Экология металлургии

Рисунок 2. –Циркуляция цинка  и щелочных металлов в доменной печи.

 

Комплексная утилизация многих отходов  с извлечением полезных компонентов  требует создания новых процессов, к которым предъявляются следующие основные требования: возможность переработки дисперсного сырья, восстановления железа и извлечения других полезных элементов. В этих процессах надо отказаться от конструкции шахтной печи и использования кокса. Последнее связано с его дефицитностью, высокой стоимостью и вредными выбросами при производстве. Поэтому в мире активно развиваются так называемые процессы жидкофазного восстановления.

 
  Основными являются Ромелт (РоссиЯ, 1979), HIsmelt (Германия, 1984), DIOS (Япония, 1988), AusIron (Австралия, 1994). По времени появления и степени освоения первым является процесс Ромелт. Опытная установка построена в 1984 году на Новолипецком металлургическом комбинате.  
 
Ромелт - новый способ переработки отходов.

 

 Процесс Ромелт является непрерывным способом получения чугуна из железосодержащего сырья и отходов с применением недефицитных и дешевых марок некоксующихся углей [3]. Принципиальная схема печи Ромелт представлена на рис. 3. ‚ печь с расплавом шлака через нижние фурмы вдувается кислородно-воздушная смесь, которая интенсивно перемешивает шлак. Печь футерована только до уровня нижних фурм. Остальная часть выполнена из водоохлаждаемых элементов - кессонов. На холодной поверхности кессонов шлак образует твердую корку - гарнисаж. Так решается проблема стойкости футеровки в контакте со шлаковым расплавом. Шихта – руда или железосодержащие отходы (шламы, окалина) и уголь - непрерывно загружаются сверху на поверхность шлакового расплава с температурой 1400Р1500 °С. Предварительной подготовки пылевидного сырья или угля не требуется. Уголь выполняет две функции. Его горение совместно с дожиганием газов поддерживает температуру в печи. Кроме того, он обеспечивает восстановление оксидов железа и формирование чугуна, который в виде капелек осаждается на дно (подину) печи. Металл и шлак выпускают через отверстия (летки), выполненные на разных уровнях. 
Для дожигания выделяющихся газов (CO, H2 , летучие углеводороды угля) и возврата тепла в ванну через верхние фурмы подается кислород. В опытной установке выходящие из печи газы поступают в котел-охладитель, где окончательно дожигаются за счет естественного подсоса воздуха, охлаждаются и подаются на газоочистку. В промышленном агрегате они будут использованы для выработки электроэнергии.

 

Процесс Ромелт расширяет возможности прямого использования отходов. На время эксплуатации печи накоплен опыт переработки различных материалов, включая шламы доменного и конвертерного производств, окалину, шлак свинцово-цинкового комбината. Из них извлекали главный полезный компонент (железо) и получали чугун, который использовали для производства стали.

 

Рисунок 3. Схема печи Ромелт

 

Остальные компоненты переходят  в безопасное компактное состояние - шлак, который по составу и свойствам  близок к доменному и может быть использован аналогично ему. Так решается двуединая ресурсоэкологическая задача. Переработка шлаков цветной металлургии еще один пример утилизации несобственных отходов в черной металлургии. Однако на этом не исчерпываются возможности процесса.

 
  В печи Ромелт компоненты распределяются между чугуном, шлаком и газом. Опыт показал, что легковосстановимые нелетучие элементы Cu, Ni восстанавливаются и переходят в чугун. Поэтому комплексный подбор шихты позволит получить легированный чугун со специальными свойствами. 
Летучие элементы Zn, Pb, Ag выносятся с дымовыми газами и при охлаждении осаждаются в пыль, где их концентрация многократно возрастает. Поэтому при переработке некоторых отходов пыль процесса Ромелт становится сырьем для получения цветных металлов. 
Для такого использования пыли важно знать, в какие соединения связываются элементы, и уметь управлять этим процессом. Теоретическое решение задачи можно получить расчетом сложных химических равновесий, а практическая реализация достигается изменением степени дожигания.

 

Уничтожение токсичных отходов  в металлургических агрегатах.

Некоторые отходы химической промышленности, отработанные или запрещенные  к использованию материалы медицины, средства химической защиты, электротехнические жидкости имеют высокую токсичность. Для их уничтожения обычно предлагаются новые технологические процессы и агрегаты, что связано с большими затратами. Кроме того, уничтожение  не должно приводить к образованию  вторичных продуктов, подчас еще  более токсичных. Именно такая ситуация возникла при работе мусоросжигательных заводов первого поколения с  низкой температурой сжигания. Решая  основную задачу (уничтожение бытовых  и горючих отходов), они производили  токсичные вещества, включая сверхопасные диоксины - полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны (ПХДД/Ф) [4]. 

Металлургические агрегаты, сочетающие высокие температуры  и широкий диапазон окислительно-восстановительных условий, представляют собой пока еще не востребованный резерв для уничтожения различных отходов. Вполне очевидна и экономическая обоснованность такого подхода. 
Окислительный характер дутья и температура более 2000 °С создают наилучшие условия для полного сгорания токсичных и диоксиноопасных материалов при их подаче в фурменную зону доменных печей. Уже проводят вдувание твердых гранулированных или измельченных отходов пластмасс (Япония, ФРГ). При этом уничтожаются отходы и используется их теплота горения. Более простым является инжекция через фурмы жидкостей, в частности электротехнических (совол, совтол), основу которых составляют полихлорбифенилы (ПХБ). Микропримеси ПХДД/Ф появляются уже в процессе производства ПХБ, а при их горении диоксины образуются в чрезвычайно опасных количествах. Это подтверждено последствиями пожаров силовых подстанций. Поэтому в настоящее время ПХБ-материалы выводятся из эксплуатации, и проблема их уничтожения стоит очень остро. Эксперименты по уничтожению жидких ПХБ-отходов вдуванием в доменную печь с успехом проводятся на НЛМК. 
Относительно небольшие конструктивные изменения позволяют использовать печь Ромелт для сжигания и утилизации бытовых и горючих промышленных отходов [5]. Ее можно рассматривать как мусоросжигательный завод нового поколения, преимуществом которого является возможность связывания негорючих компонентов в шлак и металлический полупродукт.  
 При сжигании отходов большое значение приобретают условия предотвращения формирования вторичных экотоксикантов, прежде всего ПХДД/Ф. Сложность экспериментального изучения связана с трудоемкостью, длительностью и большой стоимостью анализов, поэтому важная роль отводится теоретическим исследованиям, в частности термодинамическому моделированию. При большом числе сопутствующих веществ и изомеров (ПХДД - 75, ПХДД - 135) задача решается только расчетом сложных химических равновесий.

Термодинамическое моделирование

 

Применение термодинамического моделирования (ТДМ) для решения задач в экологии и ресурсосбережении имеет одну общую особенность. Как правило, необходимо рассмотреть поведение  примесей на фоне развития основных процессов, что предопределяет большое число  возможных химических реакций. Поэтому  ТДМ может быть проведено только расчетом сложных химических равновесий, в которых состав смеси реагирующих  веществ устанавливается не по одной, а по двум и более независимым  реакциям. Рассмотрим основные принципы ТДМ на примере поведения цинка  в процессе Ромелт.

 
  Цинк может осаждаться из газовой фазы в виде ZnO или ZnS. Вторая возможность реализуется при применении сернистых углей, поскольку практически вся сера переходит в газовую фазу. Помимо азота основными ее компонентами являются CO, CO2 , H2, H2O, которые взаимодействуют по реакции 
H2O + CO = CO2 + H2  
 Это основной процесс в газовой фазе, зависящий от расхода кислорода дутья. На его фоне развиваются реакции с участием цинка и серы, содержание которых составляет доли процента. Конкуренция между ZnO и ZnS связана с совместным протеканием большого числа реакций с участием паров цинка:

 

Zn + H2O(CO2) = ZnO(s) + H2 (CO),  
Zn + H 2 S(COS) = ZnS(s) + H 2 (CO),  
ZnS(s) + H2O(CO2) = ZnO(s) + H2S(COS)  
 
 Возможны и другие реакции с участием различных веществ системы

C-H-O-S-Zn. Общее решение задачи основано на условиях термодинамического равновесия. Они вытекают из второго закона термодинамики и заключаются в существовании экстремумов функций состояния системы. Так, равновесию в изобарно-изотермических условиях отвечает минимум энергии Гиббса (G). Функция G однозначно определяется давлением, температурой и числами молей реагирующих веществ. Расчет равновесного состава сводится к отысканию чисел молей, при которых энергия Гиббса минимальна. Алгоритмы решения таких задач реализованы в программных продуктах, позволяющих проводить ТДМ сложных систем. Например, отечественный комплекс ИВТАНТЕРМО рассчитывает смеси

 

Рисунок 4. Области устойчивости соединений цинка для системы  состава 65% CO - 33,5% H2 - 1% Zn - 0,5% S2 в зависимости от температуры и степени окисления α.

из 350 веществ, что позволяет  учесть все возможные соединения и получить объективные результаты ТДМ. 
На рис. 4 представлены результаты расчета задачи осаждения цинка из серосодержащей газовой фазы при различных температурах и степени окисления α: 
   
где ni - числа молей компонентов. 
Полученная диаграмма показывает, в каких соединениях связан цинк, и позволяет прогнозировать его поведение. Аналогичные расчеты, проведенные для соединений азота, серы, ПХДД/Ф дают возможность анализировать поведение экотоксикантов в металлургических агрегатах и процессах.

Позитивные  процессы и зарубежный опыт  
 
 Тобиас Хан — автор современной методики расчета экологической эффективности компаний — считает: «Чем меньше природных ресурсов использует компания и чем больше ее деятельность основывается на ноу-хау персонала, тем более высокой степенью экологической эффективности она обладает». Отметим, что многие отечественные металлургические предприятия в настоящее время уже идут по этому пути. Об этом свидетельствуют сертификаты экологической безопасности производства. Первой российской металлургической компанией, сертифицированной по ИСО 14001, стала «Северсталь» (2001 г.). В 2006 г. ОАО «Челябинский цинковый завод» подтвердило соответствие требованиям стандартов экологического менеджмента ИСО 14001. В 2005 г. Западно-Сибирский металлургический комбинат (ЗСМК) прошел сертификацию системы экологического менеджмента на соответствие требованиям стандарта ИСО 14001. На комбинате эффективно работает система управления природоохранной деятельностью, направленная на решение экологических проблем, подключая к этому процессу всех работников комбината: от управляющего директора до рабочего. Данная система обеспечивает снижение выбросов в атмосферу, сбросов в водоемы и предотвращение загрязнения почв за счет повышения: технологической дисциплины, внедрения новых технологий и технического перевооружения. В частности, только перевод сталеплавильного производства на прогрессивную технологию непрерывной разливки стали позволяет снизить вредные выбросы в атмосферу на 5,3 тыс. т в год.  
 
 В области природоохранной деятельности показателен пример металлургических предприятий ряда стран Западной Европы — например, Финляндии. Лидирующим производителем металла в этой стране по праву считается корпорация Ruukki (крупнейший европейский поставщик решений из металла для строительства и машиностроения), которой принадлежит несколько заводов на юго-западе Финляндии, а также крупнейший металлургический комбинат в г. Раахе на севере страны. Построенный в начале 60-х годов с привлечением советских специалистов (завод является «близнецом» Череповецкого), в настоящее время финский комбинат является основным производителем металла и металлопродукции (по результатам 2006 г. здесь произведено 2,8 млн тонн стали при ее общем производстве корпорацией Ruukki 3,2 млн тонн). Предприятие находится практически в центре небольшого городка с населением 22,4 тыс. человек на территории международного морского порта. Богатое историческое наследие и культурные традиции города Раахе, основанного в 1649 г., ежегодно привлекают сюда тысячи туристов. При этом близость металлургического комбината не вызывает фобии ни у местного населения, ни у многочисленных туристов, поскольку в области охраны окружающей среды предприятие оснащено по последнему слову науки и техники. Лучшей иллюстрацией высокого уровня обеспечения экологической безопасности производства является непосредственное соседство промышленных площадок комбината с жильем и объектами социальной инфраструктуры (клубами, ресторанами и т.п.). Это убедительный пример того, что близость с промышленным предприятием не оказывает негативного влияния на инвестиционную привлекательность прилегающих территорий, и они не нуждаются в статусе «санитарно-защитная зона» — такого понятия на Западе вообще нет. Приведенный пример не единичный случай, а широко распространенная практика большинства европейских металлургических заводов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература.

1. Материалы сайта http://metal.nestormedia.com
2. Харлампиди Х.Э. Проблема сырья в обстановке истощения природных ресурсов // Соросовский Образовательный журнал. 1999. №1. С. 41-46.
3. Усачев А.Б. , Роменец В.А.‚ Баласанов А.В.‚ и др. Переработка промышленных и бытовых отходов в агрегатах с жидкой шлаковой ванной // Экология и пром-сть России. 1998. №11. С. 27-30.
4. Материалы сайта http://tele-conf.ru
5. Cборник научных трудов «Естествознание и гуманизм» (2006 год, Том 3, выпуск 2), под редакцией проф., д.б.н. Ильинских Н.Н.