Читать книгу: «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]