Ресурсозатратный характер экономики России является одной из причин нарастания загрязнения окружающей среды техногенными отходами.

Для предотвращения масштабного экологического кризиса необходима сберегающая политика природопользования в сфере освоения вторично-сырьевых ресурсов. В этой связи актуальной задачей становится переработка техногенных отходов, способствующая при выборе наиболее результативного метода повышению эффективности и конкурентоспособности соответствующих производств.

Переработка содосульфатных смесей (ССС) - экологическая и экономическая проблема для алюминиевых производств Уральского региона. Наиболее остро эта проблема встала перед Богословским алюминиевым заводом (БАЗ), перерабатывающим Североуральские бокситы. В процессе переработки бокситов комбинированным способом Байер-спекание за счёт взаимодействия серы содержащейся в боксите, с содой добавляемой в процесс для вывода из раствора серы, образуется сульфат натрия, который является вредной примесью в структуре гидрата. Сульфат натрия выводится из процесса в виде баркеитовой соли (Na₂CO₃⋅2Na₂SO₄) и является полупродуктом производства. Образование ССС происходит на этапе выщелачивания спека и фильтрации алюминатного раствора. После выпарки оборотного содощелочного раствора и сушки остатка получается содосульфатная смесь, состоящую из Na₂SO₄ (~80% по массе), Na₂CO₃ (~20%) и Al₂O₃ (~1%), которая затем транспортером направляется на склад сульфата, откуда она отгружается потребителю. Ежегодно образуется от 25 до 31 тысяч тонн ССС в зависимости от содержания серы в боксите, которое колеблется от 0,5% до 1,1%.

С конца 2002 года в связи с изменением схемы производства на филиале "Волховского алюминия", использовавшего ССС в качестве компонента стекольного производства, перед Богословским алюминиевым заводом встала проблема сбыта ССС и их накопления в местах открытого хранения. Содосульфатные смеси - отход 3 класса опасности (умеренно опасные отходы), за который взимается экологический платеж. ССС полностью растворимы в воде, поэтому в процессе длительного хранения происходит фильтрация осадков и загрязнение грунтовых вод, что ухудшает экологическую ситуацию не только на БАЗ, но и для жителей г. Краснотурьинска, являющегося одним из самых загрязнённых городов не только на Урале, но и в целом по России. Оценки показывают, что ущерб только от сбросов в водные объекты достигает 15 млн. руб. в год. При этом предприятие несёт также убытки, связанные с образованием и несанкционированным складированием ССС, которые с учетом упущенной выгоды от реализации составляют свыше 127 млн. руб. в год. К настоящему моменту площадь, занимаемая содосульфатными отвалами, составляет свыше 2 га, а общая масса отходов превышает 30 тыс. тонн.

В попытках решения данной экономической и экологической проблемы техническим советом БАЗ были рассмотрены различные способы переработки и сбыта ССС, которые так и не были до настоящего времени реализованы. Причинами этого являются либо убыточность, либо возможное ухудшение экологического состояния пригородной зоны г. Краснотурьинска (выброс сероводорода и других токсичных компонент в окружающую среду).

Продолжая поиск экономически выгодных и эффективных способов решения вышеобозначенной проблемы, Богословский алюминиевый завод обратил внимание на плазменные методы переработки, достоинством которых является экологическая безопасность и возвратность продуктов переработки в производство. Для обезвреживания содосульфатных отходов глиноземного производства было предложено использовать оригинальную методику высокотемпературной деструкции в пироплазме, в которой отходы вводятся непосредственно в плазменную дугу. При этом сами отходы поступают в плазмотрон, пройдя предварительную стадию механической деструкции в шнековом или тарельчатом питателе загрузочного устройства. Применение низкотемпературной плазмы для обезвреживания токсичных содосульфатных отходов обусловлено проблемой отсутствия к настоящему времени эффективных и безопасных технологий переработки такого типа отходов, когда в качестве продуктов переработки не возникают вредные для здоровья человека оксиды углерода, азота и серы, способные во влажной атмосферной среде к образованию опасных кислотных соединений.

Трудности, возникающие при этом, связаны не только с исключительной концентрацией токсичных компонент в отходах, но и с устойчивостью их молекул к тем температурам, при которых происходит утилизация отходов в большинстве применяемых технологий. В условиях низкотемпературной плазмы автоматически идут процессы деструкции карбоната и сульфата натрия (Na₂CO₃=Na₂O + CO₂ (при температурах выше 900 0С) и Na₂SO₄=Na₂O + SO₃ (при температурах свыше 1500 0С)) с получением шлака, содержащего Na₂Ox и Al₂O₃, который можно вернуть в производство, утилизируемых газовых выбросов (СО₂, SO₃) и небольшой доли (8-12%) вторичной пыли. Если пропустить газовые выбросы через мокрый скруббер, то получается раствор кислоты, который можно использовать для нейтрализации щелочных стоков завода. Вторичная пыль может быть отправлена либо в дожигатель, либо дополнительно пропущена через плазменный реактор, либо продана как товарный продукт (100% Na₂SO₄) обезвреживания содосульфатных отходов.

Рис.1 Материально-энергетическая схема метода плазменного

Основным элементом технологической схемы утилизации, представленной на рис.1, является генератор низкотемпературной плазмы - плазмотрон, обеспечивающий протекание процессов пиролиза при температурах 2000 - 10000 К. Применяемые в целях переработки токсичных отходов плазмотроны требуют исследования и оптимизации теплофизических, гидро- и аэродинамических процессов в газовоздушном тракте плазмотрона, анализа термодинамических и кинетических процессов, протекающих в газовом разряде и окружающем его пространстве плазмохимического реактора. В данной технологической схеме используется плазменный реактор, сопряженный с оригинальным плазмотроном, разработанным НПП "Полигон Лтд." (г. Екатеринбург), обеспечивающий устойчивое горение плазменной дуги на мощности энергопотребления ~ 15 кВт при пропускной способности 15-20 кг отходов в расчете на один плазмотрон. Выделяющееся в плазмохимическом реакторе тепло используется для предварительного подогрева порошкообразных содосульфатных компонент, прошедших предварительную стадию измельчения. На следующей стадии процесса осуществляется ввод подогретого порошка непосредственно в плазменную дугу, работающую на пониженном давлении, задаваемом в системе подготовки и подачи плазмообразующего газа - воздуха. Установка по обезвреживанию включает в себя также замкнутый цикл водоохлаждения плазмотрона, источник питания мощностью 60 кВт и систему очистки и утилизации отходящих газов (циклон для удаления крупных фракций вторичной пыли и мокрый скруббер, для связывания токсичных выбросов в кислотном растворе). Установка снабжена датчиками, обеспечивающими контроль энергетических (вольтамперные характеристики - I,U и температура T) и газодинамических (расход Q, компонентный состав %) параметров процесса.

Предложенная технологическая схема обеспечивает соответствующий экологическим требованиям физико-химический состав продуктов обезвреживания. С целью повышения экологической эффективности обезвреживания возможно также применение плазмотронов в схеме многостадийной плазменной деструкции на стадии дожигания отходящих газов, а также для остекловывания нелетучих продуктов предварительного пиролиза с целью их дальнейшей безопасной утилизации или возврата в производство.

Затратной частью плазменной технологии являются только самоокупаемые расходы на оборудование и расходы на электроэнергию, минимизируемые (порядка 30% в общей доле расходов) при оптимизации технологического процесса, а прибыльной - снижение экологических издержек и возврат части продукта в производство. Оценки себестоимости переработанного продукта говорят о конкурентоспособности заявляемой технологии по сравнению с другими известными технологиями плазменной и газотермической инсинерации (80-150 евро/т). Успешное внедрение данной технологии на БАЗе позволит говорить о её применимости и на других предприятиях алюминиевой отрасли, также озабоченных решением аналогичных проблем. Реализация плазменного метода обезвреживания ССС будет способствовать решению целого комплекса проблем, стоящих перед алюминиевой промышленностью и вовлеченным в эту отрасль населением близлежащих городов.

Анахов С.В., Пыкин Ю.А., Тетюков А.Г.

ООО "НПП "Полигон Лтд", Екатеринбург, Россия

Колесникова М.П.

Уральский государственный технический университет, Екатеринбург, Россия

www.newchemistry.ru