Витрификация отходов как способ их переработки в шлаки для вяжущих и бетонов

Начиная с середины 70-х годов XX века, в практике высотного строительства наступило время модифицированных бетонов. С их созданием стало возможным управлять технологическими свойствами бетонов.

Но и у железобетона существуют свои проблемы: железобетон - «ползущий» материал (при длительно действующей нагрузке), бетон обладает «усадкой», он часто дает трещины при твердении, традиционный бетон — очень тяжелый материал, в общем объеме нагрузок на конструкцию из ж б. 30-40% составляет собственная масса.

На международном симпозиуме IABSE в сентябре 2004 г. в Шанхае в решениях рекомендовано продолжать использование в высотном строительстве стальных несущих конструкций в силу их преимуществ с условием надежной зашиты от огневых воздействий.

В настоящее время сталь и бетон являются основными материалами для высотных зданий. Благодаря их специфическим характеристикам, они могут комбинироваться различными способами и создавать новые строительные материалы. Перекрытия в высотном здании невозможны без участия бетона. Используется он в виде обычного железобетона, в составных стальных перекрытиях или в виде предварительно напряженных конструкций.

За последние годы в США построено более 100 млн. м2 перекрытий с нагяжением арматуры на бетон. Значительный объем таких перекрытий возведен в Канаде.

Последнее время предварительно напрягаемая арматура в железобетонных перекрытиях * применяется без сцепления с окружающим бетоном. Для защиты от коррозии арматурные канаты помещаются в специальные оболочки, заполненные антикоррозионным составом. В России этот метод только внедряется.

Чисто стальные компоненты или элементы для обеспечения жесткости, конечно, тоже возможны, но армированный бетон и стальные композиты сегодня остаются наиболее популярными материалами. Самые последние образцы высотных зданий - свидетельство того, что применение «чистой» стали или железобетона сегодня устарело.

* * Н.А.Фалалеева

ВИТРИФИКАЦИЯ ОТХОДОВ КАК СПОСОБ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ В ШЛАКИ

ДЛЯ ВЯЖУЩИХ И БЕТОНОВ

"Vitrification" - означает стеклование, переход в стекловидное состояние.

В настоящей работе обосновывается возможность решения таких экологических проблем, I как проблема сокращения выбросов СОг в атмосферу и проблема утилизации минеральных отходов, | с помощью технологий переплавки (витирификации) отходов в шлаки для их последующего использования в составе малоклинкерных или бесклинкерных вяжущих и бетонов.

Состав шлаковых вяжущих позволяет значительно сокращать долю клинкера в тонне шлакового цемента, и соответственно снижать выбросы СО2, поскольку именно при производстве клинкера в атмосферу выделяется 0,6...0,9 тонны СО2 на каждую тонну клинкера. Переработка же отходов в гранулированные шлаки делает их главным компонентом шлакопортландцементов (ШПЦ) и других шлаковых вяжущих. Важно, что обе экологические проблемы (выбросы С02 и утилизация отходов) взаимно компенсируют друг друга.

Сегодня в мире непрерывно растут объемы производства цементов с минеральными добавками при одновременном сокращении производства бездобавочных цементов. Преобладающими являются цементы типа СЕМ II с кремнеземсодержащими добавками различного вида, включая такие добавки, как доменные гранулированные шлаки, пуццоланы, золы-уноса, обожженный сланец или композиции названных добавок.

| Если сопоставить дозировки минеральных добавок, вводимых в состав цементов, то становится очевидным, что бесспорным лидером здесь являются шлаки доменного производства. Так, если максимальная дозировка пуццолановых или других минеральных добавок в цементах типа СЕМ И не может превышать 35%, то в случае использования гранулированных доменных шлаков (ГДШ) (ШПЦ СЕМ П1/А, СЕМ Ш/В и СЕМ Ш/С и композиционные цеменггы СЕМ IV /А и СЕМ IV/B, в состав которых входит и ГДШ), содержание шлака в цементе может составлять 65, 80 и даже 95% (в композиционном цементе - 60 и 80%). При элгом выход цемента на одну тонну клинкера

может составить 3,0, 5,3 и даже 21,0 т/т (при 95% шлака) [1].

В России ГОСТом 10178 - 85 максимальное содержание добавок в ПЦ с минеральными добавками регламентировано в 20%. Содержание гранулированного доменного шлака в составе ШТТЦ - от 20 до 80%.

В отличие от других минеральных, добавок, гранулированные (т.е. остеклованные) доменные шлаки (ГДШ) пригодны также для получения на их основе высокомарочных бесклинкерных вяжущих, например, шлаковых для бетонов автоклавного твердения, или шлакощелочных, активированных жидким стеклом (стеклошлаковых), на основе которых разработана серия высокопрочных и долговечных бетонов самого разнообразного назначения.

При всем многообразии исследований, посвященных использованию в составе цементов минеральных добавок, в т.ч. шлаков различных металлургических производств, только ГДШ стабильно и на протяжении многих лет используются в составе 111ПЦ, что обеспечивается химико-минералогическим составом доменных шлаков и условиями их охлаждения (грануляция, сохраняющая стеклообразное состояние).

Поскольку образование шлаков заданного химико-минералогического состава возможно не только "вынужденным" путем, когда они образуются в качестве отхода доменного производства, но и "'специально" (естественно при корректировке состава сырьевой шихты), витрификация любых других минеральных отходов делает возможной их переработку в шлаки для вяжущих и бетонов.

В случае искусственного получения шлаков, сырьем могут стать такие минеральные отходы, как отвальные золы, топливные шлаки, отсевы вулканического сырья, отходы мусоросжигания, шламы, стеклобой, бой кирпича, бетона и пр. Главными параметрами таких производств должны стать соответствующая корректировка состава исходной сырьевой шихты и обеспечение оптимальных параметров плавления и охлаждения шлаковых расплавов.

Дополнительным преимуществом процесса нитрификации отходов (помимо эффекта их утилизации, детоксикации и переработки), станет получение попутно выплавленных металлов, содержащихся в отходах (и соответственно предотвращение их вымывания в ОС).

Фактически, если в традиционном металлургическом производстве выплавляемые металлы являются основным продуктом (и, в зависимости от назначения, не один раз переплавляются с корректировкой состава), а шлаки - отходом, то здесь речь идет об обратном процессе, когда шлак является основным, а металлы - попутным.

В современных условиях возможность витрификации любых минеральных отходов обеспечивается развитостью не только "традиционных" технологий плавления сырьевых смесей, таких как технология выплавки чугуна в доменных печах (черная металлургия, отход - шлаки доменного производства), или технология электротермической возгонки фосфора (химическая промышленность, отход - шлаки электротермической возгонки фосфора), но и новыми "высокотехнологичными" технологиями, к числу которых относится плазменная утилизация отходов.

Существует определенный объем отечественной и зарубежной информации о плазменных технологиях, используемых для утилизации отходов. Плазменные технологии, очевидно, представляют наибольший интерес с позиций предлагаемого нами способа утилизации промышленных отходов (с переработкой их в шлаки для вяжущих и бетонов), поскольку они создают высокие температуры и шлаковые расплавы из минеральной составляющей любой сырьевой смеси и одновременно обеспечивают рентабельность переработки любых промышленных или бытовых отходов без экологических последствий.

Наиболее детально проработанной нам представляется комплекс технологий "системы ATONN", предлагаемый к освоению, в т.ч. и на российском рынке, компанией S.A.A. ALTERNATIONAL HOLDINGS CORPORATION (CANADA) LIMITED [2].

Комплекс технологий "системы ATONN" основан на использовании плазмы и рекламируется разработчиками как "способ нового поколения для удаления муниципальных, коммерческих и медицинских отходов" и как запатентованная наиболее современная технология "мирового класса", функционально предназначенная для утилизации отходов.

По информации разработчика плазма была разработана более ста лет назад. Но ее "коммерческое" освоение началось после того, как в конце 60-ых годов потребовалось "симулирование температуры для тепловой защиты возвращающихся в плотные слои атмосферы летательных аппаратов". Плазма сначала стала использоваться в металлургии, где требовались высокие промышленные температуры, а затем в технологиях извлечения драгоценных металлов и для

удаления отходов.

Плазма представляет собой ионизированный газ, она не может расплавиться или выйти из строя. ''Плазма действует как резистивный нагревательный элемент, и в этом качестве она имеет явное преимущество перед любым другим твердым нагревательным элементом". Температура создаваемого плазменной дугой "пламени" от 4000 до 7000 °С. Это намного выше, чем у горелок, работающих на ископаемом топливе. В основе работы плазменных генераторов, реализующих термическое превращение органических отходов из твердого или жидкого состояния в газ, лежит процесс контролируемого пиролиза или "контролируемая газификация".

"Постоянно высокие рабочие температуры обеспечивают полное разрушение всех сложных органических соединений, а контролируемость процесса минимизирует возможность переформирования сложных загрязняющих веществ и опасных газов. Выделение летучих металлов и кислых газов также минимизируется до уровней, которые отвечают самым строгим стандартам по выбросам в атмосферу".

Плазменные горелки потребляют около 5% газа от количества, необходимого для горелок, работающих на ископаемом топливе. Поэтому значительно сокращается количество отходящих газов. Фирмой были разработаны, успешно испытаны и внедрены несколько систем и процессов с горелками на основе плазменной дуги.

"Материалы, остеклованные в реакторах плазменной технологии с контролируемой атмосферой, без труда проходят все стандартные тесты на выщелачивание Управления по охране окружающей среды" США.

С позиций нашего исследования важно, что "система ATONN" приводится в действие плазмой электрической дуги, генерируемой двумя или более электродами, которые проводят электрическую духу через "шлаковую плавильную ванну" обрабатываемых отходов, то есть через расплавленный шлак.

"Параллельно с или независимо от контролируемого пиролиза органических веществ, системы плазменной газификации ATONN могут расплавлять неорганические вещества (например, стекло, почву, металлы и золу) при их наличии. Эти компоненты, присутствующие во многих потоках отходов, расплавляются и восстанавливаются в качестве стекловидного шлака. Слой стекла служит посредником для химического связывания многих металлов не выщелачиваемым способом посредством витрификации".

"Если в потоке присутствует большое количество черных и цветных металлов, расплавленный материал разделится на один или более слоев, стекловидный слой поверх слоя металлических сплавов. Потоки мусора, в которых преобладают металлы, обычно можно обрабатывать так, чтобы ускорить восстановление металлов. Это очень важное и уникальное преимущество, особенно при обработке муниципальных твердых отходов".

В материалах [2] приведен перечень действующих плазменных установок, размещенных по всему миру, и отходов, которые они перерабатывают. Как явствует из обзора, плазменные установки работают во Франции, Швейцарии, Германии, Италии. Они работают также в Японии, Австралии, Канаде, Южно-Африканской Республики, в Корее, на Тайване, в России и в США.

В своем большинстве плазменные установки созданы на базе предприятий сталелитейной промышленности и Министерств обороны. Установки уничтожают радиоактивные отходы, хлорированные углеводороды, твердые вспомогательные материалы химической демшдагаризации, контрабандные материалы и наркотики, фреон и т.д. Установки восстанавливают металлы, производят ферросплавы, уничтожают мусор на авианосцах и пр.

По информации разработчиков Российская академия наук имеет несколько испытательных реакторов и завод по переработке медицинских отходов. Институт физики земли - установку PEAT для уничтожения жидких растворителей.

Компания имеет тесные рабочие взаимоотношения с Институтом проблем электрофизики Российской Академии Наук.

Конечными "рыночными" продуктами плазменных технологий являются синтетический газ, электричество, метанол, водород, минеральная вата, щебень и др., а также могут стать гранулированные шлаки оптимального химико-минералогического состава для использования при производстве 111ПЦ и других малоклинкерных и бесклинкерных вяжущих, резко сокращающих выбросы углекислого газа на цементных заводах.

Основными преимуществами действующих плазменных установок являются: устранение

необходимости захоронения отходов на свалках и уничтожение отходов, накопленных на свалках ранее; отсутствие предварительной сортировки отходов; отсутствие газовых выбросов (загрязнений воздуха) с территорий существующих свалок; невозможность попадания химикатов из отходов в подземные воды; экономия расходов на организацию управления отходами и т.д. Системы плазменной газификации, плазменные реакторы не имеют аналогов среди установок по газификации благодаря легкости и низкой стоимости эксплуатации, высокой доходности, а также безотходности, когда каждый из побочных продуктов на 100% имеет коммерческую цену, быстро реализуем и пользуется спросом.

Плазменные технологии контролируемого пиролиза и плазменной газификации ATONN детально проработаны на техническом, экономическом и экологическом уровнях. Они проверены при переработке самых экологически неблагополучных отходов, успешно реализуются на целом ряде зарубежных промышленных предприятий, предложены для российского рынка и вполне способны дополнить свои позитивные характеристики предлагаемыми нами технологическими решениями по витрификации минеральных отходов в шлаки для их использования в составе ШПЦ и других шлаковых вяжущих.

К сожалению, разработчиками не учтена такая возможность, тем не менее, она вполне достижима как один из способов использования шлаковых остатков при производстве строительных материалов.

Нужно отметить, что утилизация шлакового остатка в строительстве, а именно в качестве щебня для бетонов или в дорожном строительстве, упоминается разработчиками как одно из возможных направлений их утилизации. Но в технологической цепи шлак рассматривается только как неизбежный отход, при котором шлаковый расплав, независимо от его химического или минералогического состава, медленно остывает до температур окружающей среды. Естественно, при таком охлаждении имеет место постепенная кристаллизация шлакового расплава и потеря его гидравлической активности. Т.е. энергетические возможности шлакового стекла безвозвратно теряются.

Наше предложение сводится к тому, чтобы в технологической цепи предусмотреть линию корректировки химического состава шлака до нужных модулей (модуля основности и модуля активности) введением соответственно известняковых или алюминатных отходов и предусмотреть грануляцию шлаковых расплавов с последующей поставкой их на цементгаге заводы.

Напомним, что предлагаемое нами направление - расширение производства ШПЦ -рассматривается нами с экологической точки зрения, как направление решения экологических задач в части утилизации отходов промышленного производства, основанное на экологических аспектах использования, как цемента, так и гранулированных шлаков. В этой связи оно хорошо дополняет те экологические преимущества, которые обеспечиваются технологиями "системы АТОНН"

Во всех случаях, какие бы отходы не утилизировались, и как бы велика не была степень их очистки, всегда остается образовавшийся из минеральной составляющей отхода шлаковый расплав, который при корректировке (по необходимости) химического состава и соблюдении режима охлаждения, способен стать шлаковой составляющей ШПЦ или другого вида шлаковых вяжущих. Одновременно снимаются требующие решения инженерные задачи по организации мер защиты земли, воды и воздуха от токсикации загрязняющими веществами. Одновременно строительство обеспечивается дополнительным количеством недорогого экологически чистого цемента без капитальных затрат на его производство, устраняется необходимость добычи из недр земли известняка и глины для нужд цементных заводов, т.е. попутно цементные заводы обеспечиваются качественным сырьем. При этом сохраняются в незагрязненном состоянии земля, вода и воздух. Более эффективных способов утилизации отходов промышленного производства придумать невозможно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кройчук Л.А. Цементы с пониженным содержанием клинкера в мировой цементной промышленности.//Строительные материалы - сентябрь 2006, №9.

2. Технология ATONN, представлена S.A.A. INTERNATIONAL HOLDINGS CORPORATION (CANADA) LIMITED Подготовлено DuTemp Corporation, www.dutemp.com e-mail: ceo@dutemp.com. 25/06/07.

3. Учет и утилизация отходов, http://www.edu-zone.net/show/54191.htmI.