целях (т.е. использования минеральных источников, вод, грязей в лечебных целях), для извлечения ценных минеральных ресурсов;

- размещение опасных отходов и радиоактивных отходов на территориях, прилегающих к городским и сельским поселениям, в лесопарковых, курортных, лечебно-оздоровительных, рекреационных зонах, на путях миграции животных, вблизи нерестилищ и в иных местах, в которых может быть создана опасность для окружающей среды, естественных экологических систем и здоровья человека;

- захоронение отходов в местах залегания полезных ископаемых и ведения горных работ в случаях, если возникает угроза загрязнения мест залегания полезных ископаемых и безопасности ведения горных работ.

Закон запрещает также ввоз опасных отходов и радиоактивных отходов в Российскую Федерацию в целях их захоронения и обезвреживания.

Цели предупреждения или минимизации экологического и экогенного вреда, создаваемого отходами производства и потребления, достигаются посредством установления в законодательстве различных мер и требований, образующих правовой механизм обращения с такими отходами.

Механизм обращения с такими отходами предусмотрен Федеральным законом "Об отходах производства и потребления". Положения этого Закона получили развитие в ряде подзаконных актов: Правилах разработки и утверждения нормативов образования отходов и лимитов на их размещение, утвержденных Постановлением Правительства РФ от 16 июня 2000 г.; Порядке ведения государственного кадастра отходов и проведения паспортизации опасных отходов, утвержденном Постановлением Правительства РФ от 26 октября 2000 г.; Правилах трансграничного перемещения отходов, утвержденных Постановлением Правительства РФ от 17 июля 2003 г., и др., а также законах субъектов РФ, где соответствующие законы приняты.

Важную роль в охране природы играют требования: к предприятиям и иным объектам, на которых образуются отходы; к обращению с отходами на территориях городских и других поселений; к объектам размещения отходов; к профессиональной подготовке лиц, допущенных к обращению с опасными отходами; к транспортированию опасных отходов.

В частности, при проектировании, строительстве, реконструкции, консервации и ликвидации предприятий и иных объектов, в процессе эксплуатации которых образуются отходы, индивидуальные предприниматели и юридические лица обязаны соблюдать экологические, санитарные и иные требования, установленные законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей природной среды и здоровья человека; а также иметь техническую и технологическую документацию об использовании, обезвреживании образующихся отходов. При проектировании жилых зданий, предприятий и иных объектов, в процессе эксплуатации которых образуются отходы, должны предусматриваться места (площадки) для сбора таких отходов.

Закон устанавливает требование о необходимости регулярной очистки территории городских и других поселений. Организация деятельности в области обращения с отходами на территориях городских и других поселений возложена на органы местного самоуправления в соответствии с законодательством Российской Федерации. Органами же местного самоуправления определяется порядок сбора отходов на территориях городских и других поселений, предусматривающий их разделение на виды (пищевые отходы, цветные и черные металлы, текстиль, бумага и другие). При определении порядка сбора отходов должно обеспечиваться соответствие экологическим, санитарным и иным требованиям в области охраны окружающей природной среды и здоровья человека.

Одним из наиболее распространенных способов удаления отходов в мире и в России является их размещение на специально оборудованных объектах (полигонах, свалках). Определение места строительства объектов размещения отходов осуществляется на основе специальных (геологических, гидрологических и иных) исследований в порядке, установленном законодательством РФ, и при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы. Для обладания информацией о местах размещения отходов объекты размещения отходов вносятся в государственный реестр объектов размещения отходов.

На территориях объектов размещения отходов и в пределах их воздействия на окружающую природную среду должен проводиться мониторинг состояния окружающей природной среды. Обязанность проведения мониторинга возложен на собственников объектов размещения отходов, а также на лица, во владении или в пользовании которых находятся объекты размещения отходов. После окончания эксплуатации данных объектов эти же субъекты обязаны проводить контроль за их состоянием и воздействием на окружающую природную среду, а также работы по восстановлению нарушенных земель.

К обращению с опасными отходами могут быть допущены лишь лица, имеющие профессиональную подготовку, подтвержденную свидетельствами (сертификатами) на право работы с опасными отходами. Ответственность за допуск работников к работе с опасными отходами несет соответствующее должностное лицо организации.

Транспортирование опасных отходов должно осуществляться при соблюдении определенных требований, включая:

- наличие паспорта опасных отходов;

- наличие специально оборудованных и снабженных специальными знаками транспортных средств;

- соблюдение требований безопасности к транспортированию опасных отходов на транспортных средствах;

- наличие документации для транспортирования и передачи опасных отходов с указанием количества транспортируемых опасных отходов, цели и места назначения их транспортирования.

Федеральным законом "Об отходах производства и потребления" установлены особые требования к обращению с ломом и отходами цветных и (или) черных металлов и их отчуждению со стороны физических лиц, юридических лиц и индивидуальных предпринимателей (ст. 13.1). Понятие обращения с ломом и отходами включает их прием, учет, хранение, транспортировку. Так, физические лица могут осуществлять отчуждение лома и отходов цветных металлов, образующихся при использовании изделий из цветных металлов в быту и принадлежащих им на праве собственности, согласно перечню разрешенных для приема от физических лиц лома и отходов цветных металлов. При этом порядок отчуждения такого лома и отходов цветных металлов устанавливается законодательством Российской Федерации. Перечень разрешенных для приема от физических лиц лома и отходов цветных металлов утверждается органами государственной власти субъектов Российской Федерации.

Юридические лица и индивидуальные предприниматели могут осуществлять обращение с ломом и отходами цветных металлов и их отчуждение в случае, если имеются документы, подтверждающие их право собственности на указанные лом и отходы. Правила обращения с ломом и отходами цветных металлов и их отчуждения установлены Постановлением Правительства РФ от 11 мая 2001 г. Правила обращения с ломом и отходами черных металлов и их отчуждения установлены Постановлением Правительства РФ от 11 мая 2001 г.

Некоторые особые требования установлены в Законе к обращению с опасными отходами. Опасные отходы в зависимости от степени их вредного воздействия на окружающую природную среду и здоровье человека подразделяются на классы опасности. Критерии опасности установлены Министерством природных ресурсов РФ. На опасные отходы должен быть составлен паспорт. Паспорт опасных отходов составляется на основании данных о составе и свойствах опасных отходов, оценки их опасности. Порядок паспортизации определяет Правительство Российской Федерации.

Закон допускает возможность ограничения или даже запрещения деятельности индивидуальных предпринимателей и юридических лиц, в процессе которой образуются опасные отходы, при отсутствии технической или иной возможности обеспечить безопасное для окружающей природной среды и здоровья человека обращение с опасными отходами.

Для обеспечения экологически корректного обращения с отходами применяются такие организационно-правовые меры, как

- лицензирование;

- нормирование;

- учет и отчетность;

- ведение государственного кадастра;

- контроль (государственный, производственный и общественный);

- юридическая ответственность.

Нормирование в области обращения с отходами является новым направлением природоохранной деятельности в Российской Федерации. Оно стало развиваться с принятием Федерального закона "Об отходах производства и потребления" .Закон предусматривает два вида нормативов - образования отходов и лимиты на их размещение.

Норматив образования отходов определяет установленное количество отходов конкретного вида при производстве единицы продукции. Лимиты на размещение отходов, разрабатываемые в соответствии с нормативами предельно допустимых вредных воздействий на окружающую природную среду, количеством, видом и классами опасности образующихся отходов и площадью (объемом) объекта их размещения, устанавливают предельно допустимое количество отходов конкретного вида, которые разрешается размещать определенным способом на установленный срок в объектах размещения отходов с учетом экологической обстановки данной территории.

Конкретные требования, касающиеся этих нормативов, определяются Правилами разработки и утверждения нормативов образования отходов и лимитов на их размещение, утвержденными Постановлением Правительства РФ от 16 июня 2000 г.

Правилами устанавливаются разные подходы к разработке проектов нормативов для планируемой и осуществляемой деятельности в области обращения с отходами. В обеих ситуациях проекты нормативов образования отходов и лимитов на размещение конкретного вида отходов в конкретных объектах размещения отходов разрабатываются индивидуальными предпринимателями и юридическими лицами. Эта работа ведется на основании методических указаний Министерства природных ресурсов Российской Федерации.

В отношении планируемой деятельности в области обращения с отходами проекты нормативов разрабатываются и представляются на утверждение до начала практического осуществления этой деятельности. Что касается осуществляемой деятельности по обращению с отходами, то разработка проектов нормативов и представление их на утверждение проводятся в сроки, определенные Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору. Представленные проекты нормативов утверждаются соответствующим территориальным органом Ростехнадзора. В месячный срок эти органы принимают решение об утверждении лимитов на размещение отходов или о возвращении материалов на доработку с указанием причин отказа.

Срок действия утвержденных лимитов на размещение разный и зависит как от видов деятельности, при которой образуются отходы, места ее осуществления, так и видов отходов. По общему правилу лимиты на размещение отходов устанавливаются сроком на 5 лет при условии ежегодного подтверждения индивидуальными предпринимателями и юридическими лицами неизменности производственного процесса и используемого сырья. Для пользователей недр лимиты на размещение отходов устанавливаются на срок действия лицензии на пользование недрами в соответствии с проектом разработки месторождения полезного ископаемого. Лимиты на размещение отходов для деятельности в области обращения с отходами, осуществляемой на Байкальской природной территории, пересматриваются ежегодно. Лимиты на размещение опасных отходов для индивидуальных предпринимателей и юридических лиц устанавливаются на срок действия лицензии на осуществление деятельности по обращению с такими отходами.

Важную роль в информационном обеспечении корректного обращения с отходами играют учет и отчетность в области обращения с отходами, паспортизация опасных отходов и государственный кадастр отходов.

Для стимулирования соблюдения экологической безопасности, закон об утильсырье предусматривает уплату предприятиями, занимающимися их переработкой, утилизационного сбора с транспортных средств.

Российское экологическое законодательство определяет порядок обезвреживания отходов, т.е. освобождения их от вредных примесей; утилизации отходов, такого их обезвреживания, при котором одновременно извлекаются полезные продукты, необходимые для: [17]

·дальнейшего производства;

·складирования (временного размещения отходов);

·захоронения (постоянного размещения в специальных контейнерах, специально оборудованных местах);

·транспортировки (перемещения отходов с места сбора, производства и складирования к месту дальнейшего хранения, переработки или захоронения отходов);

уничтожения отходов и т.д.

Нормативные правовые акты содержат правила обращения с опасными веществами. Это Федеральный закон «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», Водный кодекс РФ и многочисленные подзаконные акты. Так, ст. 22 Федерального закона от 30 марта 1999 г. «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» определяет санитарно-эпидемиологические требования к сбору, использованию, обезвреживанию, транспортировке, хранению и захоронению отходов производства и потребления, которые должны осуществляться в соответствии с санитарными правилами и иными нормативными правовыми актами Российской Федерации.

Заключение

На основании заданных параметров технологии электролиза алюминия были рассчитаны:

1) Часовой материальный баланс и на его основе годовая производительность и потребность цеха в сырье

2) Конструкция электролизёра с СОА и их количества для выполнения производственной программы

3) Электрический и тепловой балансы, подтверждающие технологичность конструкции основного оборудования

4) Необходимое количество основного и вспомогательного оборудования, штат работников и их финансирование

5) Стоимость и содержание производственных зданий и сооружений

6) Экономические показатели проектируемого цеха

Прибыль предприятия будет возрастать при снижении себестоимости одной тонны алюминия при этом очень важным является снижение затрат на сырьё которое можно регенерировать из отходов производства. В данном проекте предлагаемое перспективное схема переработки твёрдых отходов особенно многочисленных шламовых полей которое позволит отказаться от покупки свежих фторсолей и криолита.