Экология металлургии

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 

 

 

Доклад на тему:

 

“Экология металлургии ”

 

                                                                                     

Подготовил  студент  5-го курса 2-й группы

Комар Дамиан Ингваррович

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2012 г.

 

 

 

О проблеме.

К середине ХХ века и особенно в последние десятилетия в результате быстрого развития промышленности, транспорта, энергетики резко усилилась антропогенная нагрузка на природу, стала очевидной опасность истощения естественных ресурсов, необратимого загрязнения и изменения окружающей среды. Статистические данные свидетельствуют о том, что на планете ежегодно сжигается около 1 млрд тонн условного топлива, выбрасываются в атмосферу десятки миллионов тонн окислов азота и серы (часть из них возвращается в виде т.н. кислотных дождей), более 400 млн тонн золы, сажи и пыли. Загрязнение атмосферного воздуха, пресной воды, плодородной почвы приняло глобальный характер. При этом масштабы загрязнений столь велики, что естественные способности биосферы к нейтрализации вредных веществ и самоочищению практически исчерпаны.

В сознании людей металлургия  ассоциируется с большим экологическим  злом. Колоссальные объемы перерабатываемого  сырья, широчайшее использование высокотемпературных  технологий и процессов горения  предопределяют соответствующее воздействие  на окружающую среду. Влияние металлургии  на природу и человека особенно велико в регионах расположения металлургических комбинатов большой мощности. Это  дополнительная плата за получение  металлов - основы современной цивилизации. Жизнь человека невозможно представить  без металлов, что находит отражение  даже в классификации эпох (бронзовый, железный века). Так что, металлургия действительно неизбежное экологическое зло?

Еще 30-40 лет назад были прогнозы, согласно которым объем произведенных  к концу XX века металлов (металлофонд) будет вполне достаточен для дальнейшего существования и развития цивилизации. Поэтому задача металлургии свелась бы к многократному использованию (переплаву) имеющегося металлофонда.

 
  При таком развитии многие экологические и сырьевые проблемы металлургии должны были исчезнуть. Однако время показало несостоятельность этих прогнозов. 

 
  Мировое производство чугуна и стали на рубеже веков достигло примерно 550 млн. и почти 800 млн. т соответственно, то есть только треть производства стали обеспечивается переработкой вторичных ресурсов. Хотя использование металлофонда возросло, это не привело к существенному снижению производства “первородных” металлов из руд, что обусловлено двумя причинами. Основная – это возрастающие потребности в металлах. Кроме того, опыт многократного переплава металлолома выявил значительные проблемы: необходимость сортировки, накопление вредных примесей, трудности переработки крупногабаритных изделий. 
Неснижающиеся объемы производства остро требуют решения сопутствующих экологических проблем,  прежде всего утилизации накапливаемых отходов.

 

  Одновременно из-за истощения запасов минерального сырья возникают задачи ресурсосбережения [1]. Эти проблемы и задачи взаимосвязаны. Для экологии идеальная организация технологии предполагает использование побочных продуктов и отходов одного производства в других. Одновременно это идеальная схема ресурсосберегающей технологии, то есть задачи экологии и ресурсосбережения во многом совпадают и объединяются в единую глобальную ресурсоэкологическую задачу. Таким образом, утилизация техногенных отходов является комплексной ресурсоэкологической проблемой. Как решается эта проблема, и какие пути ее реализации возможны в черной металлургии?

 

Концепция экологически чистого производства.

Экспериментальные и теоретические исследования воздействий производственных процессов на параметры окружающей среды, анализ и систематизация современных отечественных и зарубежных достижений в области создания ресурсо- и энергососберегающих малоотходных технологий позволили разработать концепцию экологизации действующих и вновь создаваемых экологически чистых производств в структуре многоотраслевых промышленных центров (МПЦ) [3,4]. Уровень совершенства металлургического производства, как технической системы природопользования, в значительной мере зависит от степени использования отходов. Переработка отходов является обязательным элементом экологически чистого производства (ЭЧП). Теоретической основой концепции является модель экологически чистого производства (процесса). С позиции взаимодействия технологических систем с окружающей средой "ЭЧП – такое производство (процесс) нормальное, функционирование которого не приводит к увеличению фоновых концентраций и уровней элементов и параметров окружающей среды, а в экстремальных и аварийных ситуациях его воздействия не приводят к превышению ПДК и ПДУ параметров окружающей среды и не нарушают равновесия биосферы".

Суть заключается в  следующем: 1. При обращении с отходами  должен соблюдаться принцип автотрофности отдельного процесса или производства как элемента техносферы. При этом технологические процессы рассматривается как элементарные экологические модули. 2. Семейство модулей, входящих  в производственные комплексы,  взаимодействуют путем реализации  внутрипроизводственных связей. 3. Внутренние связи между  элементарными модулями функционируют  по модели "донор-реципиент", когда отходы одного или нескольких процессов являются вторичным сырьём или катализатором других. 4. Если технологически  необходимым является осуществление  дополнительной подготовки отходов,  то в структуру предприятия  вводится дополнительный экологически  чистый процесс, который является  – "модулем внутренней связи". 5. При синтезе модуля  внутренней связи выполняется  условие "мини-максности" – максимального использования твердых, жидких и газообразных внутри производственных отходов и минимального привлечения первичного сырья и энергоресурсов. 6. При соблюдении условий  (1-5) предприятие рассматривается  как экологически чистый модуль. Его можно использовать в качестве "элементарного" модуля при  синтезе МПЦ, применяя тот же  методический подход, что и при синтезе экологически чистого предприятия, включая модели "донор-реципиент" и "модуль внутренней связи". Сам МПЦ в результате синтеза по экологическому принципу, в конце концов, должен перейти в разряд экологически чистого, то есть в «элементарный модуль более высокого уровня". Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) технических  систем как экспериментально-аналитический  метод прогнозирования экологических  последствий освоения новых технологий выполняется с учетом "жизненного цикла" продукции и дает ответ  на следующие вопросы: – справится ли окружающая среда с дополнительными выбросами  и отходами; – какова вероятность катастрофы; – каково влияние производства на фауну и флору; – наносится ли урон объектам национального достояния и т.д.     Образование отходов металлургии.          Ухудшение экологической обстановки металлургией небезосновательно связано с загрязнением атмосферы, но его не следует и преувеличивать. В выбросах оксида серы мировой вклад металлургии составляет 15% (более половины из них дает цветная металлургия), столько же - химия, а лидирует энергетика (70%). Аналогичное соотношение характерно и для оксидов азота. Методы очистки газов хорошо разработаны и одинаковы для всех отраслей промышленности, поэтому мы не затрагиваем эти вопросы. Однако металлургия является источником и огромной массы твердых отходов (р1).         Основной путь получения металлов - пирометаллургия, использующая высокотемпературные процессы. Выплавке металла предшествуют обогащение и подготовка руд: агломерация (спекание железорудного  сырья) в черной металлургии, плавка на штейн (расплав сульфидов металлов) в цветной металлургии. На каждой операции образуются отходы. Их можно разделить на предшествующие металлургическому переделу и сопутствующие ему.              Обогащение руд приводит к образованию хвостов - дисперсной фракции с низким содержанием основного компонента. Другой пример - красные шламы, отходы переработки бокситов на глинозем Al2O3 . Они содержат до 50-60% Fe2O3 , а их запасы превышают 150 млн. т. Отходы, сопутствующие металлургическим переделам, включают несколько видов. При выплавке металлов формируются шлаки, основу которых составляют оксиды. Это наиболее массовый вид отходов. Работа металлургических агрегатов сопровождается выносом пыли с отходящими газами. При мокрой газоочистке эта пыль в отстойниках превращается в кашеобразную массу (шлам). При последующих переделах (разливка стали, прокатка) образуются окалина и обрезь (скрап). Основным полезным компонентом отходов металлургии, включая цветную, является железо, и решение ресурсоэкологической задачи их утилизации может быть получено в черной металлургии.

Рисунок 1. Образование и  использование отходов металлургии.

 

Экологическая опасность отходов  определятся сочетанием многих факторов. Прежде всего это их физическое состояние, химический состав и наличие экотоксикантов. Техногенные отходы металлургии часто содержат элементы, опасные для человека и экосистемы. Это мышьяк, сера, фосфор, тяжелые цветные металлы - цинк, свинец, кадмий. Экологическая опасность таких отходов резко возрастает из-за их дисперсности. 
Наибольшую угрозу представляют пыли и шламы, которые рассеиваются ветром при хранении. 

 Малые размеры частиц способствуют переходу элементов в водорастворимые соединения, так называемому выщелачиванию. Из-за амфотерности многих металлов выщелачивание происходит при любом рН. Вредные вещества и ионы тяжелых металлов попадают в воду и почву. Очень токсичны пыли электросталеплавильных печей, в которых также содержатся хлор и фтор (в США плата за их хранение составляет десятки долларов за 1 т). Концентрация вредных компонентов в пылях и шламах в десятки и сотни раз больше, чем в шлаках, что связано с летучестью многих примесей. Поэтому уже простой перевод пыли в компактное состояние (спекание, сплавление) дает значительный экологический эффект. Вредные примеси содержатся и в шлаках цветной металлургии, однако здесь они находятся в компактном состоянии шлакового монолита, что существенно снижает экологическую опасность. Еще инертнее шлаки черной металлургии.

 
  Таким образом, отходы металлургии включают и высокотоксичные материалы (пыли), и относительно инертные (доменные шлаки). Но даже складирование сотен миллионов тонн отходов требует отторжения больших площадей.

 

Утилизация отходов металлургии.

 

Главными факторами, определяющими  возможность экологически безопасной утилизации отходов, вновь становятся их физическое состояние и химический состав. На это накладываются технические  возможности существующих технологий и экономическая целесообразность с учетом экологической перспективы. Можно выделить три подхода к  утилизации отходов: прямое использование, переработка с извлечением полезных компонентов, уничтожение. Наиболее рациональны  первые два, но не все отходы можно  переработать. Несмотря на наличие  полезных компонентов, на настоящем  этапе может не существовать эффективных  технологий их извлечения. Такие отходы дешевле и безопаснее уничтожить. Рассмотрим направления утилизации отходов в черной металлургии, которая  становится их потребителем (см. рис. 1).

 

Прямое использование  отходов.

 Прямое использование  - наиболее простой и эффективный  путь утилизации отходов, предполагающий  минимальные затраты на их  переработку. Оно возможно и  рационально, если отходы экологически  безопасны и не содержат извлекаемых  компонентов. Или, наоборот, в  них преобладает полезный компонент,  как в скрапе. Без какой-либо  подготовки, кроме сортировки по  составу, его используют при  выплавке стали. Аналогично утилизируют  отходы машиностроения, армейскую  технику и любой металлолом, то  есть перерабатывают несобственные  отходы металлургии. Другим примером  прямого использования является  окалина (добавка при выплавке  стали, производстве агломерата). 
 Типичный пример отходов первого типа - доменный шлак. Он не содержит извлекаемых компонентов и экологически безопасен. Его выход составляет более 150 млн. т в год. Однако существующие технологии переработки позволяют утверждать, что доменный шлак - это не отход, а промышленное сырье, которое в индустриально развитых странах используется практически полностью. Его наиболее крупными потребителями являются цементная промышленность (в Японии - 70% доменного шлака, в ФРГ - 55%) и дорожное строительство (в Японии - 20%, в ФРГ - 40%). Применение шлака при производстве цемента дает дополнительный ресурсоэкологический эффект, так как снижает энергозатраты на 40% и уменьшает выбросы CO2 . 
Основу шлака составляют CaO и SiO2 . При кристаллизации расплава образуется двухкальциевый силикат 2CaO*SiO2 , который при охлаждении претерпевает полиморфное превращение, сопровождающееся увеличением объема. Это вызывает саморассыпаемость шлака. Предотвращение саморассыпаемости достигается увеличением скорости охлаждения расплава при его грануляции, например распылением в воду. Гранулированный шлак имеет много преимуществ, и его производство непрерывно увеличивается (в странах ЕС гранулируют 70% шлака). При определенных составах и большой скорости охлаждения шлак затвердевает без кристаллизации и приобретает стекловидную аморфную структуру. Из шлака делают отливки (каменное литье), производят техническое стекло и стекловату. Большое содержание железа в сталеплавильных шлаках (до 20%) затрудняет их использование в цементной промышленности. Основное применение - изготовление щебня для дорог. Шлак надо стабилизировать, чтобы связать избыток CaO и перевести железо в трехвалентное состояние. Кто повышает химическую стойкость и уменьшает выщелачивание. Шлаки с высоким содержанием фосфора и CaO используют как удобрение и при известковании почв. Но при большом содержании железа это неэффективно, и часть шлака подвергают вторичной металлургической переработке (в Японии и ФРГ до 20%).

Переработка отходов с  извлечением полезных компонентов.

 Переработке с извлечением  полезных компонентов могут подвергнуться  различные отходы, но их состав, дисперсность, влажность затрудняют  применение существующих технологий. Рассмотрим отходы, которые постоянно  накапливаются и требуют новых  площадей для хранения. Это хвосты  обогащения, пыли и шламы, шлаки  цветной металлургии. Концентрация  железа в этих шлаках достигает  25% и более, а в пылях и шламах черной металлургии до 60%, что превышает показатели необогащенных руд. Но все они содержат примеси летучих металлов, прежде всего Zn (3Р7% в шлаках медных заводов, 6-10% в свинцовых). В отвалах цветной металлургии содержатся Cu, Co, Ni, Ag. Огромные запасы отходов привели к возникновению своеобразных техногенных месторождений [2]. 
Возникает закономерный вопрос: почему бы не использовать отходы, заменяя уменьшающиеся запасы руд? Так решались бы и задачи ресурсосбережения и экологии. Ответ прост: нет промышленных технологий переработки отходов. Их использование затруднено дисперсностью и присутствием летучих металлов. Хвосты обогащения дисперсны, но не содержат летучих примесей. Шлаки – компактный продукт, но содержат много примесей. Пылям и шламам присущи оба недостатка. 
Окисленная форма железа в отходах определяет необходимость их переработки восстановительными процессами, например доменным. Однако дисперсные материалы нарушают газодинамику печи и увеличивают пылевынос. Применение агломерации не решает проблемы, так как процесс связан с интенсивным прососом газов через слой шихтовых материалов. Поэтому такие отходы должны быть предварительно окомкованы (получаемый продукт называют окатышами). Но этим не исчерпываются трудности переработки отходов с летучими примесями. 
Рассмотрим влияние цинка и щелочных металлов на ход доменной плавки. Эти элементы не только летучи (имеют высокое давление насыщенного пара), но и легко восстанавливаются уже на средних горизонтах печи в виде паров. Поднимаясь с газовым потоком, пары окисляются и конденсируются на поверхности шихтовых материалов. Со столбом шихты оксиды опускаются, опять попадают в зону высоких температур, восстанавливаются, и возникает круговорот металлов (рис. 2). Причина циркуляции лежит в самом принципе шахтной печи, где всегда существуют градиенты окислительно-восстановительных условий и температуры по ее высоте. Циркуляция увеличивает расход кокса - дефицитного и дорогого топлива. Кроме того, примеси конденсируются на стенках доменной печи. 
Щелочные металлы растворяются в огнеупорной футеровке, подвергая ее химической эрозии. Цинк и его оксид образуют наросты (настыли), которые механически разрушают футеровку.  
 Таким образом, даже при использовании окатышей из высокожелезистых окомкованных пылей и шламов происходит перерасход кокса и возникает взаимодействие примесей с футеровкой. При переработке отходов цветной металлургии это усугубляется дополнительным расходом кокса из-за более низкого содержания железа. Окатыши из чистых по примесям хвостов обогащения приводят к перерасходу кокса по этой же причине. Поэтому переработка указанных материалов очень ограниченна. 
Шламовые отвалы пытались ликвидировать, используя их для засыпки отработанных карьеров и оврагов с последующей рекультивацией плодородной землей. Однако полученные “плоды” содержали токсичные вещества, и эта практика была прекращена. Аналогичный пример: отсыпка искусственных островов из шламов приводила к появлению токсинов в морепродуктах. Помимо неэкологичности таких решений они сводятся к закапыванию железа в землю, из которой его извлекали.