Органоминеральные удобрения на основе фосфогипса
Органоминеральные удобрения на основе фосфогипса
Доктор технических наук Мельников Леонид Филиппович
Доказанная
возможность утилизации фосфогипса и исключение его образования при
сернокислотной переработке фосфатного сырья обосновывают необходимость и
целесообразность полного пересмотра существующей политики удобрений в пользу
производства и применения экологически безопасных органических,
органоминеральных удобрительных средств и физиологически активных препаратов с
использованием для этих целей минерально-сырьевых ресурсов, отходов и веществ
гумусовой природы.
Предложенная
концепция является положительным аналогом для решения подобных проблем в других
отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Химическая,
гидролизная, угледобывающая, нефтехимическая, пищевая и другие отрасли в сфере
своей деятельности на протяжении ряда лет наряду с получением целевых продуктов
"вырабатывают" сотни миллионов тонн отходов в виде фосфогипса,
гидролизного лигнина, угольной пыли, дистиллерной жидкости, соопстоков и т.д.,
утилизация которых, как правило, находится вне поля зрения действующих
предприятий.
Только
в одном Узбекистане ежегодно образуется свыше 12 млн. т учитываемых
промышленных отходов, т.е. тех, которые заложены в проектах. Более 60 млн. т
вскрышных пород, 40 млн. т каолина, 8-10 млн. т металлургических шлаков, более
6 млн. т золы и золошлаковых отходов тепловых электростанций. Отвалы Ангренской
ГРЭС занимают полезную площадь в 60 га, общая площадь под отвалами Ангренского
угольного месторождения составляет 1500 га. В 46 отвалах Алмалыкского
горнометаллургического комбината заскладировано 180 млн. т руды, для которой на
сегодняшний день нет экономически рентабельной технологии переработки.
При
обогащении медных и свинцовых руд в хвосты обогатительных фабрик попадает меди
свыше 16%, свинца 20, цинка 22, серебра 34, золота от 30 до 60% от общего
количества этих металлов в руде. Сера извлекается не более чем на 40%. Потери
таких сопутствующих элементов, как селен и теллур, доходят до 64%. На цинковом
заводе висмут теряется почти полностью. Редкоземельные элементы при переработке
фосфатных руд на удобрения не извлекаются совсем. Не разработана технология
выделения ценнейших редких металлов, как рений и осмий.
Гидролизный
лигнин также почти полностью уходит в отвалы. Такая же участь отводится и
дистиллерной жидкости с Кунградского содового завода, где согласно проекту
планируется сброс этой жидкости, состоящей преимущественно из CaCI2 и NaCI, в
накопители или отстойники в количестве 1 млн. м3 в год без какой-либо
перспективы их утилизации.
Следует
отметить, что класс промышленных отходов весьма велик и разнообразен.
Утилизация их, в свою очередь, приведёт и к получению широкого ассортимента
целевых продуктов. Исходя из этого, в данном проекте на основе многотоннажного
отхода аммофосных производств − фосфогипса ставится более конкретная
задача, а, именно, использовать его в качестве сырья для производства
удобрений, содержащих в своём составе азот, фосфор, кальций, серу,
физиологически активные вещества в усвояемой растениями форме.
Поставленные
в проекте задачи не копируют ранее выполненные исследования по проблеме
утилизации отходов растительного, животного и промышленного происхождения. В
этой связи автор данного проекта берёт на себя обязательства разработать
рекомендации по утилизации всех имеющихся запасов фосфогипса и использованию
полученных на его основе целевых продуктов в народном хозяйстве. При этом
надеется на то, что новые и ранее выполненные проекты по данной проблеме
получат государственную поддержку и будут реализованы в промышленном масштабе
производства и применения.
Необходимость
выполнения данного проекта в России, Узбекистане и других странах СНГ давно
назрела, поскольку перевод более 40 лет назад всех суперфосфатных (и
строительство новых) заводов на выпуск аммофоса сернокислотным методом породил
крупнотоннажное образование отхода - фосфогипса - "изобретения" ХХ
века.
Масштабное
осуществление замысла производства аммофоса включает несколько технически
сложных и экономически неоправданных стадий:
1.
Подготовка фосфатного сырья. Сюда входит ряд операций: разведка месторождений,
добыча открытым или подземным способом, образование огромного количества
вскрышных пород, дробление, обогащение, обжиг, флотация, промывка, сушка,
классификация, образование забалансовых руд, перевозка и т.д.
2.
Переработка фосфатного сырья включает: сернокислотное разложение фосфорита,
отделение и промывку фосфогипса, отвод земельных площадей для складирования,
хранения и содержания его, аммонизацию ЭФК, грануляцию, сушку готового
продукта, отгрузку потребителям и другие операции.
3.
Применение целевого продукта - аммофоса в сельском хозяйстве. При внесении под
зябь азот теряется полностью в результате вымывания. Водорастворимый фосфор под
действием почвенных солей, карбонатов также закрепляется до неусвояемого
трикальцийфосфата и гидроксилапатита, происходит зафосфачивание почв,
экологическое загрязнение близлежащих водоёмов, подпочвенных вод и биосферы,
деградация почв и потеря их плодородия.
Если
же проследить всю цепочку внедрения этого замысла "апатит -
(аммофос-фосфогипс) - почва - апатит" от добычи фосфатного сырья, его
переработки до последующего применения целевого продукта в сельском хозяйстве,
то можно сделать один единственный вывод о том, что в результате всех этих
технических, технологических и финансовых затрат мы не только вернулись к
исходной точке - гидроксилапатиту, не достигнув желаемого результата, но ещё и
создали целый ряд дополнительных проблем, требующих своего разрешения и
финансового обеспечения. Отсюда возникает вопрос, сколько же на самом деле
стоит одна тонна аммофоса и весь этот проект длинною в 40 с лишним лет с учётом
того, что немалые средства были также потрачены на содержание огромной армии
работников этой отрасли, энергетики, химического машиностроения, строительства,
транспорта, сельского хозяйства, конструкторов, учёных - химиков, агрохимиков,
почвоведов, растениеводов, экологов, экономистов. Осмыслив вышеизложенное,
следует ответить и на второй вопрос, кто и сколько ещё лет будет курировать это
мегамасштабное химическое, экономическое и экологическое вредительство. Ведь с
точки зрения химических законов и процессов изначально было совершенно
очевидно, что фосфорнокислые соли и удобрения (монокальцийфосфат, преципитат,
простой и двойной суперфосфаты, моноаммонийфосфат) в присутствии нейтрализующих
агентов (карбонатов кальция, аммиака и др.) неминуемо превращаются в
трикальцийфосфат и далее в гидроксилапатит. В таком случае может быть лучше
сократить эту цепочку и вернуться к практике прямого использования наиболее
агрохимически эффективных фосфоритов в качестве фосфорных удобрений.
Вместе
с тем производство минеральных удобрений продолжалось ударными темпами,
химизация сельского хозяйства была на подъёме, что, естественно, приводило и к
росту отвалов вскрышных пород, забалансовых руд, фосфогипса и других отходов. В
зависимости от качества сырья, температуры и других технологических параметров
ведения процесса производства фосфорной кислоты количество получаемого
фосфогипса на 1 т P2O5 различно и составляет: 4,5-5,0 т в пересчёте на сухой
фосфогипс; 6,0-6,7 - на фильтрованный кек с содержанием влаги 25%; 9,3-9,5 т -
то же с влажностью 56% .
В
минеральных кислотах и других средах фосфогипс не растворим, в воде его
растворимость составляет не более 0,2%.
Запасы
фосфогипса в Узбекистане составляют более 80 млн. т и занимают площадь 500 га;
в России на действующих аммофосных производствах за все годы их
функционирования скопилось более 500 млн. т фосфогипса, который также занимает
огромные земельные площади и требует значительных финансовых затрат только на
его содержание. Таким образом, ценнейшие макроэлементы кальций, сера и другие
микроэлементы в результате данной технологии в огромных количествах уходят в
отвалы. Имеющиеся в мировой практике пути утилизации фосфогипса, например, в
сельском хозяйстве, цементной промышленности для производства мелиорантов,
гипсовых вяжущих, серы, серной кислоты и т.д. не нашли широкого применения и
использования по экономическим, технологическим и экологическим соображениям. В
итоге белый клад - фосфогипс лежит на свалках, в то время как во многих странах
мира с кислыми почвами и влажным климатом, где испарение влаги невелико, а
осадки обильные, из почв ежегодно вымывается кальций. Потери кальция в
результате вымывания составляют в некоторых странах СНГ 72-200 кг, в Германии -
80-250, Италии - 370 кг/га.
Совершенно
очевидно, что вымываемый из почвы кальций необходимо пополнять путём
известкования и гипсования. Однако фосфогипс для этих целей практически не
используется по причине высокой кислотности и крайне неудовлетворительных
физико-химических и товарных свойств.
Необходимо
также отметить, что некоторые месторождения фосфатного сырья по качественным
показателям не могут быть использованы напрямую для сернокислотного разложения,
а потому они предварительно подвергаются или обжигу, или флотированию,
обогащению, в результате чего образуются некондиционные отвалы. Использование
же при добыче более богатых по содержанию P2O5 пластов фосфоритов неминуемо
приводит к образованию огромных количеств забалансовых руд, которые также не
находят практического использования, лежат в отвалах, занимают большие
земельные площади, пылят и загрязняют окружающую среду.
Гулиобские,
Кызылкумские, Кингисеппские и многие другие месторождения фосфоритов,
содержащие от 6 до 15-18% P2O5, также практически не пригодны для
сернокислотной переработки, а применяемые в настоящее время технологические
приёмы по их обогащению увеличивают отвалы и экономически не оправданы. Вместе
с тем следует отметить, что любые фосфориты имеют высокое соотношение CaO/P2O5.
Последнее обстоятельство, как указывалось выше, приводит в зависимости от
метода кислотной переработки фосфоритов к образованию значительных количеств
отходов в виде сульфата, хлорида или нитрата кальция. Выделение их из системы
затруднено, а дальнейшее использование не проработано.
Присутствие
же кальция или других примесей даже в небольших количествах в кислотных
растворах приводит к ретроградации фосфора при переработке их на удобрения
известными способами. В связи с этим, получаемые в настоящее время туки имеют
низкие качественные, физико-химические и товарные характеристики. Поэтому
актуальной задачей современной химической науки является разработка оптимальных
технологий, обеспечивающих 100%-ное использование фосфатного сырья, других
реагентов, веществ и способов получения качественно новых удобрений (в том
числе и из отходов), которые бы не вымывались, не разлагались и не закреплялись
в почвах.
Привлечение
для этих целей известных удобрительных продуктов и нетрадиционных в химии
удобрений веществ и отходов гумусовой природы обеспечит достижение повышения
эффективности использования сырьевых ресурсов, эффективности и мобилизации
кальция, фосфора и других элементов за счёт создания условий для протекания
комплексообразующих, анионо- и катионообменивающих процессов как при
формировании технологии и подбора оптимальных соотношений и концентраций
реагирующих веществ, так и в самой почве при использовании получаемых
удобрений. Предложенный проект включает все эти форматы. Реализация заложенной
в нём концепции "сырьё - отход - удобрительные средства - почва −
удобрение - растение − урожай" позволит решить крупную
народно-хозяйственную задачу, заключающуюся в создании безотходных производств
с высоким КПД исходных сырьевых ресурсов или в использовании образующихся
отходов в качестве сырья для производства удобрений с высоким КПД питательных
веществ.
В
результате проведённых предварительных исследований доказана возможность
конверсии фосфогипса, перевода его в растворимое состояние. На основе этого
многотоннажного и обременительного отхода разработано новое органоминеральное
удобрение - фосгумел с различным содержанием в нём азота, фосфора, серы, кальция,
физиологически активных и других веществ в растворимой и усвояемой растениями
форме.
Фосгумел
представляет собой порошок или гранулы, обладает высокой влагопоглотительной
способностью, может удерживать на своей поверхности до 30% влаги, при этом не слёживается,
не комкуется и не теряет рассыпчатости. Состав фосгумела, % мас.: СаО в
усвояемой форме - 18,6-20,0; S - 10,6-15,9; N - 9,3-14,0; P2O5 - 3,0-15,0;
органических гумусовых веществ - 40-20. Фосгумел хорошо растворяется в воде
(30-61%); 1N HCI (66-78); Трилоне Б (64-75,5); цитрате аммония (68-78); 2%-ной
лимонной кислоте (48-64). Общая растворимость минеральных и органических
веществ в фосгумеле 90-95%.
Технико-экономические
показатели завершённой в результате выполнения проекта разработки обеспечат:
−
полную утилизацию фосфогипса и других отходов, находящихся в отвалах, а
имеющиеся запасы их - длительную и бесперебойную работу производства фосгумела
или других удобрений;
−
100%-ное использование фосфатного сырья любого качества и исключение вредного
влияния высокого соотношения СаО/Р2О5 на технологию удобрений и их
физико-химические показатели;
−
переход фосфогипса, отходов и веществ гумусовой природы полностью в С;°растворимое
состояние и протекание технологических процессов в пределах 100
−
возможность использования типового оборудования фосфорных и других химических
производств с обеспечением экологической чистоты последних, близлежащих
территорий и атмосферы, взрыво- и пожарной безопасности.
Предложенное
техническое решение позволяет значительно расширить ассортимент
органоминеральных удобрений и исключает в будущем "наработку"
фосфогипса в формате предлагаемых технологий.
Применение
удобрений на основе фосфогипса обеспечит:
−
снабжение почв по содержанию кальция, магния, серы, азота, фосфора,
физиологически активных веществ в растворимой и усвояемой растениями форме и
исключение вымывания их и других питательных элементов в подпочвенные
горизонты;
−
возможность использования рекомендуемых удобрений на любых типах и разностях
почв;
-
сорбцию, накопление влаги до 50% и растворённых питательных веществ при
сохранении рассыпчатости и исключение слёживаемости;
−
мобилизацию закреплённых почвенных фосфатов, СО2 почвы, высокую подвижность NРК
и повышение их эффективности;
−
повышение содержания гумуса, снижение норм внесения NPK в почву и повышение её
биологической активности;
−
снятие засоления почвы, улучшение её структуры, плотности сложения и
водно-воздушного режима;
−
исключение или снижение вредного влияния высоких доз NPK, пестицидов,
ядохимикатов и радионуклидов; повышение плодородия почв, урожайности
сельскохозяйственных культур, их качественной ценности и экологической чистоты.
Предложенная
технология по части комплексной переработки фосфатного сырья отличается от
известных отечественных и зарубежных аналогов тем, что в данном проекте
обеспечивается гарантированное 100%-ное его использование независимо от
качественного состава и без применения каких-либо громоздких и дорогостоящих
приёмов подготовки сырья к производству. Вместе с тем, предлагаемая технология
в отличие от известных способов предусматривает получение двух-трёх видов
органоминеральных удобрений и физиологически активных веществ в одном
технологическом цикле путём разделения материальных потоков, переделов.
По
части переработки и применения фосфогипса в известных отечественных и
зарубежных аналогах предусматривается использование фосфогипса в качестве
мелиоранта на солонцовых почвах или в качестве механической смеси его с
суперфосфатом, аммофосом, навозом, птичьим помётом. Фосфогипс в этих средах не
претерпевает каких-либо изменений в плане растворимости, усвояемости и
эффективности. Более того, сама идея сначала получить фосфогипс, вывести его из
технологической цепочки, а потом вновь вводить в состав аммофоса или других
удобрений, является абсурдной вообще, технологически сложной и экономически
нецелесообразной, в частности. В заявляемом же проекте под действием
необходимых реагентов и химических процессов предусматривается и обеспечивается
полное разрушение структуры фосфогипса с последующим образованием солей, хорошо
растворимых в водных, кислотных, нейтральных и щелочных средах, что делает их
доступными для усвоения растениями.
Успешное
и положительное решение идеи утилизации фосфогипса позволит в рамках выдвинутой
концепции выйти на 100%-ное использование фосфатного сырья и вовлечь в
переработку любые фосфориты, включая забалансовые руды, отходы и, тем самым, в
корне пересмотреть существующую политику производства и применения удобрений на
основе фосфатного материала и других продуктов.
Учитывая
вышеизложенное, автор проекта надеется, что и технология, и продукция на основе
фосфогипса найдут своих потребителей, как на внутреннем, так и на внешнем
рынках.
Одновременно
с этим, проект, посвящённый химии и технологии удобрений на основе фосфогипса,
является логическим продолжением ранее выполненных работ по проблеме
эффективности использования природных сырьевых ресурсов, отходов и
эффективности получаемых на их основе целевых продуктов.
Вместе
с тем, данный проект является самостоятельным разделом, содержащим
фундаментальные и прикладные научные исследования, реализация которых определит
новую политику производства и применения удобрений. Расширит многолетние
изыскания автора в этой области и позволит сформулировать главное кредо
учёного-исследователя: нет плохого сырья, нет отходов - есть несовершенная
технология, которая и порождает негатив - горы фосфогипса, забалансовых руд,
отвальных ценных пород, зафосфачивание и засоление почв, загрязнение окружающей
среды и биосферы, пестицид- и нитратсодержащие сельскохозяйственные продукты
питания.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://ecoportal.ru/