Утилизация минераловатных отходов

 

Авторы: Катарина Грасс, Виктор Барташов, Юрген Зуккер

IB Engineering GmbH, Вена, Австрия

Дата публикации: 12.03.2021

 

 

В настоящее время одной из актуальных тем в производстве и использовании минераловатных продуктов является рост объёма минераловатных отходов и необходимость их переработки.  По оценкам экспертов [1], только строительный сектор стран Евросоюза производит ежегодно более 2,5 миллионов тонн отходов минеральной ваты.

Отходы при производстве минеральной ваты составляют в Европе от 20 до 60% от выпуска продукции. На практике это означает от 160 000 до 480 000 тонн отходов с 40 производственных линий в ЕС, в среднем 20 000 тонн на линию в год [2]. Если учесть, что темпы роста промышленного производства с каждым годом увеличиваются, объёмы складируемых отходов непрерывно растут. На удаление и захоронение отходов производств затрачивается в среднем 8–10 % от стоимости производимой продукции, поэтому переработка отходов имеет в настоящее время первостепенное значение [3].

1.      Виды минераловатных отходов и источники поступления

 

Среди основных источников минераловатных отходов можно выделить следующие секторы:

 

При производстве минераловатных изоляционных продуктов отходы образуются на разных этапах производственного процесса:

Рис. 1: Виды минераловатных отходов и источники поступления

 

Кроме того, в соответствии с директивой Commission Directive 97/69/EC, в Евросоюзе минеральная вата классифицируется по степени канцерогенной опасности на т.н. «старую» и «новую» минеральную вату. В первую очередь это касается возврата бывших в употреблении минераловатных продуктов (строительный сектор, техническая изоляция и т.д.). С 2000 года в Европе действует запрет на производство и использование биоперсистентных (противостоящих растворению в организме) искусственных минеральных волокон.  К «старой», произведенной до 2000 года минеральной вате применяются более строгие правила по утилизации, чем к отходам из «новой» минеральной ваты. Так, ввиду канцерогенного действия «старая» минеральная вата не может быть повторно использована в минераловатном производстве.

2.      Практика обращения с минераловатными отходами

 

В настоящее время в практике обращения с минераловатными отходами можно выделить три основных направления их последующего использования: депонирование, возврат в минераловатное производство и использование в других отраслях.

Рис. 2: Основные направления в практике обращения с минераловатными отходами

 

2.1.  Депонирование

 

Депонирование – самый простой способ в практике обращения с минераловатными отходами, который имеет ряд недостатков. Для производителей минераловатной продукции эти недостатки выражаются, с одной стороны, в утрате ценного сырья, которое может быть использовано для производства нового изоляционного продукта и получения прибыли (см. рис. 3).

Рис. 3: Материальные потери от отходов при производстве минераловатных изоляционных материалов

 

С другой стороны, отказ от переработки отходов несет за собой высокие дополнительные затраты на депонирование и транспорт. Надо отметить, что плата за утилизацию минераловатных отходов за последние годы в ряде стран значительно возросла. Так, например, в Германии несколько лет назад плата за утилизацию составляла от 40 до 50 евро за тонну. В настоящее же время стоимость утилизации минераловатных отходов в Германии составляет в среднем 225 евро за тонну [4].

Кроме того, нерациональное использование невозобновляемых, легкодоступных природных ресурсов (в т. ч. базальт, доломит и др.) ведет к их быстрому истощению, а также к накоплению большого количества отходов. Накопление отходов, в свою очередь, создает экологическую проблему для окружающей среды, оказывая негативное влияние на почву, поверхностные и подземные воды и занимая свободные земельные территории. Следует отметить, что депонирование отходов минеральной ваты технически сложно из-за их большого объема, низкой насыпной плотности, высокой эластичности, плохой сжимаемости и, как следствие, отсутствия стабильности на полигоне [5].

 

2.2.  Возможности использования минераловатных отходов в других отраслях

 

При решении вопроса утилизации «старой» минеральной ваты были предприняты многочисленные попытки использования ее в других отраслях.  В существующих исследованиях на эту тему большое значение уделяется применениям, при которых потенциально канцерогенные волокна разрушаются или надежно связываются. Так, например, имеются научные исследования об использовании минераловатных отходов:

 

Сложности внедрения этих возможностей лежат, в первую очередь, в отсутствии отработанных технологий и необходимого оборудования, а также в несовершенности системы управления отходами, включающую организацию сбора, сортировку и подготовку отходов.

 

2.3.  Возврат отходов в минераловатное производство

 

С точки зрения экономики замкнутого цикла, возврат отходов обратно в минераловатное производство является оптимальным решением и стоит в иерархии управления отходами [17] на втором (после «предотвращения образования отходов») месте. Переплав отходов минеральной ваты изменяет в процессе плавления и затвердевания такие критические характеристики, как морфологию и химический состав [18]. Кроме того, замена первичного сырья вторичным снижает затраты энергии на плавку и, таким образом, делает процесс более экономичным.

Одной из трудностей переработки отходов минераловатного производства является высокое содержание мелких отходов, таких как пыль или «корольки». В стандартной технологии c использованием вагранной печи используется кусковое сырьё размером около 100 мм. Загрузка мелких отходов в данной технологии может привести к блокировке подачи воздуха [18]. 

Поэтому наиболее распространенным способом возвращения мелких отходов обратно в вагранную печь является предварительное формирование брикетов [19]. При брикетировании отходы перемалываются до однородной массы, смешиваются с цементом и водой, а затем в гидравлическом прессе формируются в брикеты, высушиваются в сушильной камере и возвращаются в процесс производства минеральных плит в качестве одного из компонентов шихты [20].

Проблематика этого метода заключается в том, что под действием высокой температуры брикеты, связанные цементом, распадаются на мелкие куски еще до начала плавления, что делает переплав в вагранке проблематичным из-за нарушения подачи воздуха [21]. Кроме того, плавка брикетов, содержащих цемент, вызывает более значительные выбросы в атмосферу твердых частиц и оксидов серы, чем плавление девственной породы [2]. Гидравлические связующие на основе глины и жидкого стекла [1] также не оптимально подходят для брикетирования, поскольку прочность таких брикетов снижается при температуре около 500 °С. Брикеты с использованием связующего на основе глины обладают плохой влагостойкостью, поэтому во время хранения они имеют тенденцию впитывать воду и разрушаться [22].

С экономической точки зрения, брикетирование является затратным промежуточным процессом, требующих дополнительных материальных, энергетических и человеческих ресурсов.

В рамках исследовательской программы [2] одной из европейских компаний был разработан метод подачи полученных на центрифуге и измельченных до фракции 0–6 мм отходов минеральной ваты непосредственно в вагранку.  При данном методе можно добиться максимально 10%-ного замещения исходного сырья.

Известно также оборудование по переработке минераловатных отходов, ориентированное на отходы от обрезки краев ковра и некондиционный материал, на котором измельченные отходы дозированно подмешиваются к продукту в камере волокноосаждения [23]. Так же, как и в предыдущем методе, процент замещения исходного сырья ограничен, поэтому данный вариант не может быть использован для большого количества отходов.

Подводя итог касательно вопроса возврата отходов в производство, можно сделать следующие выводы:

  1. В настоящее время отсутствует возможность переработки смешанных отходов: ни один из методов не рассчитан на переработку всех видов производственных отходов. Даже применяя метод брикетирования, нельзя добиться полной утилизации всех отходов.
  2. Отсутствует возможность переработки большого количества отходов напрямую, без брикетирования. Исследованные методы частичного подмешивания отходов в вагранку или камеру волокноосаждения рассчитаны на очень низкий процент отходов.

 

В довершение к этому следует отметить, что все известные методы возвращения отходов обратно в производство применимы в настоящее время в основном к производственным отходам, химический состав которых известен. Так, многие из производителей минеральной ваты принимают на переработку использованный базальтовый утеплитель исключительно собственного производства [24]. Состав и состояние же отходов минерального утеплителя, снятого при сносе или ремонте зданий, в большинстве случаев не известны [1]. Поэтому ввиду строгих требований к химическому составу минеральной ваты в странах Евросоюза возвращение этих отходов обратно в производство в настоящее время считается недопустимым (см. абз.1 и Рис. 2). 

Отдельные компании в странах за пределами Евросоюза, в которых отсутствует строгое разделение на «старую» и «новую» минеральную вату, предлагают утилизацию старой минеральной ваты со стройплощадки [25].

3.      Заключение: основные причины нерационального использования отходов

Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод, что одной из главных причин нерационального использования производственных отходов является отсутствие технологий и оборудования, позволяющие перерабатывать широкий спектр отходов с минимальными затратами.

Компания IB Engineering подошла к этой задаче, предлагая инновационное технологическое решение. Разработанная компанией технологическая линия IBE13R позволяет перерабатывать  широкий спектр минераловатных отходов с минимальными затратами, удовлетворяя при этом высоким требованиям ресурсоэффективности и охране окружающей среды (ссылка: Оборудование и технология для переработки отходов минерального сырья - IB Engineering).

 

Список литературы:

 

1                    Väntsi O., Kärki T. (2014): Mineral wool waste in Europe: a review of mineral wool waste quantity, quality, and current recycling methods; Journal of Material Cycles and Waste Management, Bd. 16, pp. 62-72.

2                    Karppinen, K. (2002).: Paroc-WIM—Waste injection into the stone wool melting furnace—LIFE02 ENV/FIN/000328, https://ec.europa.eu/environment/life/project/Projects/index.cfm?fuseaction=home.showFile&rep=laymanReport&fil=LIFE02_ENV_FIN_000328_LAYMAN.pdf,  [Accessed: 02.02 2021].

3                    Абдрахимов В.З. (2019): Использование отходов минеральной ваты в производстве керамических стеновых материалов, Самарский государственный экономический университет, Вестник ПНГГПУ. Строительство и архитектура, Самара, Россия,  https://www.researchgate.net/publication/342650277_THE_USE_OF_WASTE_MINERAL_WOOL_IN_THE_PRODUCTION_OF_CERAMIC_WALL_MATERIALS, [Accessed:14.02.2021].

4                    Vogdt А. et al. (2019): LifeCycle KMF Optimierung der Stoffströme im Lebenszyklus von Bauprodukten aus künstlichen Mineralfaserdämmstoffen, Fraunhofer IRB Verlag.

5                    Sattler T. et al. (2020): Mineral wool waste in austria, associated health aspects and recycling options, https://digital.detritusjournal.com/articles/mineral-wool-waste-in-austria-associated-health-aspects-and-recycling-options/285, [Accessed:  28.01.2021].

6                    Yliniemi J. et al. (2019): Mineral wool waste-based geopolymers; Fiber and Particle Engineering Research Unit, University of Oulu, Finland; Saint-Gobain, Finland.

7                    Sattler T., Vollprecht D. and Pomberger R. (2020): Stoffliche Verwertung von Mineralwolleabfällen in der Zement- und Mineralwolleindustrie, https://www.vivis.de/wp-content/uploads/2020/11/342-355_Sattler.pdf,  [Accessed:11.02.2021].

8                    Kubiliute R., Kaminskas R., Kazlauskaite  A. (2019):  Mineral wool production waste as an additive for Portland cement Department of Silicate Technology, Kaunas University of Technology, Kaunas, Lithuania, http://iranarze.ir/wp-content/uploads/2018/06/E7895-IranArze.pdf,  [Accessed:14.02.2021].

9                    Pranckeviceine, J.; Balkevicius, V.; Spokauskas, A. (2010): Investigation on properties of sintered ceramics out of low-melting illite clay and additive of fine-dispersed nepheline syenite. Medziagotyra, pp. 231-235.

10                Kizinievič O. et al. (2014): Investigation of the usage of centrifuging waste of mineral wool melt (CMWW), contaminated with phenol and formaldehyde, in manufacturing of ceramic products, Waste Management 34(8), pp. 1488-1494.

11                Jetsu P., Vilkki M., Tiihonen I. (2020): Utilization of demolition wood and mineral wool wastes in wood-plastic composites, Finland; detritus -Multidisciplinary Journal for Waste Resources & Residues.

12                Maminski, M.; Krol, M.; Jaskolowski, W.; Borysiuk, P. (2011): Wood-mineral wool hybrid particleboards. European Journal of Wood and Wood Products, 69 iss. 2, pp. 337-339.

13                Gröper, J.; Lack, D. (2016): Verfahren zur Verwertung von Dämmmaterialabfällen aus Mineralwolle in Spezialbaustoffen. In: Pomberger, R.u.a. (Hrsg.): Tagungsband zur 13. Recy & Depotech-Konferenz, Leoben: AVW (Eigenverlag), pp. 161-166.

14                An Cheng, Wei-Ting Lin, Ran Huang (2011): Application of rock wool waste in cement-based composites; Materials & Design; Volume 32, Issue 2, pp.636-642.

15                Бабаев Д.Д., Завадько М.Ю., Петропавловская В.Б. (2020): Решения в области утилизации отходов производства базальтовых волокон; журнал «ВОПРОСЫ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ОБЩЕСТВА», cтр.: 431-436, 2020. ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет», Россия, Тверь.

16                Stonys R.et al. (2016):     Reuse of ultrafine mineral wool production waste in the manufacture of refractory concrete, Research article, Journal of Environmental Management 176, pp. 149-156.

17                WKO Kreislaufwirtschaft: https://www.wko.at/service/umwelt-energie/kreislaufwirtschaft.html,  https://digital.detritusjournal.com/articles/mineral-wool-waste-in-austria-associated-health-aspects-and-recycling-options/285, [Дата обращения:  28.01.2021]

18                Sattler T., Galler R.  Vollprecht D. (2019):     Entwicklung innovativer Recyclingverfahren für Mineralwolleabfälle – Projekt RecyMin; BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte volume 164, pp. 552–556.

19                Vollprecht, D. et al. (2019):  Innovative Landfilling and Recycling of Mineral Wool Waste as Backfill Material, in the Cement Industry and in the M ineral Wool Industry; Mineralische Nebenprodukte und Abfälle 6; pp. 480-492, https://www.vivis.de/wp-content/uploads/MNA6/2019_MNA_480-493_Vollprecht, [Accessed:  10.01.2021].

20                Катаев Д. (2018): 10 лет под знаком качества; https://ksonline.ru/333966/10-let-pod-znakom-kachestva/ ,[Accessed: 14.01.2021].

21                BALKEVIČIU, et al.: Analysis of some properties of model system from low-melting illite clay and fibrous mineral wool waste; Institute of Thermal Insulation, Vilnius Gediminas Technical University, https://materialsscience.pwr.edu.pl/bi/vol25no1/articles/ms_2006_036.pdf,  [Accessed:  14.01.2021].

22                PAROC GROUP (2002): EP0546000B2; Process for mineral wool production.

23                Компания FAS Hansek GmbH & Co KG: Установка вторичной переработки минеральной ваты: http://basalt-online.ru/section-equipment/recycling-of-mineral-wool-is-a-sophisticated-tool-that-combines-increased-profits-and-environmental, [Accessed:11.02.2021].

24                Vogdt F. et al. (2019): Leitfaden Recyclingpotential von Mineralwolle, TU Berlin, https://www.irbnet.de/daten/rswb/19089008967.pdf, [Accessed: 03.02 2021].

25                ТЕХНОНИКОЛЬ NEWS; http://fasad-rus.ru/news_end_new.php?id=4409, [Accessed: 12.02.2021].