Комплексное использование сырья и отходов : переработка техногенных отходов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


№ 1931

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


             МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ





                МИСиС





  Кафедра металлургии цветных, редких и благородных металлов


            В.К. Кулифеев
            В.П. Тарасов
            А.Н. Кропачев





                Комплексное использование сырья и отходов




 Переработка техногенных отходов


            Курс лекций



  Под редакцией зав. кафедрой В.В. Миклушевского



  Рекомендовано редакционно-издательским советом университета






Москва Издательский Дом МИСиС 2009

УДК 669.21.8.0.54.8 K90



Рецензент
д-р техн. наук, проф. Ю.С. Юсфин




     Кулифеев В.К., Тарасов В.П., Кропачев А.Н.
К90 Комплексное использование сырья и отходов: Переработка техногенных отходов: Курс лекций. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. - 91 с.

         ISBN 978-5-87623-249-6




          Рассматриваются экономические, экологические и этические вопросы деятельности людей в области переработки и утилизации отходов металлургических предприятий, редких и радиоактивных металлов, а также радиоактивных отходов (ОЯТ) атомных электростанций.
          Предназначается для студентов, обучающихся по направлению 150100 «Металлургия», профиль 150102 «Металлургия цветных металлов», а также может быть полезен аспирантам и научным сотрудникам.


УДК 669.21.8.0.54.8


















ISBN 978-5-87623-249-6

              © Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС), 2009

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие.....................................................5
1. Общие сведения о техногенных ресурсах........................6
  Вопросы для самопроверки .................................... 9
2. Техногенные отходы атомной промышленности.................. 10
  2.1. Конверсионные процессы переработки гексафторида урана . 16
  2.2. Использования оружейного плутония.......................21
  23.  Переработка отработанного ядерного топлива - ОЯТ..........25
  Вопросы для самопроверки ...................................... 34
3. Техногенные отходы при производстве РЗМ .............. 36
  3.1. Редкоземельные металлы..................................36
  3.2. Ториевые отходы как источник нового делящегося материала .38
    3.2.1. Переработка сульфатно-фосфатных растворов ............ 39
    3.2.2. Переработка растворов, не содержащих фосфат-ион ......44
  Вопросы для самопроверки ................................... 46
4. Отходы РЗМ при производстве фосфатных удобрений ............47
  4.1. Извлечение РЗЭ из фосфогипса ...........................50
  4.2. Получение редкоземельных концентратов при азотнокислом вскрытии апатитов ............................. 52
  Вопросы для самопроверки ................................... 54
5. Техногенные отходы в технологии лития ..................... 55
  5.1. Технология получения литиевой продукции ............... 57
  5.2. Получение металлического лития..........................60
  5.3. Переработка техногенных литиевых отходов................62
  Вопросы для самопроверки ................................... 70
6. Отходы тепловых электростанций как техногенное сырье для получения редких металлов..................................71
  Вопросы для самопроверки ................................... 77
7. Экологические и экономические проблемы при обезвреживании отходов.........................................78
  7.1. Обезвреживание и утилизация сульфатных растворов и оксидов серы .................................................. 79
  7.2. Обезвреживание и утилизация азотнокислых растворов и
  оксидов азота (NOₓ)............................................82
  7.3. Обезвреживание и утилизация фтороводородных кислых растворов и газов, содержащих HF или F₂ .................... 85
  7.4. Обезвреживание и утилизация солянокислых растворов
  и газов, содержащих HCl или Cl2 ............................ 86
  Вопросы для самопроверки ................................... 89
Заключение.....................................................89
Библиографический список.......................................90

3

SJlOlJltll

ш -Че jiotoeHcantteo jS' '          JcntllJl'

Покажем, что у человечества есть способы загнать его обратно

4

        Предисловие

   В 2002 году Министерством образования Российской Федерации для металлургических специальностей высших учебных заведений был введен обязательный курс «Использование техногенных ресурсов». Введение этого курса диктовалось как экономическими, так и экологическими соображениями. Постепенно истощаются богатые месторождения с высоким содержанием ценных элементов. В разработку вводятся месторождения более бедные по ценным компонентам, что значительно увеличивает себестоимость получаемых металлов. В то же время на горно-металлургических и химических предприятиях накоплены отвалы, содержание ценных компонентов в которых иногда уже сопоставимо с содержанием их во вновь разрабатываемых бедных месторождениях. Накопленные отвалы занимают значительные площади и представляют определенную экологическую опасность для людей и окружающей природной среды.
   Следует особо отметить, что в связи с быстрым развитием ядер-ной энергетики остро стоит вопрос об утилизации и обезвреживании отработанного ядерного топлива (ОЯТ).
   Данный курс лекций предназначен для студентов направления 150100 «Металлургия», профиль 150102 «Металлургия цветных металлов».

5

        1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОГЕННЫХ РЕСУРСАХ

   Еще более двух веков назад Мальтус впервые выдвинул положение об исчерпаемости природных ресурсов и их влиянии на развитие цивилизации. Его учение о народонаселении и необходимости регулирования рождаемости привело в наше время к разработке основополагающей стратегии устойчивого развития, цивилизации. При этом все большую роль приобретают такие факторы развития, как ресурсосбережение, энергосбережение, экологические и социальные проблемы и др.
   Мир перманентно находится во власти различного рода кризисов, и для их преодоления нужна выработка новой концепции развития общества, научный подход к анализу ситуации в современном мире. Впервые в нашей стране научный подход к этим проблемам предпринят коллективом авторов учебника под руководством Ю.С. Юс-фина [1].
   Принято считать, что население земного шара в настоящее время удваивается каждые 50 лет. За это время потребление энергии увеличивается в 20 раз. На V Байкальском экономическом форуме 9 сентября 2008 года отмечалось, что 2030 году потребление энергии в мире вырастет на 60 %.
   По подсчетам ученых к 2050 году на земле будет жить примерно 10 млрд человек и им понадобится приблизительно 20 ТВт энергии.
   Рост энергопотребления должен сопровождаться увеличением вводимых мощностей по производству энергии. А это предполагает бурное развитие многих отраслей промышленности, в том числе топливной и горнорудной. Если промышленное производство удваивается каждые 12-15 лет, то горнорудное - каждые 8-10 лет. Из горнорудной массы за счет вскрышных и проходческих работ используется не более 30...40 %, остальное идет в отвалы. В силу малого содержания в рудах ценных компонентов, особенно для редких металлов, в цикл потребления вовлекается 2...3 % содержимого добываемых рудных масс. Исключением служит производство строительных материалов, где используется до 80...90 % добываемых материалов.
   Нельзя сбрасывать со счетов и несовершенство существующих технологий, при которых только часть добываемых элементов воплощается в изделия и используется в сфере потребления. Так в черной металлургии сквозное извлечение от руды до проката составляет

6

менее чем 60 %. Только в прокатном производстве расходный коэффициент не превышает 10...15 %.
   С экономической точки зрения стоимость минерального сырья составляет не менее 70 % стоимости всех природных ресурсов, используемых обществом. Во всем мире в настоящее время добывается примерно 10¹¹ т минерального сырья в год, т.е. больше 20 т на человека.
   В Российской Федерации до перестройки только горными и металлургическими предприятиями ежегодно выбрасывалось в отвалы более 3 млрд т твердых отходов. Например, при получении 1 т глинозема в отвалы сбрасывалось от 1 до 1,25 т красных шламов. При работе промышленных предприятий в атмосферу выбрасывалось около 9 млн т газообразных и твердых веществ, в водоемы сливалось более 1500 млн м³ неочищенных стоков. Принято считать, что при переработке 1 т полезных ископаемых расходуется не менее 10 м³ воды, причем очистке подвергается не более 10 %.
   В результате ведомственной разобщенности в СССР игнорировались критерии комплексности использования добываемого сырья. В Федеральной программе (1995 г.) отмечалось, что при производстве чугуна и стали практически не извлекались содержащиеся в рудах цветные, редкие и благородные металлы, которые вместе со шламами и шлаками отправлялись в отвалы. В цветной металлургии практически не извлекалось и полностью терялось до 10 тыс. т железа в год. В результате такого подхода в хвостохранилищах горнообогатительных комбинатов в РФ было накоплено около 750 млн т железа и 50 млн т цветных металлов.
   Еще в 1998 году на Международном симпозиуме «Стратегия использования и развития минерально-сырьевой базы редких металлов России в XXI веке» отмечалось, что после распада СССР страна почти полностью лишилась источников таких стратегически важных элементов, как хром, марганец, титан, цирконий, стронций. Значительно сократился сырьевой потенциал по золоту, урану и алюминию. И хотя геологические исследования подтверждают наличие этих элементов в недрах России, залегают они в труднодоступных, малоосвоенных регионах страны.
   Кроме того, для этих руд еще нет разработанных технологий их переработки. Поэтому для освоения таких месторождений требуются значительные капиталовложения. Следует отметить, что переход к рыночным отношениям привел к переоценке запасов полезных ископаемых. Оказалось, что рентабельных запасов стало меньше на 30...70 % .

7

   Также необходимо принять во внимание, что новые разрабатываемые горизонты или новые месторождения содержат меньший процент полезных элементов, что еще больше увеличивает выход отвалов на единицу выпускаемой продукции.
   Следует отметить и экологический аспект затронутой проблемы отходов и техногенных ресурсов. Постоянное увеличение добычи полезных ископаемых из недр приводит к увеличению количества вредных элементов, таких как кадмий, медь, никель, свинец, цинк, уран, торий и другие, на поверхности земли. Большой экологический вред наносит природе производство энергии при сжигании углей. При ежегодном сжигании 2,4 млрд т каменного и 0,9 млрд т бурого угля с золами в биосферу поступает 280 тыс. т мышьяка и десятки тысяч тонн урана (объемы их промышленного производства - на порядок меньше).
   Под отвалами задалживаются значительные площади. Ветры и воды разносят вредные составляющие далеко от мест складирования. С развитием атомной энергетики остро встал вопрос о захоронении радиоактивных отходов.
   В силу всего изложенного перед человечеством стоят задачи разумно решать эти проблемы, вовлечь в промышленный оборот шламы и отвалы, обезопасить Землю от грядущих экологических потрясений.
   Техногенные ресурсы можно разделить на две категории. К первой категории относятся ресурсы вторичного сырья. Это то, что остается при получении основной продукции, и то, что можно вернуть обратно в основное производство. Это отходы металлов после механической обработки различного типа, тара, стекло, пластмасса, бумага и т.д. Такое сырье с большей или меньшей степенью эффективности уже перерабатывается.
   Вторая категория - это техногенное сырье, которое на данный момент мы не можем использовать. Говоря словами Д.И. Менделеева, «...в промышленности нет отходов, а есть сырье, не нашедшее своего хозяина». Поэтому задача нового поколения инженеров заключается в поиске путей и методов переработки таких видов техногенного сырья.
   На рис. 1.1 представлена обобщенная схема образования отходов в производстве, из которой видно, что при реализации любой технологической схемы производства образуются твердые, жидкие и газообразные отходы. Задача инженера состоит в том, чтобы максимально обезвредить эти отходы, обеспечить защиту окружающей среды и при этом получить отходы, пригодные для длительного хранения или для использования в качестве техногенного сырья.

8

    Природное сырье Вторичное сырье



Товарный продукт

    Произ&одст&о




                I




    Отходы      -

Вода
Реагенты

I

     Жидкие   Газообразные

Реагенты


         Обезвреживание ( переработке)



Газобые быбросы^^"

Сточные боды---------
        Шламы, кеки ---------------

Сброс или переработка на техногенное сырье

Рис. 1.1. Схема образования отходов в производстве

   Как уже отмечалось, техногенные отходы весьма разнообразны, в них встречается практически весь спектр элементов периодической системы. Следовательно, в одном небольшом лекционном курсе невозможно отобразить все их многообразие, все возможные технологические схемы их переработки. Поэтому в настоящем пособии будут рассмотрены только те металлы, технология производства которых рассматривается в курсах по специализации, в частности «Металлургия радиоактивных и редкоземельных металлов».

        Вопросы для самопроверки

   1. К каким проблемам приводит рост народонаселения?
   2. Какие проблемы вызывает рост энергопотребления?
   3. Перечислите основные проблемы природопользования.
   4. Укажите две категории техногенных ресурсов.
   5. Опишите обобщенную схему образования техногенных отходов.


9

        2. ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЫ АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

   Как уже отмечалось, во всем мире наблюдается рост производства и потребления энергии. Основная доля производства энергии в настоящее время приходится на ископаемое топливо, запасы которого небезграничны. Рост потребления энергии за счет использования органического топлива приводит к его удорожанию и, что важно в настоящее время, - к повышению уровня загрязнения окружающей среды. Есть ли альтернатива этому положению, имеются ли на земле возобновляемые источники энергии и каковы перспективы их использования? К основным возобновляемым источникам энергии можно отнести следующие:
   1.   Энергия отливов и приливов. Во Франции в устье реки Ранс имеется работающая станция мощностью 240 кВт. В России в 2005 году после 10-летнего перерыва вновь запущена приливная станция в Кислой губе на побережье Баренцева моря мощностью 400 кВт. Разрабатываются проекты строительства одной приливной станции в Белом море и двух - в Охотском. Планируется, что на Мезенской ПЭС в Белом море будет запущен блок мощностью 10 МВт. Только Кольский залив и побережье Охотского моря могут дать порядка 100 ГВт энергии приливных электростанций.
   Стоимость 1 кВ'Тч энергии, вырабатываемой на приливных станциях, составляет 0,13.0,50 руб. Прогнозируется, что со временем общемировая доля такой энергии может составить около 15 %.
   2.   Солнце может быть неиссякаемым источником возобновляемой энергии. Солнечные батареи для бытовых нужд уже используются в Японии, Европе и США. Доля солнечной энергии в России к 2025 году должна составить 2,5 %, к 2040 году - 16 %. Пока стоимость 1 кВт^ч составляет 5.10 руб.
   3.   Геотермальная энергия стоит значительно дешевле (4.5 руб. за 1 кВ"тч). Геотермальная энергия наиболее широко используется в Японии, США, Мексике и в России на Камчатке. В мировом балансе геотермальная энергия составляет не более 1 %, причем доля России по этому виду энергии - 10 %.
   4.   Еще дешевле обходится энергия ветра (2.2,5 руб. за 1 кВт^ч), при мировом использовании также около 1 %. В мире по данным на 2008 год находилось в эксплуатации более 50 тыс. ветроэлектриче

10