|
|
Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
Часть шестая
ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ
25. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
25.1. ВИДЫ ОТХОДОВ
Остатки, образующиеся в процессах промышленного и сельскохозяйственного производства и жизнедеятельности людей, называются отходами. Отходы могут различаться по виду (твердые, жидкие, газообразные) и по происхождению:
1. Отходы производства (промышленные отходы). Сюда относятся: стружка и другие металлоотходы, образующиеся при обработке металлов; шлаки; зола, образующаяся при сжигании топлива, и т. п.
2. Отходы производственного потребления — непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению машины, инструменты и т. п.
3. Бытовые (коммунальные) отходы.
Кроме того, обычно выделяют и особо учитывают:
4. Опасные отходы (ядохимикаты, канцерогенные материалы и т. п.).
5. Радиоактивные отходы (РАО).
По мере развития производительных сил общая масса отходов в мире возрастает. Проблема обработки и утилизации отходов становится одной из важнейших проблем, которую должно решать человечество в XXI в.
Последовательность действий, связанных с обработкой отходов, в принципе следующая: а) предупреждение образования отходов; б) сокращение образования отходов; в) повторное использование (от англ, recycling); г) окончательное удаление отходов.
Ситуация с утилизацией отходов в отдельных отраслях существенно неодинакова. В металлургии степень использования отходов достаточно высока (переплав металлолома черных и цветных металлов). Гораздо проблематичнее переработка твердых бытовых отходов (ТБО), масса которых непрерывно растет. Один из вариантов организации их переработки — использование способов высокотемпературной обработки ТБО в металлургических агрегатах. .. Необходимо помнить, что утилиза-.ция отходов независимо от их проис-/хождения необходима для решения чисто экологических проблем, так как отходы отрицательно воздействуют на воздух и воду, занимают и выводят из строя значительные площади земельных угодий (свалки, шлаковые отвалы и т. п.). Свалки отравляют почву; при этом загрязняются подпочвенные воды, воздушное пространство.
В принципе организованная утилизация отходов существенно «снимает нагрузку» с природы, помогая восстанавливать окружающую среду.
25.2. ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЫ
Даже при использовании малоотходных технологий конечные продукты производства существенно меньше расходуемых сырых материалов, воды, электроэнергии (на производство которой расходуются уголь, газ, нефть) и т.д. В горной промышленности, энергетике, химическом производстве, металлургии, машиностроении, строительстве образуются отходы, масса которых в мире возрастает. Эти отходы получили название техногенных1.
1 От греч. techne — искусство, мастерство и genos — рожденный.
Проблема заключается в том, что основная масса техногенных отходов и не перерабатывается, и не может быть переработана на тех предприятиях, где образуется. По имеющимся данным, только на территории РФ таких отходов накоплено более 80 млрд. т. Между тем они могут быть переработаны и утилизированы с пользой для народного хозяйства.
Вблизи некоторых крупных предприятий за много лет скопились горы (или свалки) техногенных отходов, которые ранее не утилизировались. Эти скопления получили название; техногенных, месторождений. Составы-отдельных скоплений техногенных отходов существенно различны, различны и технологии их утилизации. Обычно их подразделяют в зависимости от источника образования. В РФ наибольшая масса твердых техногенных отходов, по данным 1998г., может быть включена в следующий перечень:
а) по массе, млн. т/год
Вскрышные породы (отвальные 4200
и шахтные)
Отходы животноводства и птице- 140-150
водства
Отходы углеобогащения 60
Золошлаковые отходы 55
Нефелиновые хвосты 38
6) по объему, млн. м3/год
Твердые бытовые отходы 140
Осадки городских сточных вод 80
Древесные отходы 35,7
Осадки промышленных сточных вод 35
Отходы целлюлозно-бумажной 2,5 промышленности
Приведенные цифры свидетельствуют о том, что;масса ежегодно образующихся техногенных отходов настолько огромна, что переработка их может явиться одним из путей решения проблем источников сырья.
Широкий спектр источников образования отходов соответственно определяет и разнообразие их состава и технологий утилизации. В тех случаях, когда технологии безопасных и эффективных методов переработки и утилизации некоторых видов отходов еще не разработаны, их складируют отдельно (получил распространение термин отложенные отходы). Когда утилизируются отходы, полученные в ходе того или ино-
го производства, состав их обычно известен (к ним применим термин свежие отходы).
В отечественной литературе широко употребляют выражение использование вторичных ресурсов или использование вторичного сырья. В зарубежной литературе (а в последнее время и в отечественной) применяют термин рециклинг (от англ, recycling — повторный цикл). В тех случаях, когда характер отходов позволяет их утилизировать в том же производстве, где они образуются, оправданно применение термина производственный рециклинг. Особое значение он имеет для черной металлургии, где почти все образующиеся отходы утилизируются на самом металлургическом производстве, т. е. в черной металлургии имеет место именно производственный рециклинг.
25.3. ПРОБЛЕМА ОПАСНЫХ ОТХОДОВ
Определенная часть отходов может быть отнесена к так называемым опасным отходам (по причине токсичности, радиоактивности и т. п.). К веществам 1-го класса токсичности относятся, в частности, ртутьсодер-жащие отходы и шламы хроматного производства, содержащие до 5 % высокотоксичного шестивалентного хрома.
К токсичным отходам относятся также некоторые отходы машиностроения: некоторые виды шламов (прежде всего гальвано шламы); отходы, содержащие кадмий, мышьяк и др. Переработка таких отходов требует особого внимания и использования специальных технологий.
В сталеплавильном производстве такие отходы обычно не используют.
К опасным отходам также относятся такие материалы, как неиспользованные (по разным причинам) по назначению снаряды, мины и т. п.
Необходим особый контроль для предотвращения попадания в шихту отходов, загрязненных радиоактивными веществами. В противном случае помимо загрязнения готовой продукции в процессе плавки метала происходит концентрирование некоторых радиоактивных веществ в шлаке и огнеупорной кладке.
25.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ (УТИЛИЗАЦИИ) ОТХОДОВ
Мировая практика показала, что основная масса всех образующихся техногенных отходов не может быть переработана (утилизирована) на тех предприятиях, где эти отходы образуются. Все большее распространение получает практика использования отходов смежных отраслей. При решении этой проблемы особая роль отводится черной металлургии. Все большее распространение получает мнение, что предприятия черной металлургии в состоянии утилизировать (с высокой степенью эффективности) подавляющее большинство отходов самых разных отраслей, включая даже бытовые отходы. Почему сложилось такое мнение?
Комплекс современных предприятий черной металлургии включает перечень агрегатов и производств с полным набором возможных технологических характеристик: 1) возможность иметь низкие, высокие, очень высокие температуры; 2) возможность иметь окислительную, нейтральную, восстановительную атмосферу; 3) диапазон давлений от 1 МПа и более (от 10 ат и более) до технического вакуума; 4) полный набор оборудования для помола, измельчения, дробления материалов; 5) полный набор оборудования для сушки и нагрева материалов в разных агрегатах, в том числе в таких энергоэкономных, как шахтные печи; 6) полный набор оборудования для улавливания всевозможных выделений и очистки выделяющихся газов (что важно при обработке отходов).
25.5. ПОДГОТОВКА ОТХОДОВ К ПЕРЕРАБОТКЕ
25.5.1. Обогащение. Во многих случаях отходы представляют собой твердые материалы, содержащие ценные компоненты в весьма малых концентрациях. Для эффективного использования (утилизации) таких материалов требуется их обогащение. Для этого применимы технологии, аналогичные используемым в металлургии при обогащении бедных руд. Технологическая цепочка при этом выглядит следующим образом: 1) дробление и измельчение; 2) собственно обогащение.
При разной плотности разделяемых компонентов применяют методы гравитационного обогащения, основанные на различии в скорости движения частиц в водной или воздушной среде под действием гравитационных или центробежных сил. Если компоненты обладают неодинаковой магнитной восприимчивостью, то используют методы магнитной сепарации. Это так называемое магнитное обогащение, которое осуществляют в специальных аппаратах — магнитных сепараторах. Поле создается магнитами постоянного тока. Силовые линии магнитного поля воздействуют на частицы материала, обладающего заметной магнитной восприимчивостью; при этом меняется траектория движения магнитных частиц и их можно отделить от других частиц. Учитывая эффективность этого метода, стремятся придать магнитные свойства некоторым материалам. Например, при обогащении гематитовых руд и бурых железняков (слабомагнитные материалы) их подвергают так называемому магнетизирующему обжигу, при котором гематит Ре2Оз частично восстанавливается до магнетита FезО4:
3Fe2O3 + СО = 2Ре304 + СО2.
При различии в электрических свойствах (электропроводности, диэлектрической проницаемости, способности заряжаться при трении) для разделения компонентов материала используют методы электрической сепарации. С помощью электрической сепарации удобно отделять абразивы и некоторые другие промышленные отходы.
На различии поверхностных свойств разделяемых компонентов основан, в частности, такой эффективный способ, как флотация '. Этот процесс разделения мелких твердых частиц основан на различии их в смачиваемости водой. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы закрепляются на границе раздела фаз (газа и воды), отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) и всплывают вместе с пузырьками газа. При масляной флотации измельченные материалы смачиваются водой, к которой добавлено масло, и всплывают вместе с маслом.
1 От англ, flotation— всплывание.
Для повышения эффективности флотации используют метод введения поверхностно-активных веществ (пенообразователей или вспенивателей), которые повышают устойчивость образующейся при флотации пены (пенная флотация). Пенообразователи способствуют лучшему диспергированию газа и образованию массы мельчайших пузырьков с огромной поверхностью контакта газа с жидкостью, в которой размещены частички реагента.
Операции обогащения во многих случаях сопровождаются проведением операций сушки или обжига.
Если обрабатываемый материал содержит компоненты, изменяющиеся при высокой температуре (например, из-за выделений кристаллизационной воды, разложения карбонатов и выделения СО2, испарения вредных примесей), то такой материал предварительно подвергают обжигу. В отличие от обжига сушкой или высушиванием принято называть процесс удаления жидкости (влаги) из твердых, жидких и газообразных тел, причем влаги, связанной с материалом адсорбцион-но и механически. Химически связанная влага не может быть удалена при температурах сушки; она удаляется при температурах обжига.
25.5.2. Классификация материала по крупности. Для разделения кусков твердых материалов в зависимости от их крупности используют разные методы.
Для кусков крупных и средних фракций — грохоты (операция называется грохочение), в которых материал проходит через решетки или сита. Решетки (сита) грохота совершают обычно колебательные движения, и в результате через отверстия в грохоте проваливается часть кусков материала, образуя подрешетный продукт, а более крупные куски скатываются по ситу и образуют надрешетный продукт. Для сортировки материалов, содержащих частицы мельче 1-3 мм, применяется обычно гидравлическая классификация (в воде более крупные частицы оседают быстрее, чем мелкие) или воздушная сепарация.
25.5.3. Измельчение. В технике измельчение материалов до крупности 5 мм обычно называют дроблением, а до крупности меньше 5 мм — тонким измельчением. Способами измельчения являются: раздавливание, удар, истирание. Аппараты, в которых осуществляют дробление, называют дробилками, а для измельчения служат мельницы. Металлургические предприятия широко используют дробилки различных конструкций для предварительной подготовки руд.
При очень тонком измельчении мельчайшие частицы могут под действием сил молекулярного сцепления образовывать хлопья и сростки (происходит как бы агрегатирование частиц). Для предотвращения агрегатирования добавляют поверхностно-активные вещества, покрывающие частицы тончайшей пленкой, препятствующей слипанию.
Помимо чисто механических способов измельчения получают развитие новые принципы измельчения, основанные на использовании: электрогидравлического эффекта (электрический разряд в воде); токов высокой частоты; соударения встречных потоков воздуха, несущих твердые частицы (так называемые струйные мельницы) и др.
25.5.4. Выщелачивание — это перевод в раствор (обычно водный) каких-либо компонентов твердого вещества. Перед выщелачиванием твердые вещества обычно подвергают вначале дроблению или измельчению, затем химической обработке (окислению, восстановлению, обжигу, спеканию, сульфатизации и т. п.). Такую предварительную обработку называют вскрытием. Назначение вскрытия — перевод труднорастворимых соединении в легкорастворимые (сульфидов в сульфаты, высших оксидов в низшие). В качестве растворителей используют воду, водные растворы кислот (серной, соляной) и щелочей (аммиака, едкого натра), солей (углекислого натра, цианидов1). Процессы выщелачивания ускоряются организацией перемешивания мелкого твердого материала продувкой газом (обычно воздухом). Такую операцию металлурги называют агитацией.
Выщелачивание — один из вариантов процессов, носящих общее название экстракция или экстрагирование (от лат. extractio — извлечение). Используемые при этом растворители называются экстрагенты, а выделяемый продукт — экстракт. Так как экстракция полезного компонента из отходов часто осуществляется в несколько приемов, операцию экстрагирования обычно повторяют несколько раз. Промежуточный продукт, который остается после первоначальной экстракции и содержит еще какое-то количество полезного компонента, так называемый рафинат, обычно смешивают со свежей порцией экстрагента и добиваются максимального извлечения ценного компонента. Интенсивность извлечения ценного компонента определяется общим уравнением массообмена:
М= kΔСF ,
где М— количество экстрагированного вещества; k — коэффициент массопередачи; ΔС —разность концентраций компонента в удаляемой из зоны реакции и остающейся в фазах; F— площадь контакта твердой фазы и экстрагента; —время.
Из уравнения следует, что процесс извлечения ускоряется при хорошем измельчении (увеличивается F), интенсивном перемешивании (возрастает k) и непрерывном удалении экстракта (увеличивается величина ΔС).
1 Цианиды — соли синильной кислоты [Л/eCN, A/e(CN)2], очень токсичны; работа с ними требует особой осторожности и принятия специальных мер по охране труда и окружающей среды.
5.6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
В металлургической практике сложился определенный подход к технологиям переработки и утилизации твердых отходов. Основными из них считаются следующие.
25.6.1. Введение (добавка) отходов в шихту. Этот прием используется практически на всех звеньях технологической цепочки: агломерационная установка — доменная печь — сталеплавильный агрегат. Это лучший вариант использования отходов. Однако он может быть применен только тогда, когда это экономически и технологически оправданно (наличие больших масс однородных материалов, высокое содержание ценного компонента, удобство использования и проч.). Часто имеет место иная ситуация: содержание ценных компонентов в отходах невелико; использование их без предварительной подготовки сложно (например, большие глыбы, высокая влажность, наличие вредных примесей и т. п.). В этих случаях твердые отходы подвергают предварительной обработке, подвергая измельчению, обогащению, сушке, обжигу и т. п.
25.6.2. Использование чисто металлургических технологий непосредственно в процессе производства стали. К числу таких технологий относятся:
1. Обработка стали вакуумом — такая обработка влияет на протекание тех процессов и реакций, в которых принимает участие газовая фаза. При обработке расплава вакуумом основная доля газов, содержащихся в расплаве (как металла, так и шлака), удаляется в газовую фазу и выносится из рабочего пространства. Кроме того, газовая фаза образуется при протекании реакции окисления углерода оксидами, входящими в состав шлака и неметаллических включений:
(МеО)+С = Ме + СОгаз
При обработке вакуумом равновесие этой реакции сдвигается вправо. Это значит, что если в сталеплавильной ванне имеется углерод, то при обработке вакуумом начинается интенсивное восстановление оксидов и восстановленные элементы будут переходить в состав сталеплавильной ванны.
2. Продувка металла инертными газами. В этом случае масса металла пронизывается множеством пузырьков инертного газа. Парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю, поэтому каждый пузырек является для водорода и азота как бы маленькой вакуумной камерой. Парциальное давление СО (pcО) в таких пузырьках также равно нулю, поэтому равновесие реакции (МеО) + + С = Me + CO сдвигается вправо. При продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание ванны, возрастает площадь контакта металла со шлаком и вводимыми добавками, ускоряется их ассимиляция (от лат. assimilatio — усваивание).
3. Подача в ванну кислорода. Использование для интенсификации сталеплавильных процессов кислорода с помощью кислородных фурм и топлив-но-кислородных горелок существенно меняет тепловой баланс операции и позволяет интенсифицировать процессы расплавления и шлакообразования.
Таким образом, интенсификация процесса кислородом, продувка ванны инертным газом (интенсивное перемешивание) и последующая (или одновременная) обработка металла вакуумом существенно расширяют современные возможности утилизации в сталеплавильных агрегатах самых разных отходов. Не случайно именно конвертеры аргоно-кислородной продувки, а также агрегаты вакуумно-кислородной обработки (с одновременной продувкой металла аргоном) чаще других используют для утилизации (переработки) самых разнообразных техногенных твердых отходов.
|
|
|
Скачать 7.23 Mb.