CC BY
337
РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
УДК 669.18.053.2:669.054.83
Летимин В.Н., Насыров Т.М., Макарова И.В.
ОЦЕНКА ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБЕСЦИНКОВАНИЯ ПЫЛИ И ШЛАМОВ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ЦЕХОВ
Аннотация. Металлургические пыли и шламы оказывают негативное влияние на окружающую природу и здоровье населения. Основной проблемой их утилизации является то факт, что в них содержится весомое количество цинка, свинца, фтора и других вредных примесей для металлургического передела. В работе рассмотрены пирометаллургические способы обесцинкования техногенных отходов - пыли и шламов.
Ключевые слова: пирометаллургия, обесцинкование, пыль, шлам, брикет металлургический
По масштабам негативного воздействия на экологию чёрная металлургия занимает одно из ведущих мест. Большинство отходов чёрной металлургии (почти 90%) относится к V классу опасности. Особенно остро перед металлургическими предприятиями Российской Федерации стоит проблема образования пыли и шлама газоочисток сталеплавильных цехов, которые в настоящее время практически полностью идут в отвалы и шламонакопители. Главной, объективной, причиной этого является высокое (с тенденцией увеличения) содержание в них цинка. Содержание последнего выше 0,3-0,5% делает невозможным их использование в доменной плавке (в производстве железорудных окатышей и агломерата для неё). В то же время количество цинка в шламах (пыли) кислородно-конвертерных цехов уже сейчас превышает 1,0%. Особенно много цинка (до 20-35%) накапливается в пыли газоочисток электросталеплавильных цехов [1].
Захоронение шламов и пыли сталеплавильных цехов по ряду причин является бесперспективным. Во-первых, из всех мелких отходов металлургического производства сталеплавильные пыль и шламы представляют наибольшую угрозу окружающей среде. Это связано с их мелкодисперсным характером -до 80 % частиц размером менее одного микрона. Они легко выносятся в атмосферу и вымываются водой, загрязняя почву. К тому же пыль и шламы газоочисток сталеплавильных цехов содержат многократно превышающую предельно допустимую концентрацию, чрезвычайно токсичные и хорошо растворимые в воде цианиды (соли синильной кислоты), радониды и другие вредные для человека соединения и элементы, такие как РЬ, Cd, As, F и Сг (IV). Поэтому захоронение требует специальной, дорогостоящей дезактивации этих отходов. Затраты на это, по данным зарубежной практики, составляют более 100 долл./т отходов, а в Японии, учитывая дефицит земли, 200 долл. В ряде стран захоронение без дезактивации пыли и
шламов металлургических предприятий запрещено законом [2]. Агентством по охране окружающей среды (США) в 1995 г. пыль электросталеплавильных цехов была отнесена к опасным отходам класса К061, требующим специальной обезвреживающей обработки.
Во-вторых, пыли и шламы газоочисток сталеплавильных цехов по содержанию железа и ряду других компонентов (СаО, МпО и С) являются ценным металлургическим сырьём. С ними, особенно пылью газоочисток электросталеплавильных цехов, кроме железа, теряется в настоящее время также целый ряд других ценных металлов и легирующих элементов -Zn, РЬ, Cd, Сг, N и др. [3].
Учитывая отмеченное, во всех странах с развитой металлургией непрерывно ведутся работы по утилизации мелких отходов в собственном производстве металлургических предприятий. Лидерами здесь являются Япония, США, Германия и Англия. Ведутся работы в Италии, Франции, Испании, Канаде и, в последнее время, весьма интенсивно в Китае.
Удаление из пыли и шламов цинка является сложной, дорогостоящей и далеко не всегда эффективной задачей. Причиной этого является то, что цинк в них находится в основном в виде трудновосстановимых соединений: ферритов, силикатов, сульфатов и сульфидов [4]. На сегодняшний день известны, существуют или апробированы следующие способы обес-цинкования железосодержащих пыли и шламов: гравитационные (мокрые), пирометаллургические, металлургические и гидрометаллургические.
Наибольшее применение в практике обесцинко-вания пыли и шламов получили пирометаллургиче-ские способы, сочетающие процессы твердофазного восстановления оксидов углеродосодержащими материалами (кокс или уголь) с возгонкой металлического цинка, свинца и других летучих примесей и получением металлизированного железосодержащего губчатого продукта (аналог способа «Вельц-
Раздел 8
процесс» в цветной металлургии). Восстановление происходит, как правило, во вращающихся трубчатых печах при температурах 1100-1200°С [5]. В процессе восстановления, наряду с образованием металлического железа, удаляется до 75-99% цинка и свинца. К пирометаллургическим технологиям, используемым в промышленных или опытно-промышленных условиях, относятся: СЛ-РН (Германия), «Кавасаки» и фирмы «Сумитомо киндзоку» (Япония), «Комет» и ряд других. Больше всего установок пирометаллургического способа обработки железо-цинкосодержащих пыли и шламов было построено в Японии, где в 1968-77 гг. действовало 6 заводов годовой мощностью от 60 до 350 тыс.т каждый. Но после 1977 г. их строительство было прекращено из-за очень высоких капвложений (815 млрд йен) и больших энергетических затрат - до 450 кг твёрдого топлива на тонну получаемых ме-таллизованных окатышей. К тому же эти процессы также не всегда обеспечивают необходимую степень удаления цинка. Получаемый металлизированный продукт - губчатое железо из-за высокой пирофор-
ности склонно к вторичному окислению (до самовозгорания) и требует особых условий хранения - в герметичных контейнерах или атмосфере инертного газа [2, 6].
К последним отечественным разработкам по использованию пирометаллургического способа («Вельц-процесса») для переработки железо-цинкосодержащих пыли и шламов металлургических заводов, созданных с учётом мирового опыта, относятся технологические схемы ГНЦРФ ОАО «Уральский институт металлов» (г. Екатеринбург) и Укр. ГНТЦ «Энергосталь» (г. Харьков) [7, 8].
По технологической схеме Уральского института металлов шламы вначале подвергаются обезвоживанию до влажности 6-8 % (рис. 1). Обезвоживание производится по стандартной весьма энергоёмкой схеме: сгущение в радиальных отстойниках ^ улавливание твёрдой составляющей шламов в вакуум- и пресс-фильтрах ^ сушка в специальных устройствах (обычно сушильных барабанах). После этого шламы перемешиваются с коксовой или угольной мелочью и брикетируются.
Прокатная сжали на (зам зеленная \ I —
ТфМНЧССИИ] I обесмаслнв&ни
Шлпмы «
Пыль
газоочисток
Сгущение, сушка
£
Сухой продукт
Производство брикетов
Ёезобжкговьв брннстц
11,ОСТ] I ¡14
металлургии
С
с
Металлизация
I
Обсели нжо баяне *
3
МетшноошшныН брнист
Агломерационное производство
>с
Прокатная окалкня (сухая)
3 е
К'оксопая иелочь. угадь
=1-
Известняк, дояомит
(ранэвоцстэо желеих]>л юса
3
Жепезрфлкк
галенлаинльное производство
3
Доменное производство
)
Рис. 1. Технологическая схема переработки и утилизации железосодержащих отходов
Уральского института металлов
Брикеты (размер куска 30х40х60 мм) подвергаются металлизации путём обжига во вращающемся барабане (печи). В процессе высокотемпературной обработки углеродо-железосодержащих брикетов получается металлизированное железорудное сырье для доменного и сталеплавильного производства (55-60% металлического железа) и цинкосодержащая пыль, улавливаемой газоочисткой (20-50% оксида цинка),
для цветной металлургии. Учитывая, что горячие металлизированные железосодержащие брикеты имеют высокую пирофорность (склонность к вторичному окислению до самовозгорания), они после обжига охлаждаются до температуры ниже 50°С в специальном барабанном охладителе.
Технологическая схема переработки железо-цинкосодержащих шламов и пыли Укр. ГНТЦ «Энер-
РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
госталь» не имеет принципиальных отличии от предыдущей (рис. 2): восстановление в ходе высокотемпературной обработки исходных железосодержащих отходов металлургических предприятий с получением металлизированной шихты для собственного производства и цинкосодержащего концентрата для цветной металлургии. Основным отличием схемы являет-
ся использование в качестве восстановителя, вместо твёрдых углеродосодержащих материалов (кокса и угля), отходов нефтепродуктов и масел собственного производства. Окускование брикетированием заменено на окатывание в тарельчатом грануляторе. В качестве топлива для высокотемпературной обработки используется природный газ и мазут.
IV ш 7
г/ Г -и 22 и
(Природный га^
Рис. 2. Технологическая схема переработки железосодержащих пътей и шламов Укр. ГНТЦ «Энергосталь»
Принцип работы схемы переработки железосодержащих пылей и шламов заключается в следующем: в расходные бункера 5 и 7 подаются основные (кроме прокатных шламов) и вспомогательные компоненты смеси; с помощью дозирующих устройств 9 они поступают в смеситель 10, откуда материалы направляются во второй смеситель 11 для смешения с прокатными шламами, поступающими из бункера 8; из смесителя 11 материалы подаются в чашечный гранулятор 12, в который из сборника 3 с помощью центробежного насоса через расходомер поступают жидкие маслоотходы; окомкованный продукт с помощью ленточного питателя направляются через загрузочный бункер во вращающуюся печь 13 для термообработки в противотоке продуктами сжигания в циклонной печи 14 топлива (природный газ, жидкие маслоотходы); полученный металлизированный продукт охлаждается в шахтном холодильнике 15 и направляется в бункер-накопитель 17; отходящий от холодильника 15 нагретый воздух, предварительно очищенный от пыли в циклоне 16, распределяется в циклонную печь 14 и дожигающее устройство циклонного типа 18; пыль из циклона 16 направляется в накопители 1 или 2; газообразные продукты высокотемпературной обработки окатышей от вращающейся печи направляются в дожигающее устройство 18, в котором происходит, за счёт подачи природного газа и маслоотходов через специальные горелки и воздуха из шахтного холодильника, окисление возгонов цинка, свинца, других вредных примесей и органических веществ; отходящие из дожигающего устройства газы
вначале поступают в котёл-утилизатор 19 и затем газоочистку, состоящую из циклона 20 и двухступенчатого рукавного фильтра 21 с импульсной регенерацией и обеспечивающей содержание пыли на выходе из системы в атмосферу менее 5 мг/м; пыль от газоочистки скребковым конвейером и струйным пневмонасосом подаётся в накопитель 22 и затем на микро-окомкование в смеситель 23.
Как видно из рассмотренного, схема оказалась конструктивно сложной. Сам процесс для получения необходимого эффекта (качества конечных продуктов) требует жёсткого соблюдения целого рада технологических параметров. Существенным фактором, влияющим на получение металлизированного продукта необходимого качества, является гомогенность (однородность) исходной смеси. Последняя зависит от многих факторов: физико-химических свойств исходных материалов (отходов) и порядка их перемешивания, типа смесительных аппаратов и других труднопрогнозируемых моментов. Для обеспечения необходимой степени металлизации на входе и выходе обжиговой печи необходимо поддерживать определённую температуру и давление, а внутри строго восстановительную среду. Для уменьшения склонности ко вторичному окислению получаемого металлизированного продукта нужна высокая степень его металлизации, равномерное охлаждение до температуры ниже 50°С и однородный гранулометрический состав, исключающий плотную укладку окатышей в местах хранения. Хранить металлизированные окатыши необходимо в специальных герметичных контейнерах
Раздел 8
марки СК-2-5, исключающих интенсивный обмен воздуха и попадание влаги, которая является мощным катализатором процесса вторичного окисления. Общим недостатком всех пирометаллургических способов переработки железосодержащих отходов металлургических предприятий является их энергоёмкость, трудность утилизации тепла сильно запылённых отходящих газов и возможность загрязнения окружающей среды.
В последние десять лет, учитывая всё возрастающую остроту проблемы утилизации железо-цинкосодержащих пылей и шламов на металлургических предприятиях, появилось много других пироме-таллургических способов их обесцинкования. В качестве агрегатов для высокотемпературной обработки, кроме устройств барабанного типа, используются реакторы кипящего слоя, шахтные печи, устройства с вращающимся подом и др. Пыль может использоваться в виде окатышей и брикетов или просто вдуваться и загружаться без предварительного окускования. Процесс может вестись в обычной атмосфере и в вакууме. Кроме твёрдых восстановителей используются жидкие и газообразные. Для нагрева, кроме газа и жидкого топлива, применяется электрическая дуга и даже плазма. Процессы могут быть одно-, двух- и многостадийными, а также комбинированными - пи-ро-гидрометаллургические и др. Конечными продуктами, кроме металлизированного железорудного материала для производства чугуна и стали, и концентрата цинка, других цветных и легирующих элементов (для дальнейшего их извлечения), может быть шлак с повышенным содержанием оксидов железа, углеродистый расплав металла или дезактивированный продукт для рекультивации почвы, использования в дорожном строительстве и пр. Но все эти способы решают частные задачи на отдельных заводах и не устраняют главных недостатков пирометаллурги-ческих процессов: сложность технологической схемы, систем улавливания пыли и, как следствие, высокие капитальные затраты; высокая энергоёмкость и расходы по переделу; возможность загрязнения окружающей среды. По данным крупнейшей сталелитейной компании «Гамбургерштальверке», предварительное обесцинкование тонны пыли, с получением чернового цинкового концентрата (до 32% Zn), обходится ей в 100 евро. Поэтому даже в Японии 40% же-лезо-цинкосодержащей электропечной пыли подвер-
гается детоксикации и используется для рекультивации земель [2]. Выводы:
1) достоинством пирометаллургических способов обесцинкования пылей и шламов сталеплавильных цехов металлургических предприятий является возможность получения высокой степени удаления цинка и свинца (до 75-90%) с одновременным получением металлизированного железосодержащего продукта для производства чугуна и стали;
2) общими недостатками пирометаллургических способов обесцинкования железосодержащих пылей и шламов являются: сложность технологической схемы и нестабильность получаемых результатов; высокие капвложения и большие энергетические затраты; высокая пирофорность (склонность к самовозгоранию) получаемого металлизированного продукта - губчатого железа, требующего дорогостоящей пассивации и специальных методов хранения и транспортировки; возможность загрязнения окружающей среды вредными выбросами и отходами.
Литература
1. Вождаев В.П. Утилизация железосодержащей пыли электродуговой печи и уменьшение вредных выбросов: обзор. Магнитогорск: КЦПК «Персонал», 2009. 77 с.
2. Шалимов А.Г. Установка для обработки пыли, образующейся в электродуговой печи // Новости чёрной металлургии за рубежом. 2001. № 1. С. 47-48.
3. Шалимов А.Г. Рециркуляция отходов чёрной металлургии // Новости чёрной металлургии за рубежом. 2000. № 3. С 53-55.
4. Карелов С.В. Комплексная переработка цинко- и свин-цовосодержащих пылей предприятий цветной металлургии: учебник. М.: ЦНИНЭИцветмет, 1996. 40 с.
5. Абдеев М.А. Вельцевание цинк-свинцовосодержащих материалов: учебник. М.: Металлургия, 1985. 120 с.
6. Мещеряков А.И., Корякова О.Ф. Утилизация железосодержащих отходов при производстве окатышей за рубежом // Бюллетень института «Черметинформация». 1985. № 9. С. 8-16.
7. Смирнов Л.А. Разработка комплексной схемы утилизации железосодержащих отходов // Сталь. 2001. № 1. С.89-90.
8. Ульянов В.П. Переработка некондиционных железосодержащих пылей и шламов металлургических процессов // Сталь. 2002. № 12. С. 69-75.
Сведения об авторах
Летимин Владислав Николаевич - канд. техн. наук, доц. института металлургии, машиностроения и материалообработ-ки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-30.
Насыров Тимур Мухтасарович - магистрант института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected]
Макарова Ирина Владимировна - канд. техн. наук, и.о. доц. института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-30.
♦ ♦ ♦
