Ресурсосбережение на предприятиях черной металлургии Вологодской области

     2.1. Утилизация отходов в 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. 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. 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. 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 [3].

     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 (НЛМК). 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. Схема печи Ромелт представлена на рис. 1. 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 1500 °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 [4,c.15]. 

     Риc. 1. 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) . 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. 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 [5]. 

       3. Влияние хозяйственной деятельности на состояние окружающей среды Вологодской области

     Вологодская область является одним из индустриально  развитых регионов России. Основная цель экономической политики Правительства  области – это стабильное и  поступательное развитие региона и  повышение уровня жизни населения. Вологодская область занимает 10-е место в России по объему отгруженной продукции на душу населения и 3-е место среди регионов Северо-Западного федерального округа. На долю промышленности приходится более половины объема валового регионального продукта, индекс промышленного производства в 2010 г. составил 78,4% к уровню 2009 г. (см. табл. 1).

     Таблица 1

     Динамика  индекса промышленного производства и факторов воздействия на природную  среду

     В 2010 г. увеличились объемы в химическом производстве (минеральные удобрения) – индекс промышленного производства составил 106,5%. Снижение объемов произошло в металлургическом производстве и производстве готовых металлических изделий – 88,0%, целлюлозно-бумажном производстве, издательской и полиграфической деятельности – 85,1, производстве и распределении электроэнергии, газа и воды – 89% к уровню 2009 г. [6].

     3.1. Влияние хозяйственной деятельности на состояние атмосферного воздуха

     По  объему выбросов от стационарных источников Вологодская область находится  на 10-м месте среди регионов Российской Федерации. В 2010 г. количество выбросов от стационарных источников загрязнения составило 404,8 тыс. тонн, по сравнению с 2009 г. выбросы уменьшились на 11,3%. На загрязнение атмосферного воздуха на территории области в значительной степени оказывают влияние предприятия черной металлургии, электро- и теплоэнергетики. В пяти районах области основная масса выбросов поступала от компрессорных станций магистральных газопроводов [8].

     В 2010 г. доля выбросов загрязняющих веществ по обрабатывающим производствам составила 76%, что на 1,8% больше уровня 2009 г. По обрабатывающим производствам произошло снижение выбросов на 8,2%, в том числе по металлургическому производству и производству готовых металлических изделий – на 8,1%, по производству и распределению электроэнергии, газа и воды – на 26,9%.

     Из  всей массы загрязняющих веществ, которые  поступили в атмосферу от антропогенных источников, 90% составляют газообразные и жидкие вещества (оксиды серы – 10%, азота – 7, углерода – 60%), 10% – твердые. Общее количество обезвреженных веществ составило 1578,3 тыс. тонн (79,3% от общего количества образовавшихся загрязняющих веществ; в 2008 г. – 81,7%), утилизировано 634,3 тыс. тонн (40,2% от общего количества уловленных веществ).

     Предприятия металлургического производства являются основными загрязнителями атмосферного воздуха в регионе. На черную металлургию в 2010 г. приходилось 70,7% всех выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников.

     Снижение  объемов производства основных видов продукции в 2010 г. привело к значительному уменьшению выбросов вредных веществ в атмосферу. Выбросы загрязняющих веществ в целом по металлургическому производству и производству готовых металлических изделий за 2010 г. уменьшились на 25,6 тыс. тонн (оксида углерода – на 33 тыс. тонн, твердых веществ – на 8 тыс. тонн). В 2010 г. выбросы диоксида серы в атмосферу увеличились на 12 тыс. тонн. 

     Согласно  отчетов о реализации экологических  программ и природоохранных мероприятий, представленных органами исполнительной власти муниципальных образований  и природопользователями, в 2010 г. на реализацию мероприятий по охране атмосферного воздуха из бюджетов всех уровней и средств предприятий направлено 1410 млн. рублей.