книги / Промышленная экология. Утилизация крупнотоннажных отходов производства

ГЛАВА 2. ОТХОДЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В металлургическом производстве, в частности в черной металлургии, образуется большое количество твердых отходов при технологических процессах. По ориентировочным подсчетам, на получение 1 т стали используется 4,7 т сырья, из которых в твердые отходы уходит 0,4–0,6 т

Отходы складируются на больших площадях, которые занимают тысячи гектаров полезных земель. В них накоплено, по разным подсчетам, более 500 млн т шлаков, и ежегодно прибавляется примерно 80 млн т. Шлакоотвалы, размещаясь в непосредственной близости от водных объектов и населенных пунктов, формируют экологическую нагрузку выше приемлемого уровня.

Вместе с тем образующиеся на предприятиях черной металлургии железосодержащие отходы представляют собой крупный сырьевой источник для производства черных и цветных металлов. Их утилизация решает проблемы экономии природного сырья, существенного уменьшения выбросов, загрязняющих атмосферу, водоемы, почву.

2.1. Классификация металлургических отходов

Отходы металлургического производства можно классифицировать:

а) по производственным циклам – в гидрометаллургии (растворы, осадки, газы), при обогащении (хвосты, шламы, сливы), в пирометаллургии (шлаки, шламы, пыли, газы);

б) по фазовому составу – твердые (пыли, шламы, шлаки), газообразные (оксиды углерода, азота, соединение серы и др.), жидкие (растворы, эмульсии, суспензии);

в) по отраслям промышленности – цветная и черная металлур-

гия.

21

На металлургическом комбинате отходы образуются в виде пыли, шлака и шлама (при мокрой газоочистке). Железосодержащие отходы (пыль, шлам, окалина) наиболее ценные для черной металлургии.

По месту образования различают шламы:

агломерационных фабрик;

доменного производства (газоочисток доменных печей, подбункерных помещений доменных печей);

газоочисток мартеновских печей;

газоочисток конвертеров;

газоочисток электросталеплавильных печей.

По содержанию железа шламы разделяют:

на богатые (55–68 %) – пыль и шлам газоочисток конвертеров и мартеновских печей;

относительно богатые (40–55 %) – пыли и шламы агломерационного и доменного производства;

бедные (30–40 %) – пыль и шлам газоочисток электросталеплавильного производства.

Основными источниками образования отходов металлов являются производства:

–металлов и сплавов (шлаки, сплески, съемы, сора и пр.);

–проката (концы, обрезки, обдирочная стружка, опилки, ока-

лина);

–фасонного литья (шлаки, литники, выпоры, сплески);

–кабельной продукции (концы и обрезки проволоки, путанка);

–химической продукции (отработанные катализаторы, шламы);

–горячего и электролитического покрытия металлов (изгарь, шламы);

–механической обработки полуфабрикатов (высечка, обрезь, стружка, опилки);

–изготовления и ремонта твердосплавного инструмента (пылевидные и кусковые отходы).

Основными источниками образования металлолома и металлсодержащих отходов на металлургическом предприятии являются

22

производства, представленные в табл. 2.1. На каждую тонну произведенной продукции образуется металлоотходов: при производстве чугуна – 7–10 кг, отливок чугунных труб – 170–200 кг, стального литья – 530 кг, проката – 280 кг, чугунного литья – 350 кг, стали – 35–40 кг, стальных труб – 110–120 кг, поковок и штамповок –

175–180 кг.

Таблица 2.1

Источники образования лома и отходов основных переделов металлургического предприятия

Кроме шлаков, ежегодно образуется около 1 млн т шламов, которые содержат большое количество железа (до 50 %), и около 110 тыс. т пыли.

Как уже было сказано, твердые отходы занимают полезные площади. Из-за ветров происходит постоянное пыление отвалов, что приводит к загрязнению воздушного бассейна. Осадки (дожди, снег) выщелачивают из отвалов элементы и соединения, что приводит к загрязнению почвы опасными для окружающей среды соединениями.

23

2.2. Количество, химический состав и свойства металлургических отходов

Химический состав шлаков различных производств предприятий черной металлургии представлен в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Состав крупнотоннажных металлургических шлаков, %

По своим основным химическим компонентам и соединениям шламы агломерационных фабрик схожи с агломерационной шихтой. В основном они состоят из оксидов железа (магнетит, гематит)

изначительной доли углерода. Их отличает полидисперсный со-

став: до 12 % частиц в них крупнее 2,5 мм и до 13 % менее 0,08 мм. Плотность аглошламов 3,6–4,0 г/см3, удельный выход около 3 % от массы агломерата.

Железосодержащие отходы доменного производства улавливают на стадиях грубой и более тонкой очистки. На первой из них (в газоходах и сухих циклонах) оседает так называемая колошниковая пыль, на второй, мокрой, стадии образуется доменный шлам. Колошниковая пыль по составу близка к шихте доменных печей

при содержании частиц крупностью +100 мкм, как правило, более 60 % и плотностью 3,15–3,8 г/см3.

Мартеновские шламы наиболее богаты по содержанию железа

ивысокодисперсны (63–84 % кл. – 32 мкм). Их плотность 4,5– 5,0 г/см3, выход порядка 1,5 % от массы стали.

24

Конвертерные шламы почти так же богаты железом, как и мартеновские, но более грубы по гранулометрии: 30–35 % частиц крупнее 100 мкм, 50–60 % составляет фракция 8–100 мкм, до 20 % – крупность менее 8 мкм. Их плотность 3,5–5,0 г/см3, выход около 2,0 % от массы выплавляемой стали.

Шламы газоочистки электросталеплавильных печей беднее по железу, но разнообразнее по составу. Так, в зависимости от марок выплавляемых сталей в шламах может содержаться: 1,5–5,5 % МnО, до 10 % Сг, до 8 Ni, до 1 % Рb и т.д. Удельная плотность составляет 3,0–4,5 г/см3, гранулометрический состав: до 60 % – фракция 100–5 мкм и до 20–40 % – фракция 5 мкм. Объем образования шлама зависит от ряда факторов, прежде всего от состава шихты, и меняется в широких пределах от 0,5 до 7,5 %, составляя в среднем около 1,5 % от выхода готовой продукции.

Разнообразный состав железосодержащих пыли и шламов предопределяет возможное значительное количество стадий их переработки, для каждой из которых известно несколько основных технологий.

2.3.Нормы образования металлургических отходов

Всоответствии с нормативными удельными показателями образования отходов производства и потребления в табл. 2.3 представлены нормы образования металлургических отходов.

Продолжение табл. 2.3

Окончание табл. 2.3

2.4. Основные пути утилизации металлургических отходов

Несмотря на то, что шлаки являются нецелевыми продуктами, объем их использования, особенно в черной металлургии, в настоящее время значителен. Доменные шлаки утилизируют практически на 100 %, сталеплавильные – на 60 %, медные и никелевые – на 40–47 %.

27

Потребителем шлаков выступает ряд производств, однако в наибольшей степени их применяют при изготовлении строительных материалов. Имеются в виду прежде всего гранулированный шлак, щебень, песок, пемза, шлаковата, литые изделия, портланд- и шлакопортландцементы, шлакоситаллы. Шлаки используют также для извлечения металлов и иногда – в качестве минеральных удобрений. Рассмотрим подробнее основные направления их промышленной утилизации.

2.4.1. Изготовление строительных материалов

Получение щебня и песка с извлечением металла. Щебень – распространенный строительный материал. Он широко используется в качестве крупного заполнителя при производстве бетонов, применяется для устройства оснований и подстилающих слоев автомобильных и железных дорог. В настоящее время для его получения в равной мере привлекают каменные материалы естественного и искусственного происхождения. Добычу первых ведут в специальных карьерах, в качестве вторых используют ряд промышленных отходов. Среди них основное место занимают различные виды шлаков крупнотоннажных металлургических производств. Шлаковый щебень по своим свойствам (прочность, устойчивость, морозостойкость) соответствует производимому из горных пород и заменяет его с эквивалентом, равным единице. Допустимые размеры его фракций варьируют от 5–10 до 70–120 мм.

Щебень получают из медленно охлажденных жидких шлаков (литой щебень), ковшовых остатков текущей выдачи шлаков (коржей), а также отвальных шлаков. Медленное охлаждение способствует образованию кристаллической структуры щебня.

На многих заводах металлопродукт, зашлакованный до 15– 40 %, используется непосредственно в сталеплавильном производстве, до 40–50 % – в доменном, и до 50–70 % – в агломерационном. При этом достигается значительный экономический эффект, так как металл, извлекаемый из шлака, на 30–40 % дешевле металлолома.

28

При получении щебня дроблением неизбежен выход фракции менее 5 мм, которая как щебень некондиционна, но отвечает по крупности пескам (5,0–0,14 мм). В частности, при дроблении доменных шлаков образуется до 15–20 % песка с насыпной плотностью 1320–1370 кг/м3. Он полностью используется при изготовлении рядового бетона, гипсобетона, железобетонных труб, гипсошлаковых перегородок. Песок из сталеплавильных шлаков применяется как наполнитель асфальтобетона. В качестве мелкого заполнителя бетона утилизируется фракция 5–0 мм отвальных шлаков медной и никелевой плавок и т.д.

Шлаковая пемза. Шлаковую пемзу, или термозит, получают вспучиванием расплава металлургических, обычно доменных, шлаков ограниченным количеством воды при их быстром охлаждении с последующей кристаллизацией пористой массы. В результате появляется продукт с меньшей, чем у исходного шлака, плотностью.

Характеристики пемзы: насыпная плотность 600–800 кг/м3, прочность 75–125 кг/см2, пористость 48–55 %, размер пор не более 10–3 мкм, теплопроводность в засыпке 0,18–0,28 Вт/(м·°С), морозостойкость более 15 циклов.

Области применения термозита: заполнители при производстве легких бетонов и конструкций, теплоизоляционная засыпка. Его использование снижает массу ограждающих конструкций зданий по сравнению с кирпичом на 10–15 % и расход цемента – на 15–20 %.

Производство пемзы, как и гранулированного шлака, сопровождается образованием в парогазовой смеси сернистых соединений (H2S, SO2) в концентрациях, превышающих ПДК, а также пылевыделением (до 3–4 г/м3). Снижения выбросов при реализации данной технологии можно достичь, производя предварительное охлаждение пемзы до начала размещения на площадке остывания, а также используя безводные технологии ее производства.

Минеральная вата и изделия из нее. Одна из областей ши-

рокого использования изделий из шлаковых расплавов – изготов-

29

ление тепло- и звукоизоляционных материалов, в частности минеральных ваты и плит. В общем выпуске теплоизоляционных материалов минеральная вата и плиты на ее основе составляют бо-

лее 50 %.

Малая теплопроводность этих изделий обусловлена высокой пористостью. Например, минераловатный войлок на синтетической связке имеет объемную массу 50 кг/м3, истинную пористость 98 %

икоэффициент теплопроводности в 20 раз более низкий, чем у кладки из красного кирпича. Минераловатные изделия могут применяться при температурах до 600 °С. Они имеют относительно низкую стоимость, огне- и биостойки и обладают малой гигроскопичностью.

Минеральная вата на 75–88 % состоит из волокон диаметром до 6–7 мкм, длиной 2–10 мм, а также содержит шарообразные или грушевидные корольки, ухудшающие ее свойства.

Основное сырье для выпуска минераловатных изделий – кислые доменные шлаки, т.е. имеющие высокое содержание оксидов кремния и алюминия, а также ваграночные и мартеновские, медные

иникелевые отвальные и др. Из них производят более 80 % этих материалов.

Минеральную вату получают центробежно-дутьевым способом (до 90 % от общего объема производства минеральной ваты), центробежным способом (8–9 %) и фильерно-дутьевым (1–2 %).

Шлакоситаллы. Ситаллами называют искусственные композиции микрокристаллического строения, получаемые направленной инициированной кристаллизацией изделий из стекольных масс. Часть их (шлакоситаллы) получают на основе шлаков, преимущественно доменных.

Шлакоситаллы обладают высокой прочностью на сжатие (до 500 МПа). Они прочнее, чем каменное литье, кислотоупорная керамика, фарфор и некоторые природные камни. Их прочность на изгиб близка к прочности чугуна, хотя они втрое легче. Им присуще высокое сопротивление истиранию, которое превышает аналогичный показатель каменного литья в 4–8 раз, гранита и мрамора

30