Сборник авторских инженерно-технических идей и решений в области экологии промышленного производства
Введение
Настоящий сборник представляет собой оригинальные идеи и решения в области охраны окружающей среды и экологизации промышленных процессов. Он охватывает широкий круг задач – от утилизации отходов и снижения промышленных выбросов до ресурсосбережения, повторного использования материалов, адаптивной очистки сточных вод, озеленения промышленных территорий, а также локальных решений в области экологического мониторинга.
Особенность сборника – практическая направленность всех материалов. Каждая идея ориентирована на реализацию с использованием доступных промышленных, лабораторных или производственно-бытовых компонентов, без участия дорогостоящего специализированного оборудования или необходимости глубокой интеграции в основную технологическую цепочку.
Опираясь на фундаментальные принципы физики, химии и термодинамики, предложенные решения демонстрируют, что устойчивое развитие и бережное отношение к окружающей среде могут быть достигнуты даже в рамках действующих технологических схем – за счёт переосмысления инженерных подходов и применения уже известных, но недооценённых ресурсов (например, остаточного тепла, инертных масс, природных фильтров и энергетических барьеров).
Публикуемые идеи могут служить отправной точкой для инициатив в сфере НИОКР, создания патентно-защищённых разработок, адаптивных решений и технических усовершенствований, особенно в рамках программ импортонезависимости, развития зелёной экономики и технологического суверенитета.
1. Утилизация фосфогипса само распространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) огнеупорных изделий.
В настоящее время на территориях компаний по производству фосфорной кислоты скопился огромный запас старых лежалых отходов производства, с которым компании не знают, что делать, и которым является фосфогипс – основной компонент – сульфат кальция.
Старый, лежалый фосфогипс, прежде всего, вследствие загрязненности фосфатными, фтористыми и другими соединениями, не находит непосредственной полной утилизации и накапливается в значительных количествах на специальных полигонах. Переработка его представляется довольно трудной и энергозатратной проблемой.
При этом проблема утилизации и хранения фосфогипса в настоящее время наиболее остро актуальна для любой компании.
Рассмотрим сами физико-химические свойства самого фосфогипса и порассуждаем, что можно сделать.
В составе фосфогипса преобладает физический мелко дисперсионный песок, содержится большое количество кальция (до 30 % в расчете на элемент), серы (до 24,3 %), неразложившихся фосфатов (до 4 %), а также кремний (около 0,3 %) и немало микроэлементов.
Примерный химический состав фосфогипса известен:
CaO – 39-40 %;
SO3 – 56-57 % ;
Р2О5 общ – 1,0-1,2 %;
Р2О5 вод -0,5-0,6 % ;
R2O3 – 0,5-0,6 %;
F – 0,3-0,4 %;
нерастворимого осадка – 0,7-0,8 %.
Известно также, что сульфат кальция разлагается при температуре выше 1450 С, образуя оксид кальция, оксид серы и кислород.
Старый лежалый фофсогипс по своим физико-химическим характеристикам фосфогипс является идеальным наполнителем для строительных бетонов. Но именно из-за загрязненности фосфатными, фтористыми и другими соединениями фосфогипс не находит применения. Слишком энергетически затратны технологии по его очистке, которые заключаются в промывке, обжиге для удаления вредных соединений и т.п.
Высокотемпературный огнеупор
Обратим внимание на получение высокотемпературного огнеупора, в котором главная составляющая представлена оксидом щелочного металла второй группы (берилий, магний, кальций) периодической системы Д.И. Менделеева, а именно – оксид кальция.
Практические работы в этом направлении не проводятся. Это связано с высокой гидратационной способностью таких огнеупоров, где главная составляющая представлена оксидом кальция. Такой огнеупор должен иметь температуру спекания выше 1700 градусов. Чем выше температура спекания – тем меньше гидратационной способности.
При этом характерно, что аналог оксида кальция – оксид магния является основным видом огнеупоров (периклаз), который относится также ко второй группе периодической системы Д.И. Менделеева и лишён этого основного недостатка.
Оксиды магния и кальция образуют однотипные кристаллические структуры и имеют близкие температуры плавления. Особенность оксида кальция в том, что невозможно получить высокопрочный огнеупор при полном спекании с температуры ниже 2000 градусов без введения дополнительных спекающих добавок или двух стадийного обжига, что приводит к значительному удорожанию готовой продукции по сравнению с периклазом – оксидом магния. Получается, для получения высококлассного огнеупора необходима температура спекания выше 2000 градусов, что ограничивает их получение.
Где можно взять бесплатно оксид кальция?
Приведённый состава фосфогипса позволяет предположить, что он сможет стать практически бесплатной заменой магнезитовым наполнителям для огнеупоров, применяемых сейчас в производственных процессах с высокими температурами, например, в металлургии.
Предлагается способ утилизации фосфогипса с одновременным получением высокопрочного огнестойкого материала методом направленного послойного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с использованием:
– Металлического алюминиевого порошка (восстановитель),
– Фосфогипса CaSO4·2H2O (наполнителя),
– Жидкого стекла (в качестве связующего при формовании заготовки до начала синтеза).
Типовая формула смеси
– Фосфогипс – 75 % масс.
– Порошок алюминия – 25 % масс.
– Раствор жидкого стекла (35%) – 16-18 % от массы сухих компонентов
Ход реакции и особенности
– Инициирование реакции проводится, например, электрической дугой или внешней термической подпиткой;
– СВС-продукт формируется в заготовке снизу-вверх, со скоростью фронта реакции около 1 мм/сек;
– Реакция сопровождается достижением локальных температур порядка 2500 С;
– В результате – формирование плотного, огнеупорного, термостойкого материала с хорошей структурной целостностью.
Пример (в упрощённой форме) реакции:
CaSO4 + 2Al=Al2O3 + CaO + SO2 + Q
При такой реакции образуются:
– Корунд (Al2O3) – огнеупорный компонент,
– Оксид кальция (CaO) – в виде остаточной матрицы,
– SO2 – удаляется с газовым потоком (при соблюдении условий вентиляции).
Преимущества:
Использование фосфогипса (промышленного отхода от производства фосфорной кислоты/удобрений);
Простейшая рецептура (не требует дорогих добавок);
СВС-процесс – энергонезависимый, экзотермический, распространяется сам без внешнего нагрева;
Утилизация вредных соединений фосфогипса (фториды, фосфаты, сульфаты) – они выгорают;
Высокая прочность и огнестойкость конечного материала;
Возможность переработки вторичного огнеупора: измельчённый бой после термической очистки – эффективный заполнитель для бетонов, штукатурок, кладочных смесей и т.п.
Основные технологические этапы
1. Подготовка сухой смеси из фосфогипса и алюминиевого порошка в заданной пропорции;
2. Добавление жидкого стекла для обеспечения формуемости;
3. Прессование или формовка заготовки желаемой формы;
4. Сушка и инициирование саморазвивающегося СВС-горения снизу;
5. Получение твёрдой огнеупорной массы с минимальной пористостью;
6. (при необходимости) – измельчение и использование боевого остатка как наполнителя для иных составов.
Экспериментально-технологические аспекты
– Некоторые параметры реакции сложно предсказать теоретически: скорость фронта, миграция тепла, сопутствующие фазы и пр. имеют вероятностную природу.
– Поэтому подбор оптимальных пропорций и режимов реакции возможен только в ходе ОКР и экспериментальных работ.
– Особое внимание: к зернистости компонентов, влажности фосфогипса, степени окисленности алюминия, теплопроводности смеси.
Утилизация
Преимущественно важный элемент технологии – переработка фосфогипса, который загрязнён фтором, фосфатами и др. вредными веществами. Технологически сложно утилизировать в стандартных строительных и дорожных работах;
Однако при прохождении через СВС-горение все летучие и вредные фазы эффективно удаляются – и отпадает необходимость в дорогостоящем обезвреживании.
Новая идея:
Использование вторичного боя СВС-огнеупора как экологически безопасного и термически инертного заполнителя для строительных материалов (наравне с шамотом, пемзой, перлитом и т.п.).
Перспективы применения:
– Строительные огнеупоры (футеровка печей);
– Огнезащитные экраны, блоки, плиты;
– Огнеупорные строительные смеси;
– Среда для тепловой инерции (в хранилищах энергосбережения);
– Наполнители для жаростойких бетонных изделий;
– Переработка накопленного фосфогипсового шлама
Заключение
Предложенный способ является примером максимально рационального использования промышленных отходов с получением ценной высокотемпературной продукции. Сочетание простоты СВС-технологии, энергетической независимости процесса и возможности вторичной переработки делает метод интересным как с экономической, так и с экологической точки зрения.
Примечание
Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.
Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]
2. Способ вакуумного выпаривания отходов вторичной энергией промышленной градирни
Концентраты, образующиеся при вакуумном выпаривании, гораздо дешевле и легче подвергаются последующей переработке, хранению и транспортировке.
Как известно – вакуумное выпаривание, это процесс концентрирования жидких отходов при пониженном давлении методом частичного удаления жидкости испарением в процессе кипения. При выпаривании жидкость извлекается из объема раствора.
Технология достаточно эффективная, но энергозатратна по времени. Нужно постоянно поддерживать определённый вакуум и подводить теплоту, которая расходуется на парообразование и на работу пара против внешнего давления при увеличении объёма паровой фазы.
Например, при давлении в 0,05 атм. температура кипения воды равна 29 градусам, а давление в 0,1 атм. заставляет воду кипеть уже при 45.45 градусах.
Исходя из выше изложенного необходимо определить, какие технологические процессы промышленного производства способны “бесплатно” обеспечить достаточно продолжительное время заявленные выше значения давления и температур.
Рассмотрим работу классической градирни, например, металлургического производства. Классическая градирня имеет в среднем температуру воды на входе 50-60 градусов, а на выходе 30-40 градусов.
Принцип работы градирни достаточно прост. Вода в градирню подаётся под давлением. В верхней части градирни расположены распылительные насадки. Горячая вода разбрызгивается вниз. На своем пути вниз капли воды встречаются с мощным восходящим воздушным потоком и т.д.
Рассматривая принцип работы классической градирни – прослеживается простое решение без затратной технологии вакуумного выпаривания воды.
Температура в 50-60 градусов в наличии. Трубчатый теплообменник перед входом в градирню, размещённый в классическом выпарном баке обеспечит стабильный тепловой поток для вакуумного выпаривания воды.
Осталось найти техническое решение создания в классическом выпарном баке на непрерывной основе вакуума в диапазоне 0,05-0,1 атм. за счёт определённого технологического процесса работы самой градирни.
Таким техническим решением является классический вакуумный водоструйный насос, с которым все знакомы ещё со школьных уроков физики. Принцип действия классического водоструйного насоса – создание разряжения за счет протекающей через трубки струи воды. Вырываясь из сопла утончающейся трубки в ограниченное пространство с низким давлением, вода движется с большой скоростью и захватывает воздух из бокового отвода насоса. Степень остаточного давления, которое может обеспечить водоструйный насос, вычисляется давлением паров воды при определенной температуре. Так, при температуре воды +30 С давление можно понизить до 0,041 атм.
Т.к. горячая вода в любом случае разбрызгивается форсунками, то можно достаточно просто в конструктивном плане доработать форсунки в вакуумно-распылительные модули, заставив их работать как для распыления горячей воды под давление, а также как вакуумный водоструйный насос. Это обусловлено тем, что как в одном, так и в другом случае основой обоих процессов является распыление воды под давлением, что наглядно продемонстрировано следующим рисунком № 1.
Рис. 1. Вакуумно-распылительный модуль градирни.
Исходя из вышеизложенного работа классической градирни с доработанными распылительными форсунками в вакуумнораспылительные модули позволит дополнительно и без каких-либо дополнительных затрат проводить технологический процесс вакуумного выпаривания за счёт утилизации низко потенциального тепла и остаточной энергии промышленной градирни (охладительной башни).
Схема реализации способа представлена на рис. № 2.
Рис. № 2. Схема реализации способа концентрации водных растворов отходов промышленного производства вакуумным выпариванием за счёт утилизации низко потенциального тепла и остаточной энергии промышленной градирни.
Основные параметры заявленного способа, как время и количество воды вакуумного выпаривания можно “приближённо” оценить (без учёта времени нагрева водного раствора до температуры кипения и приняв КПД нагревателей и т.п. = 1).
Удельная теплота парообразования 1 кг воды при температуре в 50 градусов – 643 Вт. Для упрощения оценочных характеристик примем условно, что 1 литр воды выкипает за 1 час при подведении 1 кВт тепла.
Если учесть, что современные промышленные градирни имеют тепловую нагрузку (количество тепла, утилизируемого на градирне) порядка 100 кВт – 1 Мвт можно условно оценить, что за 1 час из выпарного бака полностью выкипит от 100 до 1000 кг воды соответственно.
Таким образом водный концентрат отходов промышленного производства может концентрирован до порошкового состояния для последующей утилизации или переработки за счёт абсолютно бесплатной энергии разбрызгивания воды в промышленных градирнях.
Преимущества
Практически «бесплатная энергия» (уже теряемая в виде испарения);
Простая реализация – на основе существующих градирен, возможна организация испарительных/концентрирующих секций;
Возможность концентрирования жидких отходов до пастообразного или сухого остатка;
Повышение экологической чистоты – благодаря уменьшению сбрасываемых жидких стоков;
Энергосбережение, переработка или безопасная утилизация отходов без дополнительных источников энергии.
Оценочные расчёты
Пример – градирня с тепловой нагрузкой 500 кВт – эквивалентна испарению 500 л воды в час (0,5 т/ч).
При подаче в замкнутый контур 5% водного раствора отходов через 2 часа испарится 1 тонна – останется 50 кг твёрдых веществ.
Возможные модификации
– Организация испарительных ступеней перед сбросом в канализацию;
– Использование технологии в комбинированной схеме с солнечными испарителями;
– Сбор конденсата на тепловом рубеже градирни – для разделения воды и утилизируемых веществ;
– Установка сита, сепаратора, циклонного улавливателя или датчиков зольности на выходе.
Заключение
Предлагаемый способ позволяет превратить неудобные разжиженные отходы в легко утилизируемый твёрдый остаток (концентрат, порошок) без потребления новой энергии. Используя уже присутствующее тепло, теряемое на испарение в градирнях, способ обеспечивает экономию, сокращение сбросов и снижение энергозатрат на утилизацию жидких промышленных стоков.
Примечание
Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.
Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]
3. Утилизация отходов классическим пиролизом остаточной энергией шлака литейного производства.
В настоящее время шлак металлургического производства сливается на землю на специальной площадке, охлаждается распылением технической воды и утилизируется классическим способом вывоза.
Остаточная энергетика шлака не используется.
Для использования остаточной тепловой энергии шлака предлагается остаточную температурную энергию шлака использовать для пиролиза ядовитых отходов металлургического производства.
Металлургический шлак с температурой в 1500 градусов в течении короткого промежутка времени методом пиролиза (термическое разложение органических и неорганических соединений без доступа воздуха) превратит любой ядовитый отход в безопасную для последующей утилизации сажу.
Технология:
– В месте слива шлака монтируется стационарная или съёмная пиролизная платформа (модуль);
– Площадка выполнена из огнеупорного бетона с запрессованными или интегрированными трубами из жаростойкого металла (например, титан, инконель и др.);
– Внутрь труб до слива шлака заливается, загружается или подаётся пастообразный, жидкий или полутвёрдый отход, подлежащий термической деструкции;
– После загрузки трубы герметизируются арматурой/заглушками;
– Слив высокотемпературного шлака осуществляется сверху на внешнюю поверхность модуля, контактом через огнеупорный бетон на корпус труб;
– Остаточное тепло шлака обеспечивает нагрев содержимого труб до температур >500-800 C (зависит от вида отхода), что производится:
– без доступа кислорода;
– с удержанием тепла благодаря высокотемпературной массе шлака;
– при постепенной передаче тепла от шлака к внутренним трубам происходят реакции пиролиза: разложение образование сажистого остатка (безопасного продукта);
– газы пиролиза не выбрасываются – капсулирование в трубах предотвращает загрязнение.
Конструкция пиролизного модуля
Рис. № 3. Пиролизный модуль.
– Массивные огнеупорные блоки;
– Встроенные трубчатые каналы из титана или другого термостойкого материала;
– Фланцы или заглушки для запечатывания труб;
– Сливные технологические отверстия трубы (выход продуктов пиролиза или продувка);
– Верхняя поверхность предназначена для равномерного наплыва шлака с литейных агрегатов.
Этапы технологического цикла
Рис. № 4. Реализация способа утилизация отходов классическим пиролизом остаточной энергией шлака литейного производства.
1. Загрузка отходов в трубы модуля и герметизация отверстий;
2. Слив шлака непосредственно на поверхность бетонного элемента;
3. Передача тепла шлака к трубам, проведение пиролиза в течение фазового остывания (15-30 мин);
4. Удаление охлаждённого шлака механическим способом;
5. Продувка труб сжатым воздухом удаление твердого пиролизного остатка (сажи, углерода) в сборную зону;
6. Очистка/замена труб при необходимости – начало нового цикла.
Основные преимущества
Экологичность – отсутствие открытого пламени, прямых выбросов, сжигания;
Энергоэффективность – полное использование остаточного тепла, без дополнительного топлива или электроэнергии;
Простота реализации – не требует сложных реакторов, камер, не изменяет архитектуру литейного участка;
Потенциал для масштабирования – от независимых модулей до встроенных элементов в участке слива;
Минимизация захоронения и объёма опасных отходов за счёт концентрирования в виде углеродистой сажи.
Предполагаемые объекты утилизации:
– Отработанные масла и нефтешламы;
– Смесь смол, красителей, клеев;
– Технические жидкости (сублимирующие);
– Битумные остатки;
– Радиоактивные углеродосодержащие сорбенты (с последующей изоляцией);
– Химические и фармацевтические производственные отходы.
Заключение
Предлагаемая технология является примером «зелёного» циклического использования промышленного высокотемпературного остаточного ресурса. Она позволяет снизить экологическую нагрузку, сократить объёмы захоронения, утилизировать токсичные и трудно обезвреживаемые отходы с минимальными затратами, повторно использовать пиролизный углеродосодержащий остаток.
Примечание
Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.
Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]
4. Способ утилизации органических отходов остаточной энергией сталеплавильного шлака с одновременным восстановлением металлов из оксидов
Предлагаемый способ объединяет три известных высокотемпературных физических и химических явления в единую систему:
1. Использование остаточной теплоты расплавленного сталеплавильного шлака (1400-1600 C);
2. Пиролиз (термическое разложение) органических отходов без доступа кислорода – образующий CO и H2;
3. Восстановление железа из его оксидов в шлаке с использованием образовавшихся восстановительных газов (CO и H2).
Таким образом, конвертерный шлак используется как:
– источник тепла для пиролиза,
– источник оксидов металлов (преимущественно оксидов железа – Fe2O3, FeO),
– реакционная среда для обратимого восстановления железа.
Технология
Подготовка настила из органических отходов (древесина, текстиль, бумага, отходы пищевого производства и т.п.) толщиной не менее 30-50 см на выбранном участке шлакослива;
Настил закрепляется механически к основанию для предотвращения смещения или всплытия при заливке;
На настил выливается горячий жидкий шлак (T 1500 C), который полностью покрывает органику, создавая аэробарьер;
Под действием температуры шлака происходит сгорание связующих и бескислородный пиролиз органики с генерацией CO + H2;
Образующиеся восстановители диффундируют в толщу шлака и восстанавливают оксиды железа (Fe2O3, FeO) с образованием металлического железа (Fe);
После охлаждения шлак отправляется на магнитную сепарацию, где дополнительно извлекается не только исходное металлoизнесённое железо, но и вновь восстановленное.
Рис. № 5. Схема реализации способа восстановления металлов из оксидов сталеплавильного шлака с одновременной утилизацией органических отходов остаточной энергией шлака после разливки стали.
Примерные расчёты
Из 1 м3 органических твёрдых отходов (древесины) образуется 60 м3 восстановительного газа (в т.ч. CO 30-50%).
На восстановление 1 кг Fe2O3 требуется 0,42 м3 CO.
Для получения 10 кг железа необходимо 6,3 м3 CO.
Следовательно, 1 м3 древесины способен восстановить 15 кг чистого железа.
150 кг шлака содержит (в среднем) 15 кг оксидов железа при должном контакте с пиролизными газами (вариант 1:1 настил / шлак по массе / объёму) могут быть полностью восстановлены.
Преимущества способа
Исключение безвозвратных потерь железа в шлаке – увеличение выхода металлического железа.
Одновременная утилизация органических твёрдых отходов, не требующая отдельного пиролизного, плазменного или печного оборудования.
Полная энергонезависимость – процесс идёт за счёт остаточного тепла шлака.
Экологическая безопасность – закрытый бескислородный режим, отсутствие выбросов.
Универсальность – метод применим для любой органики: древесные отходы, биомусор, ткани, макулатура, торф, полиэтиленовые материалы при соответствующей температуре.
Основные условия
– Достаточная толщина органического слоя (обеспечивает объем пиролизного газа> необходимого для восстановления);
– Герметичность покрытия шлаком (исключение доступа воздуха на первом этапе – для эффективного пиролиза, а не горения);
– Фиксация настила до начала охлаждения;
– Обеспечение равномерности заливки и термодинамической стабильности: избегать сквозных прогаров или неравномерного прижатия.
Типовая реакция восстановления
Fe2O3 + 3CO=2Fe + 3CO2
FeO + CO=Fe + CO2
Fe2O3 + 3H2=2Fe + 3H2O
2C + O2 2CO (внутри пиролизной зоны) C + H2O=CO + H2 (газификация внутри пиролизной камеры)
Возможные названия патента / разработки
– Способ восстановления железа из оксидов шлака с помощью пиролизных газов органических отходов
– Энергонезависимый способ пиролиза с извлечением металла из металлургического шлака
– Способ пирошлаковой совместной утилизации и металлургической регенерации железа
Конструктивно-технологические перспективы
Разработка сменных пиролизных настилов-кассет с фиксирующими зацепами для шлаковозов;
Введение системы сбора пирогаза – для утилизации или сжигания остаточных фрагментов CH4 и H2;
Модификация шлаковозной чаши с нижней подачей шлака на трубчатые кассеты с органикой для непрерывной загрузки;
Дополнение процесса системой дутьевых коллекторов – ускорение восстановления продувкой восстановителей.
Заключение
Предложенный способ представляет собой интеграцию трёх процессов в единый энерго- и ресурсосберегающий цикл:
– Переработка шлака с высокими потерями металлического железа;
– Утилизация твёрдых органических отходов;
– Получение восстановленного железа без сжигания классического топлива.
Метод способен заменить или дополнить классические технологии переработки отходов и шлаков, улучшить экологические показатели и экономику металлургического производства.