СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ ШЛАМОВ Российский патент 1997 года по МПК C02F11/12 

Изобретение относится к области переработки промышленных отходов, преимущественно шламов очистных сооружений промышленных предприятий и предназначено для обезвреживания и переработки шлама, характеризующегося наличием токсичных тяжелых металлов, в экологически чистое сырье для производства строительных материалов.

Побудительной причиной для создания изобретения явилось резкое ухудшение экологической обстановки в больших городах с развитой сетью промышленных предприятий, деятельность которых основана на производстве, связанной с образованием отходов, подлежащих обезвреживанию, особенно остро проблема обезвреживания отходов встала на предприятия, связанных с гальваническим производством, например, на предприятиях электронной промышленности, где массовый характер производства изделий электронной техники неизбежно приводит к накоплению токсичных отходов, содержащих различные тяжелые металлы, которые, согласно классификации стресс-индикатора, по вредному воздействию на окружающую среду опережают даже отходы атомных электростанций и предприятий, выпускающих органические вещества. К таким токсичным тяжелым металлам относятся хром, медь, марганец, титан, никель, цинк, олово, свинец, кадмий и висмут, при решении проблемы нейтрализации вредного влияния тяжелых металлов на окружающую среду ставилась задача получения обезвреженных отходов, могущих использоваться в качестве основного сырьевого компонента при производстве строительных материалов.

Известен способ переработки цинкосодержащих отходов металлургического производства, решающий задачи обесцинкования отходов и обеспечения возможности получения из них товарного продукта сырья для доменного и сталелитейного производства [1] Сущность известного способа состоит в том, что цинкосодержащий шлам сгущают, обезвоживают и высушивают до содержания влаги в нем 6 10 мас. после чего добавляют в определенном соотношении обезвоженные отходы прокатного производства, отходы обжига доломита или отходы производства извести или карбида кальция, полученную смесь обрабатывают продуктами сжигания природного газа с коэффициентом расхода воздуха 0,5 0,9 и температурой 1150 1450^oC при разрежении в системе 15 160 Па и температурой отходящих продуктов обработки 450 700^oC.

Существенным недостатком известного способа переработки промышленных отходов является ограниченная область применения, обусловленная тем, что способ предусматривает нейтрализацию вредного воздействия лишь цинкосодержащих отходов и неэффективен при обезвреживании отходов, содержащих другие токсичные тяжелые металлы (хром, медь, марганец, титан, олово, свинец, кадмий и висмут). Это объясняется тем, что в указанном интервале температур обработки (1150 1450^oC) не исключена возможность улетучивания паров оксидов тяжелых металлов и загрязнения тем самым окружающей среды. Действительно, величина упругости паров ZnO становится заметной при 1300^oC и составляет 1,97•10^-4 МПа, CdO при 1100^oC (составляет 6,58•10^-4 МПа) и т.д. [2] Указанный диапазон температур обработки отходов в известном способе способствует образованию летучих форм оксидов тяжелых металлов, что недопустимо из-за загрязнения окружающей среды.

Из известных наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ утилизации обожженных отходов с высоким содержанием корунда [3] Названный способ выбран прототипом предлагаемого как совпадающий с ним по максимальному числу признаков.

Способ-прототип предусматривает переработку бракованных изделий с высоким содержанием корунда и заключается в нагревании до 1000 1200^oC с последующим быстрым охлаждением в воде. Затем материал сушат до окончательной влажности не более 0,05% и подвергают его сухому помолу, например, в барабанной мельнице, по мере измельчения материала к нему добавляют воду или содержащие воду вещества для предотвращения агломерации порошка, затем снова добавляют воду и вещества, предотвращающие вспенивание, и завершают помол мокрым способом, полученный материал используют в качестве сырья для изготовления изделий.

Способу-прототипу также присущ вышеотмеченный недостаток ограниченная область применения из-за неприемлемости его для обезвреживания отходов с содержанием токсичных тяжелых металлов, поскольку указанный диапазон температур обжига хотя и в меньшей степени, но также способствует образованию летучих форм соединений тяжелых металлов, что недопустимо. Кроме того, получение высоких температур в известных способах связано с высокими энергетическими затратами, что также является недостатком не столь существенным, но ощутимым в условиях роста цен на энергоносители в связи с инфляционными процессами.

Цель изобретения устранение отмеченных недостатков, а именно получение технического результата, заключающегося в обеспечении высокой степени обезвреживания промышленных отходов, содержащих токсичные тяжелые металлы, путем перевода их соединений в нелетучие и водонерастворимые фазы с минимально достаточными энергетическими затратами.

Технический результат достигается тем, что в способе термической переработки промышленных отходов, преимущественно шламов сточных вод, включающем в себя обезвоживание, измельчение и термическую обработку отходов с последующим охлаждением, согласно изобретению, обезвоживание отходов осуществляют путем ступенчатой термической сушки отходов до окончательной влажности не более 0,5% после чего отходы измельчают до размеров гранул не более 1,0 мм, прокаливают в защитной среде при 600 950^oC, причем в качестве защитной среды используют экзогаз, состоящий из оксида углерода, окиси углерода, водорода и азота, причем компоненты экзогаза взяты в следующем соотношении, мас.

Оксид углерода 4,5 7,0
Окись углерода 9,0 7,5
Водород 9,5 6,0
Азот Остальное.

Кроме того, в процессе измельчения гранулы последовательно просеивают через сита с уменьшающимися диаметрами отверстий от 1,0 до 0,2 мм, а отсев направляют на повторное измельчение.

Приведенная последовательность операций позволяет создать оптимальные условия для перевода соединений токсичных тяжелых металлов, содержащихся в отходах, в нелетучие и водонерастворимые фазы, и тем самым обеспечить высокую степень обезвреживания токсичных промышленных отходов, что, в свою очередь, способствует улучшению экологической обстановки в промышленном регионе. При этом реализация способа требует меньших энергетических затрат в сравнении с известными.

Обезвоживание отходов путем ступенчатой термической сушки до окончательной влажности не более 0,5% позволяет исключить из отходов воду, содержащую кислород, и тем самым предотвратить протекание окислительно-восстановительных реакций при последующем прокаливании отходов, измельчение гранул до размеров не более 1,0 мм способствует повышению степени обезвреживания отходов, поскольку термической обработке в защитной среде подвергается лишь контактирующая поверхность гранулы, в результате чего образуются нелетучие и водонерастворимые фазы тяжелых металлов оксиды, а внутри гранул большего размера тяжелые металлы остаются в чистом виде и последующее использование таких отходов в качестве сырья опасно с экологической точки зрения.

Прокаливание в защитной среде при 600 950^oC обеспечивает оптимальные условия для перехода тяжелых металлов в нелетучие и водонерастворимые фазы с относительно небольшими энергетическими затратами, причем повышение температуры (>950^oC) не целесообразно с точки зрения образования летучих фаз оксидов, а также повышения энергетических затрат. Уменьшение температуры также нецелесообразно, поскольку при температуре <600^oC не происходит разложения органических соединений, использование бескислородной защитной среды с превуалирующим содержанием азота позволяет исключить протекание нежелательных окислительно-восстановительных реакций, в результате которых выделяются тяжелые металлы вы чистом виде.

Поскольку оксиды хрома, меди, марганца, титана, никеля, олова, свинца, кадмия и висмута нерастворимы в воде, а оксид цинка растворяется в незначительной степени (6,16 мг на 100 л раствора при 20^oC) [2] то это обстоятельство позволяет использовать обезвреженные отходы в качестве сырья при производстве строительных материалов, которые в процессе эксплуатации не станут источником загрязнений окружающей среды. Воздействие атмосферной влаги и природных вод не приведут к растворению соединений тяжелых металлов и загрязнению окружающей среды.

Способ реализуют следующим образом.

Отходы с очистных сооружений различных промышленных предприятий в контейнерах поступают в бетонные секционные накопители. Допустимая влажность поступающих отходов не более 80% Потери отходов при транспортировании недопустимы в связи с наличием в них токсичных тяжелых металлов, поскольку отходы неоднородны по структуре, составу, влажности и др. то возникает необходимость усреднения их характеристик, для чего отходы перемешивают и выдерживают, смешанные и выдержанные отходы загружают в контейнеры и транспортируют на площадку сменного объема хранения отходов, откуда последние перегружаются в бункеры для дозирования и поступают на обезвоживание, осуществляемое путем ступенчатой термической сушки сначала в барабанной сушилке с газовым топливом, а затем в тоннельной сушилке, в вращающуюся барабанную сушилку отходы сбрасываются из бункера дозированными порциями, максимальная температура сушки в барабанной сушилке +200^oC. При этой температуре осуществляется обезвоживание до влажности 9 10% Затем высушенные отходы ссыпают в бункеры для выдержки не менее чем в течение 3 ч с целью усреднения влажности, после выдержки отходы дозированными порциями поступают на транспортерную ленту тоннельной сушилки, где осуществляется обезвоживание отходов до окончательной влажности не более 0,5% Толщина насыпного слоя отходов на транспортерной ленте тоннельной сушилки не более 5 см.

После обезвоживания отходы поступают в дезинтегратор на измельчение до величины гранул не более 1,0 мм. В процессе измельчения осуществляют просеивание отходов в виде пресс-порошка через сита с уменьшающимися диаметрами отверстий от 1,0 до 0,2 мм. Окончательный гран-состав пресс-порошка должен быть следующим:
содержание зерен от 1,0 до 0,5 мм (остаток на сите N 05-177 отв./см² не более 20 25%);
содержание зерен размером от 0,5 до 0,2 мм (остаток на сите N 02-980 отв./см² не более 44 55%);
содержание зерен размером менее 0,2 мм (проход через сито N 02 20 - 25% ).

Отсев направляется на повторное измельчение, полученный после измельчения пресс-порошок направляют на операцию прокаливания в защитной среде, для чего порошок равномерно по толщине дозируют на сетку транспортера печи прокаливания и-4, куда через сопло подается экзогаз следующего состава, мас.

Оксид углерода 4,5 7,0
Оксид углерода 9,0 7,5
Водород 9,5 6,0
Азот Остальное.

Перемещаясь по транспортеру, пресс-порошок проходит через пять температурных зон печи прокаливания, в каждой из которых в течение 15 мин производится термическая обработка пресс-порошка в среде экзогаза. Эти зоны характеризуются следующими максимальными температурами: 1-я зона 600^oC, 2-я зона 950^oC, 3-я зона 950^oC, 4-я зона 850^oC. В 5-ой зоне происходит охлаждение до температуры менее 50^oC. Скорость прокаливания и охлаждения печи и-4 составляет 0,09 м/мин.

По окончании прокаливания обезвреженный пресс-порошок накапливают в бункерах и по мере накопления засыпают в мягкие контейнеры, например, в полиэтиленовые мешки, герметизируют и вывозят на склад хранения обезвреженных отходов, откуда последние, по мере необходимости, направляются в производство строительных материалов, например, керамических плиток.

На базе предложенного способа термической переработки промышленных отходов в МНПП "Экология" разработан технологический регламент по переработке шлама очистных сооружений в сырье для производства строительных материалов, согласно которому осуществлено опытное обезвреживание шламов очистных сооружений завода ВЭЛТ, деятельность которого связана с гальваническим производством, характеризующимся наличием в отходах токсичных тяжелых металлов, подлежащих обезвреживанию. Осуществлена оценка выбросов с экологической точки зрения. Испытания показали, что вредные выбросы в атмосферу в процессе обезвреживания не превышали предельно допустимых норм. В таблице приведены основные компоненты в выбросах от сушильного барабана и печи прокаливания перед системой газоочистки.

Как видно из таблицы, выбросы, содержащие соединения токсичных тяжелых металлов (оксиды), от печи прокаливания не зафиксированы, что подтверждает факт перехода этих соединений в нелетучие фазы (см. позиции 5 11). Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает высокую степень обезвреживания отходов, содержащих токсичные тяжелые металлы, и дает возможность после термической обработки отходов получить экологически чистый сырьевой компонент для производства строительных материалов.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 1610197, кл. F 23 G 7/00, 1988;
2. Зирьянов М.Н. о проведении токсичных тяжелых металлов гальванических осадков при их утилизации в промышленности строительных материалов, Гальванотехника и обработка поверхности т. 1 2, 1992, с. 99 101;
3. Патент ГДР N 251468, кл. C 04 B 35/00, 1987.

Использование: переработка шламов, содержащих токсичные тяжелые металлы, в сырье для производства строительных материалов. Сущность изобретения: металлосодержащие шламы обезвоживают путем термической сушки до влажности не более 0,5% с последующим измельчением до размеров гранул не более 1 мм и прокаливают в защитной среде экзогаза при 600 - 900^oC. 2 з. п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ термической переработки металлсодержащих шламов, включающий обезвоживание, измельчение и термическую обработку с последующим охлаждением, отличающийся тем, что обезвоживание шламов осуществляют путем ступенчатой термической сушки до окончательной влажности не более 0,5% с последующим измельчением до размеров гранул не более 1,0 мм и прокаливанием в защитной среде при температуре 600 950^oС, причем в качестве защитной среды используют экзогаз, состоящий из оксида углерода, диоксида углерода, водорода и азота. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что компоненты экзогаза взяты в следующем соотношении, мас.

Оксид углерода 4,5 7,0
Диоксид углерода 9,0 7,5
Водород 9,5 6,0
Азот Остальное
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при измельчении гранулы последовательно просеивают через сита с уменьшающимися 1,0 0,2 мм диаметрами отверстий, а отсев направляют на повторное измельчение.