CC BY
37
© М.Ш. Баркан, Е.И. Кабанов, O.K. Малюк, 2015
УДК 669.5.53:669.1.112
М.Ш. Баркан, Е.И. Кабанов, O.K. Малюк
минимизация техногенной опасности объектов черной металлургии путем переработки золошламовых отхолов основных про-
изволств
В результате деятельности предприятий черной металлургии образуется большое количество токсичных отходов, основным из которых является пыль механического происхождения. Вследствие перехода ряда примесей в пыль, ее возврат в технологический процесс в большинстве случаев невозможен и она складируется в золошламонакопителях. Для минимизации техногенной опасности данных объектов на окружающую среду в статье предложена технология переработки вторичных продуктов металлургических производств способом вельцевания.
Ключевые слова: тяжелые металлы, пыль, токсичные отходы, черная металлургия, вельцевание.
Воздействие крупнотоннажных производств, в частности, предприятий черной металлургии, сопровождается интенсивным воздействием на окружающую среду, необратимыми антропогенными изменениями, нарушением природного равновесия и снижением многофункциональности среды обитания.
Черная металлургия является источником около трети всего объема токсичных отходов, образующихся в Росси, и 70% общего количества использованных и обезвреженных отходов [4].
На комбинатах объектами постоянного хранения отходов являются: золошламонакопители, накопители химических отходов КХП, накопители отходов производства холоднокатан-ного листа, свалки цеха благоустройства и озеленения (ЦбиО), свалки управления железнодорожного транспорта (УЖДТ), накопители маслоотходов.
Количество образующейся пыли механического происхождения зависит от вида и структуры железосодержащих мате-
риалов (руды или агломерата), от прочностных свойств шихты, крупности материала, влажности, специфики процесса, давления на колошнике, увлажнения дутья, обогащения дутья кислородом и т.д.
Шихта основного производства содержит незначительное количество цинка, который при температуре около 900 °С возгоняется, несмотря на неполное восстановление оксида цинка. Пары цинка, унесенные газом, окисляются в верхней части печи и их часть и неокисленный цинк в виде высокодисперсной пылевой фазы вместе с газами удаляются в газоход [2, 3
Процесс восстановления оксидов металлов при вельцева-ния может быть в общем виде представлен в виде следующих уравнений [15]:
МеО + СО = Ме + СО2
СО2 + С = 2 СО
МеО + С = Ме + СО
В соответствии с адсорбционно-автокаталитической теорией восстановления оксидов металлов основные уравнения можно записать в виде:
МеО (тв) + СО (г) = МеО (тв).СО(адс)
МеО (тв)СО (адс) = Ме(тв)СО2 адс)
Ме (тв)СО2 (адс) =Ме (тв) + СО2 (г)
Ме (тв) + СО (г) = Ме (тв) + СО2 (г)
Возгоны цинка, свинца, марганца и других компонентов, а также газы СО2, СО, ЭО2, И2Б образуют химические соединения с компонентами твердой фазы, представленными пылью механического происхождения и конденсатами.
Анализируя изложенное, можно отметить для рассмотренных процессов достаточно высокое содержание соединений тяжелых металлов в отходах, мелкодисперсность пылей и определенную технологическую несовершенность процессов, приводящую к высоким объемам выбросов. Вследствие перехода ряда примесей в пыль, ее возврат в технологический процесс в большинстве случаев невозможен и она складируется в золошламонакопителях [1, 6].
Попавшие в окружающую среду соединения тяжелых металлов легко проникают в трофические цепи, накапливаясь в
растительных и животных организмах; включаются в метаболические циклы и вызывают разнообразные физиологические нарушения, в том числе на генетическом уровне. Для выведения тяжелых металлов из экосистемы до безопасного уровня требуется весьма продолжительный период времени при условии полного прекращения их поступления. Период полувыведения тяжелых металлов из организма человека обычно составляет многие месяцы.
Биологическая активность тяжелых металлов выводит данную группу загрязнителей на приоритетное место в мониторинговых исследованиях окружающей среды. Физиологическое действие тяжелых металлов на организм человека и животных различно и зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также интервалом концентраций, при которых возможна нормальная реакция обменных процессов [14]. Вредное воздействие тяжелых металлов на организм человека приведено в табл. 1.
Таблица 1
Негативное воздействие токсических концентраций указанных тяжелых металлов на здоровье человека
Элемент Негативное воздействие
Свинец Сатурнизм (свинцовое отравление): задержка синтеза протеина в крови, поражение почек, головного мозга, потеря слуха, задержка роста, разрушение костных тканей, параличи, боли в суставах, снижение реакций иммунной системы, нарушение функций сердечнососудистой системы, желудочно-кишечного. Повышает токсический эффект других металлов.
Цинк Анемии. Повышает токсический эффект других тяжелых металлов.
Стронций Патологии опорно-двигательного аппарата (остеопороз и др.).
Ртуть Это высокотоксичный, кумулятивный яд. Поражает кроветворную, ферментативную, нервную системы и почки.
Хром Дерматиты, экземы, аллергические реакции; раздражение верхних дыхательных путей, астматические бронхиты, бронхиальная астма, диффузный пневмосклероз; астено-невротические расстройства, нарушение функций желудка, печени, поджелудочной железы.
В России и за рубежом (во Франции, Великобритании и Германии) для удаления вредных примесей из цинк-железосодержащих отходов используются гидро- и пирометал-лургические технологии, однако, в ряде случаев, применение гидрометаллургических технологий не представляется рациональным, в связи с чем интерес могут представлять следующие высокотемпературные способы переработки цинк-железосодержащих пылей и шламов:
— пирометаллургичесчкие с температурой процесса 1100
— 1200 °С;
— обработка расплава в ванне при температуре 1600 — 1800 °С;
— переработка с применением низкотемпературной (3000
— 5000 °С) плазмы.
Наибольшее распространение получили способы, основанные на термообработке шламов в восстановленной атмосфере, с получением металлизированного продукта и улавливанием пыли, обогащенной цветными металлами [8].
Так, например, в металлургической промышленности для переработки вторичных продуктов металлургических производств применяется способ вельцевания, отличающийся универсальностью процесса, простотой обслуживания, непрерывностью, возможностью установки большеразмерных печей и механизации процесса.
Перевод цинка в летучее состояние может осуществляться только в интервале температур ограниченном температурой кипения цинка (906 °С) и температурой плавления шихты в печи. По мере размягчения шихты условия для улетучивания цинка ухудшаются. Для отвержения шихты и предотвращения образования настылей процесс вельцевания проводят с избытком твердого восстановителя. Оксиды цинка и свинца удаляются из печи с отходящими газами и осаждаются в фильтрах в виде пыли.
Так как большая часть цинка в отходах присутствует в виде оксида, возможно в качестве растворителя, при гидрометаллургических схемах, использовать растворы серной кислоты. Исследования показали, что в процессе выщелачивания наряду с цинком (извлечение 97-100%) в раствор переходит значительное количество железа (25-67%). Растворы после выщелачивания содержат 16-31 г/л цинка. При выщелачивании пылей
раствором щелочи [ИаОИ] 250-300 г/дм3, отношении Ж:Т = =7,5:1, температуре 55-70 °С в течении 30 мин в раствор извлекается 94-96% цинка. На практике сухая пыль выщелачивается оборотным щелочным раствором, содержащим 10 г/л цинка; в результате выщелачивания содержание цинка увеличивается до 20-30 г/л. Раствор поступает на электроэкстракцию, которая осуществляется при плотности тока 1350 А/м2. Извлечение цинка в конечный продукт (цинковый порошок) составляет 94%, расход ИаОИ 0,25 в.ч. на 1 в.ч. компактного металла [10, 11].
При проведении экспериментальных исследований оценивались следующие основные факторы, влияющие на степень удаления цинка из перерабатываемого материала [1, 5, 9, 12, 13]:
• температурный режим процесса;
• тип и расход восстановителя - в качестве восстановителя для процесса вельцевания может быть использована коксовая мелочь, антрацит, каменные и бурые угли и др. восстановители, расход которых должен составлять 350-700 кг/т перерабатываемого материала, при условии что 20-30% восстановителя расходуется на восстановительные процессы, 30-40% на поддержание температурного режима в печи и 15-30% — на уплотнение шихты;
• тип и расход связующего - в качестве связующего может быть использован цемент, бентонит (являющийся получаемом на комбинате технологическим материалом), серосульфидная барда и др., расход которых колеблется в соответствии с использованным материалом;
• продолжительность процесса - 1 - 2 часа;
• условия ввода реагентов в шихту - исследуется различные способы шихтоподготовки (параметры процесса гранулирования, условия ввода восстановителя в шихту и т.д.).
С учетом существующей практики переработки цинк-железосодержащих отвальных пылей и шламов и технической базы комбината, наиболее целесообразным представляется реализация процесса переработки бедных (с содержанием цинка 1-3 %) цинк-железосодержащих пылей во вращающихся трубчатых печах, широко применяемых в практике ОАО «Северсталь» на известково-доломитово производстве, после их реконструкции, с учетом особенностей проведения процесса вельцевания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баркан М.Ш., Белоглазов И.Н., Шувалов Ю.В., Бондарчук A.M., Голубев В.О., Архипов H.A. Оценка возможности утилизации цинксодержащих отходов предприятий черной металлургии // В сборнике трудов конференции «Металлургическая технология и экология, РЭСТЕК - Металлургич 99» / Михайловский манеж, 9-12 ноября 1999. Санкт-Петербург.
2. Андоньев С.М, Филиьев О. В. Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии. 2-е изд., М.: Металлургия, 1979. 192 с.
3. Андоньев С.М, Филиьев О.В. Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии. 2-е изд., М.: Металлургия, 1979. 192 с.
4. О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации за 1988-1998 годы. Приложение 2 к Государственному докладу «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1998 году». М.: Государственный центр экологических программ, 1999.135 с.
5. Майер Г., Ветцель Р. Переработка металлургических пылей и шла-мов. Technische Mitteilungen Kruup Werksberichte, 1972. Bd 30. HI. Уралме-ханобр, 1979. Свердловск. Перевод № 8647/1.
6. Галимов М.Д., Окунев А.И., Лотош В.Е. и др. Переработка пылей и шламов доменного производства с извлечением железа и цинка // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация», 1980. Вып. 4. С. 35-36.
7. Степанов Б.Я., Постовалов И.П., Геладзе Ю.Н. и др. Утилизация тонкодисперсных железосодержащих шламов // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация», 1983. Вып. 12. С. 45-47.
8. Селезнев Л.П., Семенов Г.А. Проблемы повышения эффективности производства вторичных цветных металлов. М.: Металлургия,1987.128с.
9. Абдеев М.А., Колесников А.В., Ушаков H.H. Вельцевание цинк-свинецсодержащих материалов. М.: Металлургия, 1985. 120 с.
10. Худяков И.Ф. Дорошкевич А.П., Карелов С.В. Металлургрия вторичных тяжелых цветных металлов. М.: Металлургия, 1987.
11. Погорелый А.Д. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1964. 286 с.
12. Адлер Ю.П., Маркова Е,В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971. 283 с.
13. Kossek G., Lommert H., Serbent H. — Erzmetall, 1979. V.32, № 76. P.21-26.
14. Ковальский В.В. Проблемы биогеохимии микроэлементов и геохимической экологии. Избранные труды /Отв. ред., авт. вступ. ст. Ё.К. Эрнст; сост. Ю.В. Ковальский. М.: Россельхозакадемия,2009,357 с.
15. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. М.: Металлургия, 1962. 671 с. 4.1. и'.'-'а
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Баркан М.Ш. — кандидат технических наук, доцент, barkan-msh@spmi.ru, Кабанов Е.И. — аспирант, vincenzo@europe.com, Малюк О.К. — студентка, astra-s93@mail.ru, Национальный Минерально-Сырьевой Университет «Горный».
UDC 669.5.53:669.1.112
MINIMIZATION OF TECHNOLOGICAL HAZARDS OBJECTS BY STEEL PROCESSING
Barkan M.SH., PhD in technical Sci., the senior lecturer, Department of Geoecology, barkan-msh@spmi.ru, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia, Kabanov E.I., graduate student, Industrial Safety Department, vincenzo@europe.com, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia,
Malyuk O.K., 4th year student, Department of Geoecology, astra-s93@mail.ru, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia.
A large amount of toxic waste, the main of which is the dust of mechanical origin, is a result of the steel industry. Due to the transition a number of impurities in the dust, its return to the process in most cases impossible, and it is stored in dump. In this article the technology of secondary metallurgical products with waelz way is described. And this technology can help to minimize the danger of man-made objects in the data environment.
Key words: heavy metals, dust, toxic waste, iron and steel processing, waelz way.
REFERENCES
1. Barkan M.Sh., Beloglazov I.N., Shuvalov Ju.V., Bondarchuk A.M., Golubev V.O., Arhipov N.A. Ocenka vozmozhnosti utilizacii cinksoderzhashhih othodov predpri-jatij chernoj metallurgii (Assessing the possibility of recycling of zinc-bearing waste of ferrous metallurgy) // V sbornike trudov konferencii «Metallurgicheskaja tehnologija i jekologija, RJeSTEK Metallurgich 99» / Mihajlovskij manezh, 9-12 nojabrja 1999. Sankt-Peterburg.
2. Andon'ev S.M, Fili'ev O.V. Pylegazovye vybrosy predprijatij chernoj metallurgii (Gaseous and particulate emissions of ferrous metallurgy). 2-e izd., Moscow: Metal-lurgija, 1979. 192 p.
3. Andon'ev S.M, Fili'ev O.V. Pylegazovye vybrosy predprijatij chernoj metallurgii (Gaseous and particulate emissions of ferrous metallurgy). 2-e izd., Moscow: Metal-lurgija, 1979. 192 p.
4. O sostojanii okruzhajushhej prirodnoj sredy Rossijskoj Federacii za 19881998 gody (State of the Environment of the Russian Federation for 1988-1998). Prilozhenie 2 k Gosudarstvennomu dokladu «O sostojanii okruzhajushhej prirodnoj sredy Rossijskoj Federacii v 1998 godu». Moscow: Gosudarstvennyj centr jeko-logicheskih programm, 1999.135 p.
5. Majer G., Vetcel' R. Pererabotka metallurgicheskih pylej i shlamov (Processing of metallurgical dusts and sludges). Technische Mitteilungen Kruup Werksberichte, 1972. Bd 30. HI. Uralmehanobr, 1979. Sverdlovsk. Perevod No 8647/1.
6. Galimov M.D., Okunev A.I., Lotosh V.E. i dr. Pererabotka pylej i shlamov domennogo proizvodstva s izvlecheniem zheleza i cinka (Recycling dust and sludge blast furnace with recovery of iron and zinc) // Chernaja metallurgija: Bjul. in-ta «Chermetin-formacija», 1980. Vyp. 4. pp. 35-36.
7. Stepanov B.Ja., Postovalov I.P., Geladze Ju.N. i dr. Utilizacija tonkodis-persnyh zhelezosoderzhashhih shlamov (Utilization of fine iron-containing sludge) // Chernaja metallurgija: Bjul. in-ta «Chermetinformacija», 1983. Vyp. 12. pp. 45-47.
8. Seleznev L.P., Semenov G.A. Problemy povyshenija jeffektivnosti proizvod-stva vtorichnyh cvetnyh metallov (Problems of increasing the efficiency of production of secondary non-ferrous metals). Moscow: Metallurgija,1987.128 p.
9. Abdeev M.A., Kolesnikov A.V., Ushakov N.N. Vel'cevanie cink-svinecsoderzhashhih materialov (Waelz zinc-lead-containing materials). Moscow: Metallurgija, 1985. 120 p.
10. Hudjakov I.F. Doroshkevich A.P., Karelov S.V. Metallurgrija vtorichnyh tjaz-helyh cvetnyh metallov (Metallurgriya secondary non-ferrous heavy metals). Moscow: Metallurgija, 1987.
11. Pogorelyj A.D. Teorija metallurgicheskih processov (Theory of metallurgical processes). Moscow: Metallurgija, 1964. 286 p.
12. Adler Ju.P., Markova E,V., Granovskij Ju.V. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal'nyh uslovij (Planning an experiment in the search for optimal conditions). Moscow: Nauka, 1971. 283 p.
13. Kossek G., Lommert H., Serbent H. Erzmetall, 1979. V.32, No 76. P.21-26.
14. Koval'skij V.V. Problemy biogeohimii mikrojelementov i geohimicheskoj jeko-logii. Izbrannye trudy (Problems of biogeochemistry of trace elements and geochemical environment. Selected Works) /Otv. red., avt. vstup. st. L.K. Jernst; sost. Ju.V. Koval'skij. Moscow: Rossel'hozakademija,2009, 357 p.
15. Esin O.A., Gel'd P.V. Fizicheskaja himija pirometallurgicheskih processov (Physical chemistry pyrometallurgical processes). Moscow: Metallurgija, 1962. 671 p. Ch.1.
