О.А. Федяева
Промышленная экология
Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. — 145 c.

Глава 5. Экологическая характеристика производств

5.9. Производство кальцинированной соды

Кальцинированная сода Na₂CO₃ — важный химический продукт, широко применяемый в различных отраслях народного хозяйства и быту. В мире ежегодно производится её свыше 20 млн. тонн. Во всех странах, кроме США, где имеются ее природные залежи, соду получают в основном по аммиачно-содовому процессу (метод Сольвэ), используя аммиак, поваренную соль, известняк, известковое молоко. Аммиак получают из коксохимических заводов. При обжиге известняка получают углекислоту, а после гашения водой уже обожженного известняка — известковое молоко. В основе производства кальцинированной соды лежат такие химические реакции:

NaСI + 4NН₃ + СО₂ + Н₂O = NaНСО₃ + NH₄Cl ;

2NH₄Cl + Са(ОН)₂ = 2NН₃ + СаСI₂ + 2Н₂O;

2NaНСО₃ = Na₂CO₃ + СО₂ + Н₂O.

Однако производство соды служит источником загрязнения воздуха оксидами углерода и аммиаком. Энергетические установки, работающие на сернистом мазуте, выбрасывают в атмосферу также сернистый газ, а известково-обжиговые печи являются источником загрязнения оксидами кальция и углерода. На конечном этапе производства возможно выбрасывание пыли кальцинированной соды.

При получении 1 т кальцинированной соды на конечной стадии производства образуется около 1 т хлорида аммония, раствор которого обрабатывают известковым молоком для регенерации аммиака. В результате этого выделяется дистиллерная жидкость, представляющая собой суспензию нерастворенных соединений в растворе хлоридов кальция и натрия, которую направляют в отстойники-шламонакопители, так называемые «белые моря». Они представляют собой емкости, обвалованные земляными дамбами большой высоты, и занимают большие площади. Таким образам один содовый завод «захватывает» 3-4 га земли ежегодно. Общее количество отходов содовой промышленности определяется в количестве 200 млн. м³/год. Отчуждение земли от сельскохозяйственного пользования приносит большие убытки. Кроме того, легкорастворимые соединения содовых заводов интенсивно загрязняют подземные и поверхностные воды, усиливают минерализацию почвы в соседних с заводами районах, что отрицательно сказывается на их экономическом режиме и на здоровье населения.

Наносимый ущерб окружающей среде можно уменьшить, если вместо хлорида натрия использовать нитрат натрия. Тогда из отходов производства можно изготовлять содово-аммиачную селитру для нужд сельского хозяйства. Распространению такой технологии препятствует значительное удорожание производства за счет использования дорогостоящего коррозионно-стойкого оборудования.

Исследования химического состава твёрдого остатка дистиллерной жидкости показали присутствие в нём ряда оксидов, обладающих вяжущими свойствами. В СССР были разработаны различные варианты технологии вяжущих материалов на основе дистиллерных шламов содовых производств. В соответствии с наиболее простым из них дистиллерный шлам, влажность которого составляет 25-30 %, экскаватором отбирают из шламонакопителя, подсушивают и затем измельчают с кварцевым песком (82,2-86,3 % SiО₂) в шаровой мельнице. Получаемый при этом продукт представляет собой бесклинкерный вяжущий материал автоклавного твердения с достаточно сложным химическим составом. Однако из-за низкой активности исходного дистиллерного шлама, содержание активных СаО и МgО в котором составляет 12-14 %, получаемые на основе такого вяжущего изделия обладают невысокой прочностью, примерно соответствующей маркам 200-230. Обеспечение стабильных прочностных характеристик, кроме того, осложнено непостоянством состава дистиллерного шлама, затрудняющим оптимизацию состава получаемого вяжущего материала.

Включение в технологию стадии обжига сырьевых материалов при 800 -1050 °С позволяет устранить перечисленные недостатки: при оптимальном режиме обжига получаемый продукт характеризуется содержанием активных СаО и МgO ≥ 40 %, что обеспечивает возможность достижения прочности затвердевшего камня на его основе, соответствующей марке вяжущего 500. На основе получаемого вяжущего в СССР в промышленных масштабах было организовано производство блоков ячеистого бетона по литьевой технологии.

В опытно-промышленных масштабах на основе дистиллерного шлама содового производства на Стерлитамакском ПО «Сода» реализована технология автоклавного вяжущего известково-белитового типа, характеризующегося высокими физико-механическими свойствами, относительной простотой производства и высокой эффективностью применения. По существу, она мало отличается от традиционной технологии производства известково-белитовых вяжущих материалов и включает совместную сушку дозируемых дистиллерных шламов (кальциевый карбонатный компонент) и кварцевого песка (кремнеземистый компонент) с последующим обжигом высушенной смеси. Однако присутствие в перерабатываемых отходах содового производства таких эффективных минерализаторов, как СаСl₂, и гипс способствует значительной интенсификации процессов минералообразования во время обжига. Продуктом обжига является серый сыпучий материал с размерами зерен 1-2 мм. Его охлаждают в барабанном холодильнике до 90 °С и отправляют на склад готовой продукции. На основе получаемого вяжущего на Стерлитамакском заводе строительных материалов организовано производство силикатного кирпича по традиционной (как при использовании извести) технологии. Экономический эффект от внедрения такого вяжущего вместо извести на этом заводе оценен в 400 тыс. руб/год.

Таким образом, имеющийся производственный опыт указывает на эффективность утилизации дистиллерных шламов содовых производств в качестве сырья для производства бесцементных вяжущих материалов.

Наряду с перечисленными направлениями утилизации дистиллерных шламов содовых производств перспективным считают их использование (через бесцементное вяжущее) для замены цемента при приготовлении тампонажных материалов, для производства асфальтобетонов (в качестве активизатора гидратации и наполнителя) и по некоторым другим технологическим направлениям.

Более перспективным может быть метод комплексной, переработки нефелинов — отходов производства апатита. Сущность процесса заключается в спекании нефелина с известняком и последующем выщелачивании оксида алюминия. Раствор для выщелачивания сначала подвергают обескремниванию, а затем карбонизации, т. е. обработке оксидом углерода (IV), в результате чего выделяется оксид алюминия. При упаривании раствора выделяются карбонаты натрия и калия (сода и поташ). Тогда в технологическом процессе исчезнут «белые моря». Сода, получаемая таким методом, имеет в 1,5 раза большую насыпную массу, чем сода, полученная по методу Сольвэ. Глинозем может быть использован для получения алюминия. В целом, при получении 1 т глинозема во время комплексной переработки нефелина можно производить до 0,76 т «тяжелой соды», 0,28 т поташа и до 11 т портландцемента. Распространение этого метода в нашей стране поможет перейти на безотходную технологию производства кальцинированной соды.