CC BY
126
УДК 660
Акаев Олег Павлович
доктор технических наук Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова
akaev@list.ru,
Войнаровска А., Желязны С.
кандидат технический наук,
Жуковски В.
доктор технический наук Краковский политехнический институт им. Тодеуша Костюшко
ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В статье описывается процесс термической утилизации отходов электронного электрооборудования. Установлено, что преобразования тепловой энергии отходов, газовых выбросов и выхлопных газов (N0, СО, С02, Ц10, &0) можно осуществить в результате разработки простого, экономически эффективного способа. При этом предложена технология извлечения дорогостоящих и дефицитных цветных металлов.
Ключевые слова: электронное и электрическое оборудование, реактор с кипящим слоем.
В настоящее время в мире возрастают проблемы, связанные с утилизацией огромных объемов отходов электронной и электрохимической промышленности. По отношению к количеству отходов других видов деятельности человека их объем составляет 3-5% [1]. Считается, что только в государствах Евросоюза ежегодно производится в год 10,3 млн. тонн новых электронных и электрических приборов. Предполагают, что до 2020 года общее количество отходов, образующихся из отработанных приборов этих отраслей, достигнет величины 12,3 млн. тонн [2].
Возрастающее количество этих отходов связано, прежде всего, с постоянно развивающимися технологиями и желанием располагать новыми, более современными техническими изделиями. Основной проблемой является утилизация отработанных электрических и электронных приборов. Складируемые использованные приборы негативно влияют на здоровье людей и окружающую среду. Это связано с тем, что в состав материалов приборов входят тяжелые металлы, а также органические соединения, которые приводят к стойким загрязнениям окружающей среды.
Ввиду сильно различающегося состава этого типа отходов, необходимо организовать их селективный сбор и утилизацию, что является очень актуальным в настоящее время.
Переработка отработавших свой срок приборов электронной и электрохимической промышленности должна быть прибыльной. Это может быть достигнуто путем снижения объемов этих отходов, утилизации энергии, аккумулированной в химических связях горючих компонентов, а также утилизации цветных металлов, содержащихся в отходах.
Для наглядности химического разнообразия компонентов только одного из утилизируемых частей приборов - электронной платы принтера - приведем ее химический элементный состав.
Списанное оборудование электронной и электротехнической промышленности содержит множество элементов, которые можно разделить механическим способом (стальные конструкционные элементы, пластмассовый корпус и т.д.).
В настоящее время практически каждый вид прибора содержит электронные платы, что вызвано применением более сложных конструкций их схем.
Таблица 1
Химические элементы, входящие в состав электрической схемы на плате принтера
Состав электрической платы принтера Содержание (% массы) Состав электрической платы компьютера Содержание (% массы)
Искусств. материал 49,8 Аи 0,083
Си 23,7 Cd 0,066
Fe 7,47 Та 0,032
Вг 4,65 Pd 0,021
РЬ 4,48 Ве 0,015
Sn 3,65 Se 0,014
№ 3,32 Се 0,008
Sb 1,83 Pt 0,006
Zn 0,747 La 0,005
0,083 0,002
8
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 2, 2012
© Акаев О.П., Войнаровска А., Желязны С., Жуковски В., 2012
Интегральные электронные платы представляют собой комбинированный материал, где все элементы соединены в определенной последовательности, обеспечивающей надежное функционирование прибора. Демонтаж различных элементов таких плат является весьма энергоемким, трудоемким процессом и не ведет к получению частей, которые могут быть использованы повторно. Сама плата, являющаяся носителем электроники (так называемый ламинат) состоит из металлических, проводящих электрический ток и изолирующих слоев. Последние состоят из искусственных материалов с неорганическими наполнителями. Разнообразные компоненты электронных плат, их функциональные электронные элементы приготовлены также из различных материалов - металлов, полупроводников, синтетических полимерных материалов.
Из-за отсутствия возможности механического демонтажа различных элементов электронных плат единственным способом их утилизации является сжигание в кипящем слое с использованием инертного носителя. Это позволяет сжечь детали из полимеров и получить негорючие элементы (металлы) в виде порошкообразного материала, из которого можно выделить их различными приемами.
Термическая утилизация отходов. Согласно положению 2001/77 Европейского Сообщества сжигание отходов должно исполнять роль возобновляемого источника энергии. Это положение приобретает все большее значение в аспекте снижения оплаты жителями коммунальных услуг за обезвреживание отходов.
Только в странах Евросоюза около 12% опасных отходов образуется после сжигания, причем в год это составляет около 22 млн. тонн в массовом выражении.
Позитивным примером может служить построенный в Великобритании завод по переработке использованного электронного оборудования. На это предприятие доставляется материал из школ, госпиталей, а также других организаций, применяющих различные электроприборы. Завод способен переработать 120 холодильников, 60 телевизоров и 6 тонн других мелких электроприборов в час. Он имеет современное оборудование, способное утилизировать приборы, которые до этого момента попадали на свалки в связи с отсутствием специального оборудования для проведения его демонтажа.
Фирма выработала концепцию, согласно которой строящиеся заводы по переработке таких отходов должны занимать минимум площадей, оказывать минимальное влияние на окружающую среду, потреблять минимум энергии [4].
Различают несколько типов термических процессов, которые могут быть использованы при утилизации отходов, например: сушка, газификация, пиролиз, сжигание. Однако принято полагать, что
сжигание является конечным этапом утилизации отходов, а другие технологии, как, например, пиролиз и газификация, являются этапами промежуточными и ведут к их термодеструкции [8].
В результате процессов газификации и пиролиза получаются продукты, которые после очистки можно утилизировать или сжечь. Однако целью термического преобразования отходов является использование их энергетического потенциала. При этом следует использовать возможно простые способы, а также способы, не влияющие отрицательно на окружающую среду. Исходя из этого принято, что наиболее рациональным методом утилизации является сжигание [3].
Типовая печь для сжигания отходов представляет собой вращающийся цилиндрический аппарат. Воздух в топку подается, как правило, снизу. За топкой располагаются камеры дожигания сырьевых компонентов. Чем больше объем камер сжигания, тем больше время пребывания в них продуктов сгорания. Однако при этом происходит повышение инвестиционных затрат на создание таких заводов. Высокая температура сжигания (особенно по отношению к так называемой температуре дожигания), а также достаточно большое время пребывания в камере дожигания являются наиважнейшими параметрами, позволяющими получить выхлопные газы, содержащие минимальное количество вредных примесей, в том числе полихлорированных диоксинов и фуранов.
В процессе сжигания важное значение имеет утилизация твердых продуктов реакции. Узлом очистки от твердых продуктов сжигания, то есть пыли, являются рукавные фильтры и электрофильтры. Рукавные фильтры, однако, выходят из строя, когда температура газов является высокой. Поэтому приходится использовать теплообменники, которые, утилизируя тепловую энергию горячих газов, служат дополнительным источником тепла.
Далее продукты горения поступают в «основной узел», задачей которого является поглощение сернистого газа. Наиболее эффективным способом поглощения сернистого газа является барботирование его через раствор гидроксида кальция. Поглощение диоксида серы по этому способу достигает 99%, а конечным продуктом является незначительное количество суспензии гипса в качестве шлама.
При протекании процесса поглощения диоксиды серы происходит частичное связывание диоксида углерода, поглощаются сопутствующие кислые продукты горения, а также соединения тяжелых металлов. Чтобы повысить эффективность очистки выделившихся газов от НС1 и НР, в технологическую схему включена стадия мокрой очистке, так называемый «кислый узел», в котором активным реагентом является гидроксид натрия.
Другой технологической операцией, которая должна быть составной частью современных заво-
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 2, 2012
9
дов по сжиганию отходов, является узел восстановления оксидов азота N0 . Эти загрязнения являются опасными ввиду того, что могут формировать вместе с другими компонентами топочных газов так называемый фотохимический «смог» и далее переходить в виде тумана в жидкую фазу (дождь, содержащий азотную кислоту). Однако в температурном интервале 850-1000° С оксиды азота редуцируются до элементарного азота [5].
Термическая переработка электрических проводов и изучение возможности извлечение из них металлов. Термическую переработку изолированных электрических проводов с элементами электроники (конденсаторы, резисторы, элементы микросхем) проводили в обогреваемом реакторе с псевдоожиженным слоем. Этот слой является той средой, которая характеризуется практически нулевым градиентом высоких температур, а также высокой степенью турбулентности газовой и твердой фаз, обеспечивающей доступ окислителя к сжигаемому материалу (особенно полимерам). Основным видом топлива, которое позволяет обеспечить постоянную высокую температуру процесса, а также постоянную динамику горения, является газ пропан-бутан. Одновременно источником тепла становятся элементы электрической схемы компьютеров, которые периодически вводятся в зону реакции в специальной жаропрочной металлической корзине. В процессе сжигания проводится постоянный мониторинг содержания газов в продуктах горения,^0х,С02 ,802), которые должны иметь низкий уровень и не превышать установленных норм [6].
Замечено, однако, что содержание оксида углерода несколько превышено. Это не создает проблем, так как процесс осуществляется в агрегате без дожигающего устройства, которое привело бы к увеличению его содержания в выхлопных газах.
Также проведены исследования, направленные на экстракцию металлов из обработанного термически материала. Для этого изучаемый материал после термообработки подвергался измельчению до размеров частиц менее 0,2 мм. При отработке технологии регенерации металлов следует соблюдать условие, при котором процесс был бы экологичным, экономичным и эффективным.
До настоящего времени в качестве экстрагирующих растворов использовали гидроксид калия (30%), а также серную кислоту (25%, 45%, 65%, 95%). Основными требованиями к экстрагентам
является то, чтобы используемые материалы были минимально токсичны для окружающей среды и не вызывали больших затрат на их приобретение. В свете изложенных требований наиболее перспективным является использование серной кислоты.
Полученный раствор, содержащий металлы, может являться непосредственным сырьем для электрохимического или металлургического их разделения.
Термическая переработка в «кипящем слое» элементов электрических приборов позволяет снизить количество отходов, токсичных для окружающей среды, а также получить тепловую энергию, которая позволяет проводить обработку в автотер-мическом режиме протекания процесса.
Термообработку можно проводить при постоянном мониторинге концентраций выделяемых газов^0х,С0,С02 ,SO2) и, таким образом, не превышать их допустимый выброс в атмосферу.
Метод сжигания дает возможность с помощью несложных технологических приемов возвращать металлы в производственные циклы и пополнить их традиционную сырьевую базу
Библиографический список
1. Divom V. Zarz^dzanie elektroodpadami w Bulgarii // Recykling. - 2009. - № l (97).
2. Funkcjonowanie i nieprawidlowosci w systemie zarzadzania zuzytym spr^tem elektrycznym i elektronicznym (ZSEE) w Polsce. Instytut Badan Nad Gospodark^. Rynkow^.. - Warszawa, Marzec, 2010.
3. Nadziakiewicz J., Waclawiak K., Stelmach S. Procesy termiczne utylizacji odpadow. Wydawnictwo Politechniki Sl^skiej. - Gliwice, 2007.
4. Pajak Т. Stan zaawansowania oraz ocena projektow // Przeglad Komunalny. - 2009. - №1, dodatek specjalny.
5. Piecuch Т. Termiczna utylizacja odpadow wdrazac czy nie? PAN Oddzial w Gdansku. -Szczecin, 1999.
6. Rozporzadzenie Ministra Srodowiska z dnia 22.04.201 lr. w sprawie standardow emisyjnych z instalacji, Dziennik Ustaw z 201 lr. Nr 62 poz. 627.
7. Sun J., Wan W., Ma C, Dong Y. Study on pyrolysis characteristics of electronic waste // Proceedings of the 2009 International Conference on Chemical, Biological and Environmental Engineering. CBEE 2009. Shandong University Janin, PR China.
8. Ustawa о odpadach z dnia 27.04.2001 r. Dz.U. z 2010 nr 185 poz. 1243.
1 0
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 2, 2012
