Технологии переработки техногенного сырья

А. И. Фоменко 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ  
ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ 
 
 
Монография  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Инфра-Инженерия 
Москва - Вологда 
2018 

Издание не подлежит маркировке  
ФЗ 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 
№ 436-ФЗ 
УДК 504.064.45 
ББК 30.69 
     Ф 76 
 
 
Р е ц е н з е н т :  
А. И. Гнездилова, доктор технических наук,  
профессор ФГБОУ ВО «Вологодская государственная молочнохозяйственная  
академия им. Н. В. Верещагина» 
 
Фоменко А. И.  
Ф 76   Технологии переработки техногенного сырья: монография / А. И. Фо- 
менко - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - 136 с.: табл., ил. 
 
ISBN 978-5-9729-251-4 
 
Рассмотрены результаты исследования отходов предприятий черной металлургии, химической и деревообрабатывающей промышленности, отрасли ЖКХ в аспекте их утилизации  
в качестве техногенных сырьевых ресурсов. Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность их утилизации путем использования в качестве сырья для изготовления продуктов строительного назначения и в качестве материала фильтровально-сорбционной загрузки на установках очистки промышленных и промышленно-ливневых сточных вод. 
Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся управлением отходами, технологов по сбору и переработке отходов, региональных операторов и специалистов 
экологических служб предприятий, а также студентов направлений бакалавриата 05.03.06 
«Экология и природопользование», 04.03.01 «Химия» (профиль «Химия окружающей среды, 
химическая экспертиза и экологическая безопасность»). 
Издание подготовлено в рамках выполнения государственного задания (Задание 
№ 11.9503.2017/8.9). 
 
 
 
 
 
 
 
‹ Фоменко А. И., автор, 2018 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2018 
 
 
ISBN 978-5-9729-251-4 
2 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Одним из основных технико-экономических показателей технологии  
является степень превращения исходного сырья в полезный продукт. Однако  
на практике значительная доля сырья превращается в отходы производства.  
В каждом отдельном технологическом процессе образуются определенного вида отходы, которые не могут быть использованы по месту их производства. 
Проблема утилизации таких отходов путем возвращения их в ресурсный цикл 
на сегодня не утратила своей актуальности. До настоящего времени в производственной практике доминирующим способом их утилизации остается складирование в отвалах и накопителях, что по сравнению с другими способами является менее трудоемким и экономически менее затратным. Однако утилизация 
отходов подобным способом негативно воздействует на все компоненты природной среды, приводит к истощению месторождений природного сырья и отчуждению земель из хозяйственного оборота.  
В то же время запасы многих видов сырья ограничены, а объемы добычи 
существенно превышают прирост запасов. Сложившаяся ситуация определяет 
актуальность поиска ресурсосберегающих технологических решений по вовлечению техногенных материалов в производство. С точки зрения рационального 
природопользования отходы представляют собой добытое из недр земли, перемещенное на другую территорию и недоиспользованное сырье.  Боғльшую часть 
складируемых в отвалах и накопителях отходов переработки минерального сырья можно отнести к техногенным сырьевым ресурсам, так как они по качественному и количественному химическому составу пригодны для эффективного промышленного использования в сфере материального производства.  
Повышение эффективности использования техногенных материалов  в значительной степени позволяет расширить сырьевую базу, предотвратить или свести к минимуму объемы накопления отходов на объектах размещения, загрязняющих окружающую природную среду.  
Учитывая приведенные положения, а также ресурсную значимость складируемых на объектах размещения отходов, поиск доступных технологий и способов повышения эффективности их использования является предметом многочисленных исследований. Решение такой задачи имеет особую значимость для 
крупных промышленных регионов. Наибольшее количество отходов накоплено 
в регионах с развитой горнодобывающей и горноперерабатывающей, а также 
деревообрабатывающей промышленностью. По объемам отходов, складируемых в отвалы и накопители предприятиями этих отраслей промышленности,  
не отстает и отрасль жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).  
3 
 

Повышение экономической эффективности, технической и экологической  
безопасности производств этих отраслей экономики становится неотъемлемым 
условием рационального природопользования в современных условиях. 
Приведенные в монографии теоретические положения, а также личные исследования автора по развитию технологических основ обезвреживания и утилизации отходов, образующихся на предприятиях горноперерабатывающей  
и деревообрабатывающей отраслей промышленности и ЖКХ, могут послужить 
основой для решения практических задач в рамках рассматриваемой проблемы 
и дальнейшего развития экологической безопасности производств этих отраслей экономики. Особое внимание уделяется разработке доступных и реализуемых в условиях конкретного предприятия технологий обезвреживания и утилизации отходов с учетом потребностей реального сектора экономики региона, 
уменьшая одновременно риск загрязнения окружающей среды. 
 
4 
 

Глава 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ  
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ  
 
1.1. Теоретические основы ресурсосбережения  
и утилизации отходов минерального состава 
 
Под термином ресурсосбережение в настоящее время понимают экономию 
природных ресурсов в результате применения при производстве продуктов 
сравнительно низких удельных норм потребления природных ресурсов, их 
комплексной переработки, включая утилизацию отходов производства, использования вторичных ресурсов, а также рециклирования воды, тепла, другой 
энергии и т. п. [147]. Технологии, обеспечивающие производство продукта  
с минимально возможным потреблением топлива и других источников энергии 
(энергосберегающие технологии), а также сырья,  материалов, воды, атмосферного воздуха и других ресурсов для технологических целей, определяются термином ресурсосберегающие.  
Решение задач ресурсосбережения требует установления наиболее тесного 
соответствия между реальным пределом природно-ресурсного потенциала  
с одной стороны и применяемыми технологиями извлечения и переработки ресурсов ² с другой. Пригодность сырьевого ресурса для производства необходимого целевого продукта определяется концентрацией в нем тех или иных соединений или отдельного компонента.  
Основным показателем использования сырья (энергии, вспомогательных 
материалов) является расходный коэффициент, показывающий количество  
затраченного сырья (энергии, вспомогательных материалов) на производ- 
ство единицы продукции. Различают теоретический расходный коэффициент, 
определяемый из стехиометрического уравнения химической реакции образования продукта из исходных веществ при полном их превращении,  
и практический (или расходный коэффициент), то есть реально достигнутый 
в производстве [8]: 
 
.
Количество затраченного сырья
Расходный коэффициент
Количество продукции
 
 
 
Их отношение показывает степень использования сырья: 
 
Теоретический расходный коффициент
Степень использования сырья
Расходный коэффициент
 
 . 
 
Основными причинами различия теоретического и реального расход- 
ных коэффициентов являются: неполнота превращения исходного вещества  
5 
 

в продукт и выделения продукта; образование побочных веществ; потери  
промежуточных компонентов и продукта; наличие в сырье примесей; использование части сырья на вспомогательные цели.  
Любой технологический процесс переработки сырья представляет собой 
совокупность методов и средств, включающих последовательность механических и физико-химических операций (дробление, химическая и термическая 
обработка и т. д.), в результате которых сырье превращается в готовый продукт, 
необходимый обществу. Обычно технологический процесс организуется так, 
чтобы обеспечить получение основного продукта должного качества. Содержащиеся в исходном сырье попутные продуктытранспортируют в отвалы,  
что ведет к изменению их технических характеристик. В процессе такой хозяйственной деятельности происходит истощение месторождений высококачественного сырья и исчерпание физико-химических возможностей природной 
среды, что приводит к нежелательным изменениям в ней (сдвигу экологического равновесия и т. п.).  
В большинстве производств затраты на сырье составляют значительную 
часть себестоимости продукции. Основной задачей ресурсосбережения является максимальное превращение сырья в используемые продукты. Для решения 
такой задачи применяются различные технологические и технические решения, 
включающие выбор процесса, обеспечивающего комплексное использование 
сырья, организацию комбинированного производства, поиск и использование 
альтернативных источников первичного сырья, утилизацию отходов [32, 34, 98, 
100, 105, 119, 136, 144]. Утилизация отходов позволяет получить дополнительные полезные продукты из не прореагировавших исходных веществ и из 
примесей, имеющихся в сырье и называемых попутными продуктами сырья,  
а также из побочных продуктов реакции, практически всегда образующихся 
вместе с целевым продуктом. При этом необходимым условием ликвидации отходов путем переработки их в товарную продукцию является выполнение 
научных исследований, создание и промышленная реализация эффективных 
технологий. 
Особенно важна минимизация использования исчерпаемых невозобновимых природных ресурсов минерального происхождения. Как известно, минеральное сырье представляет собой сложную смесь, состоящую из различных 
соединений, включений и т. д. Рациональное использование минерального сырья включает два самостоятельных направления [9]: 
x комплексное использование сырья путем разработки новых, замкнутых 
технологических схем на проектируемых предприятиях с полным использованием всех (попутных, побочных) продуктов на основе современных достижений науки и технологий; 
6 
 

x использование отходов промышленности, накапливающихся в отвалах 
и представляющих собой техногенное сырье, переработка которого 
требует дополнительных средств.  
Количественно это может быть описано общим уравнением баланса по 
сферам производства и потребления (по П. П. Пальгунову, М. В. Сумарокову) [66]: 
 
(1
)
,
m
R
A
S
S
 


 
 
где   R ² расход природных ресурсов, кг/с;  
А ² образующееся в сферах производства и потребления количество отходов, кг/с;  
Sm ² средний коэффициент использования отходов, кг/кг;  
S ² количество веществ, накапливающихся в сферах производства, кг/с. 
Снижение удельного неиспользуемого количества отходов производства  
(1
)
m
A
S

 и тем самым удельного расхода природных ресурсов возможно за счет 
уменьшения образующегося удельного количества отходов производства А или 
за счет повышения коэффициента использования отходов Sm. 
Выбор одного из путей зависит как от технологических возможностей, так 
и от экономических условий. Методологической основой выбора направления 
использования отхода является системный подход, включающий выявление 
факторов, определяющих его складирование в отвалах и накопителях, и анализ 
научно-обоснованных и используемых в производственной практике технологий переработки и обезвреживания. Выбор направления использования отходов 
проводят в зависимости от их химического состава, влажности, дисперсности, 
технических условий образования, реакционной активности входящих в их состав компонентов, плотности и других физических и механических характеристик. Основными параметрами при выборе направления использования отхода, 
характеризующими его как сырьевой ресурс, являются химико-минералогический состав, агрегатное состояние, объем образования. 
Изучение техногенного минерального сырья, оценка и разработка рациональных технологий его переработки включает, как правило, прохождение следующих основных этапов: 
x определение его физических характеристик и количественный химический анализ состава; 
x оценку соответствия определяемых основных физических свойств  
и химических показателей промышленных отходов требованиям санитарно-гигиенических нормативов и технологических норм в зависимости от предполагаемого направления их использования; 
7 
 

x проведение анализа и систематизации сырья по составу главных и сопутствующих минералов;  
x создание банка термодинамических характеристик отдельных соединений, реакций, процессов (применительно к технологическим схемам); 
x выбор реагентов и возможных направлений переработки сырья на основе физико-химических и термодинамических данных для основного минерального компонента и сопутствующих ему примесных минералов; 
x формирование требований к концентрату по содержанию примесных 
минералов; 
x оценку оптимальных направлений переработки сырья с получением 
необходимых целевых и попутных продуктов; 
x оценку аппаратурно-технологической схемы предполагаемого производства и предварительный выбор аппаратуры; 
x определение областей использования и утилизации попутно получаемых продуктов и возможности расширения их номенклатуры в зависимости от потребностей, в том числе, и особенно, в смежных областях 
промышленности региона; 
x прогнозирование потребностей в получаемых продуктах ближайших 
регионов и страны в целом, определение возможности экспорта продукции; 
x предварительную технико-экономическую оценку технологии на основе результатов лабораторных исследований и корректировку экономических показателей на последующих стадиях; 
x проведение опытно-промышленных испытаний с наработкой представительных партий целевых продуктов и оценку их специализированными организациями и потенциальными потребителями; 
x выполнение технико-экономического обоснования (ТЭО) создания 
промышленного производства. 
Технология переработки техногенного сырья, как и любого другого, базируется на фундаментальных законах химии. Накопленный опыт по переработке 
техногенного минерального сырья позволил выработать основные правила  
и принципы химической технологии для нетрадиционного сырья, частично 
описанные в [8, 10, 66, 122, 132] и других работах. Любая создаваемая технология должна соответствовать принципам технологической, экологической,  
экономической целесообразности и возможности решения социальных вопросов региона. Определяющее значение при выборе технологии переработки техногенного минерального сырья имеют его состав и количество. Технология 
должна быть осуществима на доступном оборудовании в рекомендуемых 
8 
 

условиях конкретного предприятия. При этом она в выбранном масштабе имеет 
положительные экономические показатели и характеризуется низким уровнем 
загрязнений. Применению отхода в технологии должна предшествовать подготовка, направленная преимущественно на усреднение и гомогенизацию состава  
до уровня минерального сырья. Обычно показатели неоднородности состава 
отходов выше таковых у природного полиминерального сырья. Первичная подготовка переводит отход в категорию техногенного сырья. Большинство известных вариантов схем переработки техногенного сырья включают операции 
его разложения и последовательного выделения групповых концентратов  
и продуктов более глубокой переработки. Важной особенностью разрабатываемых технологических схем переработки техногенного сырья является уменьшение количества отходов, а также ресурсосбережение и обеспечение экологической безопасности схем.  
Наиболее изученным и распространенным способом переработки техногенного минерального сырья традиционно является использование его в строительных технологиях, что обусловлено простотой их аппаратурного оформления, доступностью и дешевизной реагентов, относительно невысокими требованиями к содержанию в сырье примесей. В отличие от других отраслей промышленности, использующих технологии, ориентированные на выпуск не только 
продукции, но и отходов, строительная промышленность является многотоннажным их потребителем. На разных этапах решения проблемы рационального 
использования техногенного минерального сырья в производстве строительных 
материалов ведущую роль играла наука. На основе теоретических разработок и 
результатов исследований Ю. М. Баженова, П. И. Боженова, А. В. Волженского, 
В. С. Грызлова, О. Л. Дворкина, П. Г. Комохова, Е. М. Чернышова и других ученых накоплен опыт и созданы технологии в строительной индустрии по вовлечению техногенного сырья с оптимальными материальными и энергетическими 
затратами.  
Минеральная сырьевая база производства строительных материалов  
в настоящее время складывается из двух видов сырья: природного и техногенного. По многообразию и масштабам использования природного минерального 
сырья в промышленности строительных материалов его условно разделяют  
на три группы [10]: 
x сырье многоцелевого использования с большими объемами потребления (глины и глинистые породы, карбонатные породы и пески); 
x сырье преимущественно двухцелевого назначения с меньшим объемом 
потребления (гипс, тальк, кремнистые и вулканические пористые  
породы, вулканические водосодержащие стекла и стекловидные породы, полевошпатовые породы); 
9 
 

x сырье преимущественно одноцелевого назначения (асбест, шунгитовые 
породы, вермикулит, волластонит, бокситы и др.). 
Расширение сырьевой базы строительных материалов путем использования техногенного минерального сырья является важной технологической  
и экономической задачей. Это обусловлено, прежде всего, тем, что большая 
часть добываемых пород из недр земли используется как строительные материалы. Технология минеральных строительных материалов в известной ме- 
ре имитирует процессы, происходящие в недрах земной коры. Многие строительные материалы по химическому и минеральному составу и структуре аналогичны цементированным горным породам (песчаникам, конгломератам  
и брекчиям), что определило применение в строительном материаловеде- 
нии термина «искусственные строительные конгломераты». Так, природным 
горным породам соответствуют следующие искусственные строительные материалы [118]: 
x магматическим горным породам и слагающим их ассоциациям минералов ² каменное литье, различные стекла, ситаллы, плавленый абразивный корунд, плавленый глиноземистый цемент, металлургические 
шлаки и другие продукты техногенного пирогенеза; 
x метаморфическим горным породам ² цементный клинкер, огнеупорные динас и шамот, шпинельная керамика, фарфор и другие продукты 
техногенного термометаморфизма; 
x осадочным породам ² бетоны, цементные растворы, силикатный кирпич, автоклавные изделия и другие продукты техногенного диагенеза. 
Химический состав горных пород определяется содержанием в основном 
двенадцати главных оксидов, среди которых преобладают кремнезем и оксид 
алюминия, оксиды железа и некоторые щелочноземельные и щелочные оксиды 
(оксиды кальция, магния, натрия, калия). Для большинства продуктов технологии минеральных строительных материалов характерны, хотя и в иных соотношениях, те же главные оксиды (табл. 1) [25, 112, 118].  
Основным сырьем промышленности минеральных строительных материалов (табл. 1) являются осадочные породы: в них содержится примерно 70 мас.  
глин, около 20 мас.  песков и песчаников, 5 мас.  карбонатов [118]. 
Состояние природной сырьевой базы строительных материалов оценивается по балансу местных месторождений (области или региона). По причине низкой цены и высоких транспортных расходов строительные материалы добывают только вблизи от места потребления. Экономически выгодное расстояние 
транспортирования не превышает 30 км. Кроме того, в пределах одного месторождения кондиционность сырья колеблется и при выработке месторождений 
10