Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Условия формирования твердых горючих углеродсодержащих отходов горного производства, их хранение, основные направления утилизации и использования 10
1.1. Отходы угольной и сланцевой промышленности 12
1.2. Отходы торфяной промышленности 22
1.3. Отходы лесной промышленности 24
1.4. Отходы вспомогательных производств 25
1.5. Направления утилизации твердых горючих углеродсодержащих отходов 31
Выводы к главе 1 46
Глава 2. Анализ основных направлений утилизации и использования резинотехнических отходов горного производства 48
2.1. Нормативно-правовая база, регламентирующая движение потоков и использование резиносодержащих отходов 48
2.2. Измельчение утильной резины, получение и использование резиновой крошки 50
2.3. Производство регенерата 69
2.4. Пиролизный способ переработки твердых горючих углеродсодержащих отходов 73
2.5. Обзор нетрадиционных методов переработки резиновых отходов 87
Выводы к главе 2 90
Глава 3. Совершенствование процесса утилизации изношенных автомобильных покрышек 92
3.1. Аппаратурно-технологические решения 92
3.2. Физико-химические свойства утильной резины 101
3.3. Физико-химические основы процесса пиролиза резины в среде газообразного теплоносителя 107 3
3.4. Исследование влияния различных факторов процесса на скорость протекания пиролиза 111
3.5. Исследование влияния теплоносителя на характер протекания процесса 124
3.6. Исследование влияния температуры ведения процесса на выход, состав и свойства продуктов 132
3.7. Подбор оптимальной температуры ведения процесса 138
Выводы к главе 3 141
Глава 4. Эколого-экономическая оценка реализации проектов по утилизации и переработке твердых горючих углеродсодержащих материалов 144
4.1 Оценка предотвращенного экологического ущерба 144
4.2. Оценка экономической эффективности проекта по утилизации отработанных автомобильных покрышек 147
4.2.1. Анализ рынка конечных продуктов процесса утилизации отработанных автомобильных покрышек 147
4.2.2. Оценка доходности инновационного проекта 154
4 .3. Оценка экономической эффективности пиролизных производств по утилизации отходов сланцевой промышленности 159
Выводы к главе 4 162
Заключение 163
Библиографический список 171
Приложение 1. Акт внедрения результатов диссертационной работы 1
Введение к работе
Актуальность работы. В России в настоящее время сложилась критическая ситуация с переработкой вторичных ресурсов, в частности неутилизи- рованных твердых отходов горного производства, масса всех видов которых составляет около 45 млрд. т, а под складирование занято более 250 тыс. га земель. Резиносодержащие отходы, в том числе изношенные автомобильные шины, составляют относительно небольшую долю (1-2 %), однако вовлечение их в производственный цикл даёт возможность использования ценных веществ, получение которых из природного сырья весьма дорого, трудоемко и зачастую экологически небезопасно. Объективными предпосылками использования данного вида отходов являются: необходимость сохранения природно-ресурсного потенциала; замена первичных ресурсов вторичными; значительный экономический потенциал, заключённый во вторичных ресурсах.
Не менее важной народнохозяйственной задачей является повышение эффективности переработки малокалорийных твердых горючих углеродсо- держащих материалов, использование энергетического потенциала которых в настоящее время идёт в основном по пути их прямого сжигания в целях получения энергии, что уже признано нерациональным, экономически неэффективным и экологически опасным.
В связи с этим очевидна актуальность работ, направленных на разработку экологически рациональных процессов, максимально вовлекающих в производственные циклы вторичные ресурсы и оказывающие минимальное воздействие на окружающую среду.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями в области механической и термической переработки твердых горючих углеродсодержа- щих материалов (уголь, сланец, торф) и отходов (отходы добывающих отраслей, резино-технические отходы) в разное время занимались В.М. Макаров, Б.Н. Оладов, С.Р. Иванов, С.П. Гориславец, Ю.В. Шувалов, Ю.А. Нифонтов, W. Kaminsky, H. Sinn, P.T. Williams, S.L. Madorsky и другие учёные. В основном исследования были направлены на получение топлива из вторичных ресурсов, что не позволяло использовать их как ценное химическое сырье. В ряде случаев рассматривались также отдельные вопросы пиролитической переработки отходов, однако в настоящее время отсутствуют рациональные технические решения по утилизации резиносодержащих отходов с эффективным использованием ценных свойств покрышечной резины и получением конечных продуктов высокого качества.
Цель работы - ресурсосбережение твердых горючих углеродсодер- жащих материалов и отходов горного производства и снижение их негативного воздействия на окружающую среду.
Идея работы - в обосновании внедрения новых технологий переработки и утилизации твердых горючих углеродсодержащих отходов горного производства с учетом эколого-экономической оценки их эффективности.
Задачи исследований:
• анализ мировых и российских тенденций в области образования и накопления горючих твердых углеродсодержащих отходов горного производства;
• анализ и оценка современных технологий вторичного использования и утилизации горючих твердых углеродсодержащих отходов;
• обоснование рациональности использования пиролизной технологии переработки резиносодержащих отходов;
• исследование химических и технологических основ процесса пиролиза резиносодержащих отходов с учетом повышения экологической безопасности предлагаемой технологии;
• сравнительная экономическая оценка существующих способов, средств и технологических решений в области переработки вулканизатов, получения активированных углей и других конечных продуктов. Научная новизна исследований:
• установлены закономерности экологических и экономических показателей деятельности предприятия по переработке резиносодержащих отходов от технологических параметров производства;
• выявлены закономерности производства промежуточного продукта - технического углерода от свойств исходного сырья и параметров процесса производства;
• определены рациональные экономические параметры комплекса по переработке резиносодержащих отходов и производства конечных товарных продуктов.
Защищаемые научные положения:
1. Перспективным направлением переработки твердых горючих угле- родсодержащих материалов как с экологической, так и с экономической точек зрения является пиролиз, позволяющий получать из малоэффективных топливных материалов высококачественные химические продукты товарного качества.
2. Разработанная технология получения конечного продукта переработки резиносодержащих отходов со специальными добавками позволяет обеспечить заданные физико-механические свойства гранулированного материала при строгом поддержании установленных на основе исследований параметров технологического процесса производства активного угля.
3. Облагороженные продукты технологического процесса утилизации отработанных вулканизатов на базе пиролиза в среде газообразного теплоносителя, прошедшие циклы подготовки, смешивания, формования и сушки, могут быть экономически и экологически эффективно использованы в виде полуфабрикатов (технический углерод, смола пиролиза) и конечных продуктов (пластификатор, активный уголь) для очистки сточных вод и в других целях, обеспечивая потребности в подобных продуктах взамен получаемых из природного сырья.
Методы исследований. Обзор и анализ исследований отечественных и зарубежных авторов, разработка теоретических положений и создание на их основе рациональных технологических решений были сделаны при комплексном использовании теоретических и экспериментальных методов исследования, экспериментов в производственных условиях. Решение ряда задач по обоснованию внедрения новых технологий переработки и утилизации твердых горючих углеродсодержащих отходов горного производства стало возможным благодаря известным достижениям аналитической, физической химии, не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, математическая статистика, теория оптимизации и планирования эксперимента.
Практическая значимость работы:
° обоснована рациональность использования пиролизной технологии переработки твердых горючих и резиносодержащих отходов;
° предложена экономичная, экологически безопасная и эффективная технология утилизации резинотехнических отходов горной промышленности на основе пиролиза, позволяющая получать конечные продукты высокого качества;
° разработаны технические и технологические решения по аппаратурному обеспечению комплекса по утилизации резинотехнических отходов;
° сделана оценка эколого-экономической эффективности проектов по утилизации отработанных автомобильных покрышек и переработки высокосернистого сланца на базе пиролизных технологий.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическим анализом, аналитическим решением и лабораторной проверкой эффективности предложенной технологии и аппаратов, согласованностью теоретических расчетов и экспериментальных исследований; положительным результатом лабораторных и промышленных испытаний разработанных технологий и оборудования. Результаты эксперимента и испытаний анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.
Реализация результатов работы. Выполненные теоретические и практические разработки легли в основу эффективной технологии переработки изношенных автомобильных покрышек, осуществляемой по пат. № 2142357 РФ, и были внедрены на ОАО НИИ «Техуглерод» (г. Ярославль). Основные выводы и положения диссертации использованы в учебном процессе при чтении курсов лекций по дисциплинам «Экология», «Инженерная экология», «Горное дело и окружающая среда».
Апробация работы. Основные результаты исследований и рекомендации докладывались и обсуждались на: 1-ой Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (Тула, 1996); конференции, посвященной 50-летию Тульского общества охраны природы (Тула, 1996); 1-ой Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности (Тула, 1997); Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в экологии" (Воронеж, 1998); 2-ой Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности (Тула, 1998); Международной конференции "Перспективы совершенствования производства экстракционной фосфорной кислоты" (Тула, 1998); Международной конференции "Цивилизованный бизнес как фактор устойчивого развития России" (Москва, 1998); 4-ой Международной конференции "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (С.-Петербург, 1999); конкурсе бизнес идей «Молодые, дерзкие, перспективные» в рамках 4 ярмарки-презентации инвестиционных проектов «Весь спектр частной инициативы» (Санкт-Петербург, 1999); IV Международном симпозиуме молодых учёных, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (Москва, 2000); научно-методической конференции «Уголь в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2000); научных чтениях МАНЭБ «Белые ночи» (Санкт-Петербург, 2000); 11 Международной конференции молодых учёных «Человек. Природа. Общество. Актуальные проблемы» (Санкт-Петербург, 2000); Conferencia internacional de aprovechamiento de recursos minerals "INAREM" (Cuba, 2000); научно- методической конференции «Формирование системы непрерывного экологического образования» (Воронеж, 2001); Международном научно- практическом форуме молодых учёных «Проблемы устойчивого развития общества глазами молодёжи. На пути к Всемирному саммиту Рио+10» (Москва, 2001); 2-ом Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука - третье тысячелетие» / YSTM 02 (Москва, 2002).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 статьях, 19 тезисах докладов.
Автор выражает благодарность за неоценимую помощь и консультации в написании диссертации профессору, доктору технических наук Н.И. Володину и профессору, доктору технических наук Ю.В. Шувалову, сотрудникам кафедры ЭА и ОТ СПГГИ, специалистам Ярославского НИИ «Те- хуглерод».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 234 наименований и 2 приложений, содержит 188 страниц машинописного текста, 40 таблиц, 30 рисунков. В приложении включены документы, подтверждающие практическое использование и внедрение результатов работы.
