Металлоотходы и их переработка

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Сложная экологическая обстановка в стране в значительной мере является следствием постоянного увеличения количества промышленных и бытовых отходов и неудовлетворительной их переработкой.

Оптимальное решение проблемы в том, чтобы разработать и внедрить в производство малоотходные технологии.

Однако экологические проблемы не следует рассматривать в отрыве от социально-экономических процессов, из чего следует, что создание и использование таких технологий у нас в стране - процесс длительный, а во многих производствах и технически, и экономически нереальный. Поэтому еще длительное время отходы производства и потребления будут негативно влиять на качество жизни общества.

В связи с этим важнейшей задачей является организация переработки отходов с целью их обезвреживания и рационального использования.

Современное общество еще не стремиться в полной мере к максимальному сокращению образующихся отходов, а также вовлечению их в хозяйственный оборот как ценного сырья.

В настоящем пособии изложен современный отечественный и зарубежный опыт переработки таких образующихся металлургических отходов как: металлолом, огнеупоры, шлам и повышенная температура нагретых тел.



ГЛАВА 1. УТИЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛООТХОДОВ

1.1 Характеристика металлоотходов

Отходы металла, образующиеся в процессе производства из железорудного сырья, расплавов передельного чугуна и стали и, далее, готового проката составляют вторую, после шлаков, группу твердых промышленных отходов черной металлургии (ЧМ). Их удельное количество меняется от 150-170 кг на 1 т готового проката при использовании прокатных заготовок, отлитых на МНЛЗ, до 250-280 кг/т при производстве заготовок из стальных слитков на обжимных станах.

Свыше 90% металлоотходов ЧМ образуются в виде обрези и брака при прокате. Остальное это скрап - зашлакованные отходы чугуна и стали; литники при разливке стали в слитки сифоном, недоливки, остатки металла в ковшах и т.п.

При производстве отливок из чугуна и стали количество металлотходов выше, чем в ЧМ. При производстве 1 т стальных отливок образуется 514-547 кг металлоотходов, при производстве 1 т чугунного литья - 325-370 кг [1]. Отходы при литье образуются из остатков литниковых систем, прибылей, брака и скрапа.В ходе металлургического производства образуются специфические металлоотходы из непригодных для дальнейшего использования оборудования, машин и сооружений. В ЧМ имеется сменное оборудование, которое служит относительно короткий срок: прокатные валки, штампы, фильеры, направляющие, изложницы и поддоны, шлаковые чаши, металлургические формы для отливок - кокили и т.д. Многие металлургические детали печей и разливочного оборудования приходится заменять во время ремонтов. Эти металлоотходы называются амортизационным металлическим ломом или просто металлоломом.

Металлоотходы и металлолом образуются и в ходе дальнейшей переработки проката и отливок в готовые изделия и их потребление. Например, при производстве 1 т поковок и штамповок образуется 175-180 кг металлоотходов в виде обрези, облоя, брака и т.д. [1]. В целом общие ресурсы металлоотходов, подвергающиеся переработке и утилизации по РФ делятся на [1]:

1. металлоотходы ЧМ - 42,8%;

2. амортизационный лом - 36,1%;

3. отходы металла при обработке

4. резанием, ковкой, штамповкой и др. - 20,1%;

5. скрап, извлеченный при переработке

6. шлаков и шлаковых отвалов - 1%.

Металлоотходы и лом после подготовки используются в качестве компонента металлошихты при выплавке чугуна и стали. Так, использование 1 т подготовленного металлолома позволяет в среднем экономить свыше 1800 кг руды, более 2000 кг агломерата и окатышей, 500 кг кокса, около 45 кг флюсов и 100 м3 природного газа [2]. Использование металлоотходов уменьшает потребности в железорудном сырье, снижает затраты на добычу и обогащение железной руды, производство чугуна или железа прямого восстановления. Стоимость затрат на подготовку 1 т металлолома на порядок ниже чем затраты на выплавку 1 т передельного чугуна [3].

Доля металлоотходов и лома в шихте сталеплавильного производства составляет, %: мартеновский процесс - 40-100; кислородно-конвертерный процесс - 22-28; ЭДП - до 100.

Получили развитие металлургические мини-заводы, в которых нет доменных печей. Выплавка стали производится в электродуговой печи на твердой шихте из металлолома и отходов. Разливка стали производится на МНЛЗ.

При выплавке передельного чугуна в доменную печь могут загружать, наряду с агломератом и окатышами, доменный присад - металлодобавки в виде скрапа чугуна, кусков проржавевшего металла, в т.ч. спекшейся стальной и чугунной стружки. При выплавке литейного серого чугуна шихта вагранок состоит из 80-90% чугунных и 20-10% стальных металлоотходов.

Для производства отливок из высококачественного и высокопрочного чугуна применяют так называемый, синтетический чугун, шихта которого в основном состоит из стального лома и отходов [5].

Экологическая целесообразность утилизации металлоотходов и лома многогранна. Замена передельного чугуна в шихте позволяет уменьшить потребности в руде, коксе и флюсах, что уменьшает травматическое воздействие на ландшафт, при добыче этих материалов, уменьшает количество выбросов пыли и рудничных вод, несущих большое количество вредных веществ. уменьшается количество вредных веществ выбрасываемых в атмосферу, таких как СО2 и углеводороды, которые образуются, главным образом, в процессах производства кокса и восстановления железа из руды.
Утилизация металлоотходов позволяет не накапливать их в большом количестве для хранения, что, в свою очередь, уменьшает отчуждаемые под производство территории и уменьшает их загрязнение водами поверхностного стока.

1.2 Металлургическая ценность металлоотходов

Переработка металлоотходов и лома производится в зависимости от их металлургической ценности, которая характеризуется совокупностью определенных свойств. По ГОСТ 2787-86 все вторичные черные металлы подразделяются по содержанию углерода на два класса: стальные и чугунные; по наличию легирующих элементов на две категории: углеродистые и легированные; по состоянию поставки и качества на 25 видов и по уровню содержания легирующих элементов на 67 групп. После переработки вторичные металлы поставляются в виде кусков определенных габаритов - стальной или чугунный лом и отходы, стальные канаты и проволока в виде габаритных фрагментов; пакеты различной плотности и габаритов, полученные уплотнением стальных отходов; брикеты из стальной или чугунной стружки, доменный присад и окалина, а также шихтовые слитки, полученные при переплаве металлоотходов, для усреднения их химического состава. Переработка металлоотходов и лома должна обеспечивать максимально возможную скорость их загрузки в плавильные агрегаты, а химический состав - выплавку на оптимальных металлургических режимах, с минимальным расходом флюсов, без скачивания шлака по ходу плавки.

Металлурги делят все металлоотходы и лом по насыпной плотности на легковес и тяжеловес. Вся твердая металлошихта с насыпной плотностью 3000 кг/м3 и более относится к тяжеловесной, с меньшей плотностью - к легковесной [3]. Легковес составляет около 30% отходов ЧМ и амортизационного лома. Он имеет развитую поверхность, часто окисленную (ржавую) и замасленную.

Легковесная металлошихта не умещается в рабочем пространстве сталеплавильных агрегатов за одну завалку. После оплавления первой порции необходимо производить 1-2 догрузки, что удлиняет плавку. Окисленность легковеса повышает потери металла в виде окислов шлака и пыли. В свою очередь, окисленность шлака растет и его рафинирующая способность снижается. Засорение легковеса углеводородными и сульфидными соединениями масел и смазывающих жидкостей способствует насыщению расплава металла водородом и серой.

При хранении металлоотходов и лома на открытых площадках их поверхность окисляется, и часть железа растворяется в воде атмосферных осадков и теряется. Потери массы неподготовленного легковеса за год составляют 5,0-5,6%, а в пакетах только 1,0-1,5% [1; 3].

Переработка металлоотходов и лома должна повышать их металлургическую ценность и способствовать их сбережению, как важнейшего материального ресурса ЧМ.

шлам ценность лом утилизация



1.3 Технология переработки лома

1.3.1 Общий технологический процесс

Переработка металлоотходов и лома (далее просто лом) перед их вторичным использованием производится на каждом металлургическом предприятии ЧМ, в том числе и на мини-заводах. Причем в переработку вовлекается не только возврат - металлоотходы собственного производства, но и амортизационный лом, поставляемый сторонними организациями.

Общая схема переработки лома включает следующие этапы: складирование, сортировка, подготовка - переработка, загрузка переработанного лома и отправка его потребителю. Лом всех видов поставляется на участки переработки железнодорожным и автомобильным транспортом и складируется на открытых площадках. Площадки имеют колоннады, поддерживающие рельсовый путь, по которому двигаются мостовые электрические краны, грузоподъемностью 15-30 т. На старых заводах с небольшим (до 1 млн. т стали в год) объемом производства площадки имеют наземный рельсовый путь, по которому двигаются козловые или башенные краны. В зоне действия кранов размещены подъезды для железнодорожного и автотранспорта. Как уже отмечалось выше, сооружения колоннад связано со значительными капитальными затратами (до 40% и более стоимости всего оборудования). Эксплуатация, профилактика и ремонт под открытым небом тяжелого подъемно-транспортного оборудования связана с вредными условиями работы машинистов и обслуживающего ремонтного персонала/

При выгрузке-погрузке негабаритного лома работа подкранового рабочего травмоопасна.

1.3.2 Сортировка лома

Сортировка лома составляет в общем технологическом цикле переработки лома около 10%.

Она производится по химическому составу и габаритам. Первичная сортировка на сталь и чугун, легированный и нелегированный лом производится в местах его образования поставщиками. На участках переработки для контроля химического состава применяются приборы контактного экспресс-анализа (например, термоЭДС), или отбор проб для эмиссионного химического анализа по спектру электродуги. Сортировка по габаритам и насыпной плотности производится визуально. Допустимые габариты фрагментов металлолома согласуются с потребителем. Обычно они составляют: 200-500 мм ширина; 500-800 мм длина и толщина до 350 мм. При этом масса одного куска не менее 2 кг, насыпная плотность тяжеловеса 3000-4000 кг/м3. габаритный тяжеловес после сортировки отправляется потребителю. Длинномерный и крупногабаритный лом направляется на разделку, а легковесный лом на уплотнение. Стружку целесообразнее уплотнять в брикеты в местах ее образования - на машиностроительных предприятиях. Однако, некоторые металлургические предприятия имеют оборудование для уплотнения и измельчения вьюнообразной стружки. Лом автомобилей также целесообразнее перерабатывать на специальных участках, где его либо уплотняют, либо фрагментуют на специальных шреддинг-установках.

В процессе сортировки очень важно выявить и удалить взрывоопасные предметы и легковоспламеняющиеся вещества. К ним относятся лом боеприпасов, баллоны из-под газов и жидкостей, полые сосуды или трубы, не просматриваемые насквозь по всей длине и т.д.

1.3.3 Разделка лома

Разделка длинномерного и крупногабаритного лома на фрагменты мерной длины производится огневой резкой, падающим грузом-копром, ножницами с механическим или гидравлическим приводом и на дробильных прессах и установках.

Взрывной способ разделки практически перестал применяться из-за малой производительности, высокой сложности и опасности.

Огневая резка - один из наиболее распространенных способов разделки. Для резки используются газовые резаки различной конструкции, работающие на смеси кислорода с каким-либо горючим газом или парами, например керосина или бензина.

Способ универсален, не требует специального оборудования, но мало производителен и травмоопасен. Подача лома на рабочее место и уборка готовой продукции производится краном. Доля огневой резки в общем технологическом цикле составляет менее 20% и имеет устойчивую тенденцию к сокращению.

Резка лома на ножницах с механическим приводом малопроизводительна, т.к. производится поштучно с большими затратами ручного труда. Максимальное сечение лома, разрезаемого за один ход на ножницах до 100 мм. Более производительная и механизированная резка лома на гидравлических ножницах-прессах. Этот способ вытесняет резку на механических ножницах. Гидравлические ножницы представляют установку, имеющую загрузочный короб, камеру предварительно уплотнения и прижима, механизм резания и прессования, приямок для сбора резаных фрагментов лом краном загружается в короб, который поворачивается и высыпает лом в камеру-желоб. Крышка камеры опускается вниз и сминает лом, предварительно уплотняя его. Затем механизм подачи ползуном перемещает смятый лом вдоль желоба под пресс-ножницы. Порезанный лом падает в приямок, откуда убирается краном. Во время сжатия и резки лома короб загружается новой порцией.

Разделка падающим грузом или копровое дробление один из наиболее трудоемких способов переработки крупногабаритного лома: прокатные валки, изложницы, поддоны и т.д. Масса падающего копра - так называемый «шар-баба» от 3 до 15 т. Высота подъема от 17 до 33 мм. Бойное место выполняется в виде ямы с фундаментом и облицовкой из стальных слитков, слябов, или, толстого листа.

Над бойным местом сооружается металлический кожух. Подъем и сброс «бабы» производится магнитной шайбой мостового крана. Доля копровой разделки в общем технологическом цикле занимает 10-14% [3].

1.3.4 Пакетирование лома

Пакетирование производится на пакетир-прессах. Формирование пакета производится путем последовательного прессования в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Лом-легковес загружается в длинную и высокую камеру, у которой три стороны являются прессовыми плитами-штемпелями. Вначале горизонтальная плита-штемпель, двигаясь по длинной оси камеры, формирует пакет по ширине, после этого вертикальный штемпель обжимает пакет до заданной высоты и окончательно формирует пакет по длине второй горизонтальный штемпель, двигающийся по оси перпендикулярной продольному направлению камеры. После конца прессования боковая плита камеры открывается, и готовый пакет выталкивается наружу ходом последнего штемпеля. Габариты пакетов 2000х500х710 мм, 1000х500х500 мм, 700х500х500 мм, масса пакетов соответственно, до 1500 кг; 625 кг; 600 кг. Доля пакетирования в общем технологическом цикле 30 - 35%.

Брикетирование стружки должно производиться, главным образом, на машиностроительных предприятиях. Но этот вид переработки не нашел широкого применения из-за отсутствия эффективных способов обезжиривания и очистки стружки перед брикетированием. В настоящее время это производят промывкой в щелочной горячей воде. Затем необходима сушка. Иногда для снижения твердости стружку высоколегированной стали отжигают. Масса брикетов от 2 до 13 кг.

Дробление вьюнообразной стальной стружки имеет ограниченное применение. Дробление производится в два этапа: вначале в разрывной машине, а окончательное в барабанной шаровой или молотковой дробилке.



1.3.5 Переработка автолома

В связи с ростом автомобильного парка России остро встает вопрос о переработке автомобильного лома. За рубежом применяются в основном два способа.

Первый - прессовый с предварительной разборкой. Автомобиль прибывает на базу, где подвергается частичной разборке. С него снимаются колеса, сливаются жидкости, демонтируется двигатель и стекла. Корпус авто прессуется вертикальным прессом в открытой камере и передается на дальнейшую переработку металлургическим предприятиям. Двигатель после извлечения деталей из цветных металлов также идет на лом. Жидкости передаются на регенерацию либо сжигаются как топливо. Стекло передается стеклоизготовителям, как исходное сырье. Шины направляются на утилизацию на шинные заводы.

Этот способ трудоемкий и малопроизводительный. Сдатчик авто должен уплатить за переработку. Капитальные затраты на оборудование относительно низкие.

Второй способ механизированный на установках шредингования. Авто после демонтажа колес и слива жидкостей подают транспортером на участок дробления. Верхний приводной ролик сжимает кузов по вертикали. Дробитель роторный молоткового типа разбивает авто на мелкие фрагменты, которые транспортером подаются в барабан-сепаратор, продуваемый воздушным потоком. Воздух выносит пыль цветных металлов и неметаллических материалов. Сепарированная воздухом смесь поступает на ленту транспортера и далее на магнитную сепарацию, где черные металлы отделяются от немагнитной фракции. Эту фракцию вручную сортируют на немагнитные цветные металлы и пластмассу. Последняя используется как горючая добавка при сжигании в энергетике и ЧМ (например в доменных печах). На некоторых установках после магнитной сепарации смесь поступает во вращающуюся печь, где сжигается и утилизируется тепло.

Во всех способах дробления размер кусков 120-180 мм.

Шредингование (дробление и сепарация) высокопроизводительно, но требует высоких капитальных затрат. Кроме того, пыль воздушной сепарации содержит аэрозоли силикатов и тяжелых металлов и относится к отходам повышенной опасности [6]. В РФ работает с 1982 г одна установка шредингования фирмы «Линдеман» (ФРГ) под г. Нижний Новгород.

В Японии отслужившие свой срок автомобили обычно перерабатываются по схеме, показанной. Большая часть выводимых из эксплуатации автомобилей в Японии подвергается демонтажу и переработке в качестве лома (ежегодно выводится около 5 млн. т единиц). Металлические компоненты, составляющие основную часть автомобиля, перерабатываются как лом черных металлов, но из-за широкого использования в конструкции автомобилей оцинкованной листовой стали и из-за примешивания к стальному лому цветных металлов продуктом переработки на электрометаллургических заводах является сортовой прокат низкокачественных сталей. Главную проблему для утилизации представляет пыль шрединг - установок, морфологический состав.

В последние годы в Японии активно разрабатываются и внедряются технологии утилизации шрединг-пыли в доменном производстве путем подачи ее в фурмы доменных печей в количестве до 50 кг легкой фракции на тонну чугуна [20]



ГЛАВА 2. УТИЛИЗАЦИЯ ШЛАМОВ

2.1 Характеристика шламов

Источником образования шламов ЧМ являются процессы спекания, обжига, плавления и, в меньшей степени, процессы измельчения материалов: дробление, размол, истирание и т.д.

Для пирометаллургии различают:

· шламы агломерационного производства;

· шламы доменного производства и вентиляционные шламы подбункерных помещений доменных печей;

· шламы сталеплавильного производства, в том числе мартеновских, электродуговых печей и конвертеров.

Шламы представляют собою мелкодисперсные остатки сырья и продуктов его переработки, уловленные в газо- и гидроочистных устройствах металлургических процессов. По содержанию влаги различают шламы и пыли из установок сухой очистки газов и влажные шламы из установок мокрой газоочистки и систем гидроочистки промышленных стоков. Последние наиболее близко соответствуют термину, т.к. Schlam - означает в немецком языке - грязь. К шламам можно отнести окалину, образующуюся при гидросбиве поверхности горячего проката. Шламы ЧМ содержат железо в виде оксидов, которые легко восстанавливаются в технологическом цикле - агломерация - доменная печь.

По содержание железа шламы делят на:

1. богатые - 55-67% Fe;

2. относительно богатые - 40-55% Fe;

3.бедные - менее 40% Fe.

Прокатная окалина содержит 67-72% Fe; 0,5-1,5% СаО; 1,3-3,5% SiO2 и масла от 8-10% до 20% [7].

По содержанию железа к богатым можно отнести прокатную окалину, шламы мартеновских печей и конвертеров; к относительно богатым - шламы агломерации, доменных печей и их подбункерных помещений; к бедным - шламы ЭДП без интенсивной продувки металла кислородом.

В мощных ЭДП с интенсивной продувкой кислородом состав шламов аналогичен конвертерному. Размер частиц шламов зависит от металлургического процесса, способа и устройства улавливания. Наиболее крупными являются пыли и шламы сухих газоочисток агломерации и доменного производства: от 2-3 мм до 0,008 мм. Прокатная окалина, оседающая в ямах под клетями, имеет крупность от 10-2 мм и более до долей мкм. Шламы мокрых газоочисток и мелкая окалина находятся в воде во взвешенном состоянии: размер их частиц менее десятых долей миллиметра до сотых долей микрометра

2.2 Общие положения утилизации

Шламы ЧМ относятся к железосодержащим материалам и поэтому они используются как добавка к шихте в агломерационном процессе или при производстве окатышей. Использование их в доменной печи без предварительного окомкования и придания необходимой прочности невозможно из-за повышения газового сопротивления столба шихты.
Но и в агломерации шламы используются в различной степени, что обусловлено содержанием в них вредных примесей: цинка, свинца, щелочных металлов и масел . Минеральные масла загрязняют расплавы металла водородом и серой. Щелочные металлы и, особенно, цинк вызывают образование настылей - металлокерамических соединений в доменной печи, способствующих разрушению её футеровки и нарушению нормального хода плавки. При агломерации шихты с высоким (1% и более) содержанием цинка качество агломерата ухудшается, он получается менее прочным. Утилизация пылей, содержащих Zn приводит к накоплению его в агломерате, и усилению его негативного действия на ход доменного процесса.

Шламы и пыли агломерации и подбункерных помещений доменных печей содержат мало цинка и близки по составу к агломерационной шихте (табл. 4). Сухие шламы этих производств закладывают послойно в штабеля аглосмеси, а затем используют при агломерации. Но при этом возникает вторичное пылеобразование, повышается вынос пыли при спекании. При расходе сухих неподготовленных шламов в количестве 100-120 кг/т агломерата и более снижается качество агломерата из-за увеличения в нем мелочи и снижается производительность агломашин. Влажные шламы перед утилизацией необходимо осушить до содержания воды не более 8-9%. Применение пастообразных шламов с большей влажностью ухудшает качество агломерата и снижает производительность агломашин [8]. Обезвоживание шламов производится в несколько стадий на специальном оборудовании.Общее количество железосодержащих мелкодисперсных шламов, образующихся на металлургических предприятиях полного цикла, позволяют добавлять их в аглошихту до 150-250 кг/т агломерата. При этом необходимо учесть, что, несмотря на сложность подготовки к утилизации, каждый килограмм железа, вносимый в технологический процесс отходами, равноценен килограмму железа, вносимому в металлургический передел дорогостоящим железорудным концентратом.

2.3 Подготовка влажных шламов

Исходная влажность шламов мокрой очистки газов (скрубберы, трубы Вентури) составляет 60-70%. Первый этап обезвоживания - сгущение. Он производится в сгустителях - отстойниках, в которых процесс повышения концентрации сгущаемого продукта, производится под действием сил гравитации. Сгуститель имеет цилиндрическую чашу диаметром от 2,5 до 50 м. Днище чаши выполнено с небольшим уклоном к центру, в котором расположена воронка для выгрузки сгущенного продукта. На центральном валу закреплена гребковая рама, которая при вращении со скоростью от 2 до 15 об/мин перемещает осадок к разгрузочной воронке. Вдоль борта чаши расположен по периметру сливной желоб. Глубина чаши в центре от 1,5 до 7,5 м. Крупные сгустители с диаметром чаши 10 м и более имеют гребковую раму равную радиусу чаши.

После сгущения осадок имеет ещё довольно высокую влажность до 40%. Последующее обезвоживание шлама производится фильтрованием через специальную синтетическую ткань на основе полиамидных волокон: капрона, нейлона, силона и т.д.

Фильтрование производится либо под разрежением (вакуум-фильтры) либо под повышенным давлением (пресс-фильтры). Фильтрующая поверхность барабана образована перфорированной решёткой, на которую плотно закреплена фильтрующая ткань . Барабан погружен в ванну со шламом, он медленно (~ 2 м/с) вращается вокруг горизонтальной оси, опираясь на пустотелые цапфы. К внутренней поверхности барабана плотно прижаты распределительные головки , в камерах которых создается разрежение и отводится фильтрат, а также подается воздух и вода для промывки ткани. Поперечное сечение барабана разделено головками на три сектора: в первом шлам налипает на поверхность барабана и фильтруется под разряжением 45-60 кПа; во втором - осадок дополнительно осушается и рыхлится слабым потоком воздуха; в третьем - разгрузка отфильтрованного осадка скребком и регенерация ткани путем промывки водой. Остаточная влажность около 10-15%.

Для труднофильтруемых шламов с малым содержанием твердых частиц применяют фильтр-прессы различных конструкций, в которых перепад давлений на фильтре достигает 2 МПа. На рис. 8 приведена схема ленточного фильтр-пресса «Флок-Пресс» фирмы «Дегреном» (Франция). Исходный шлам по лотку подается на движущуюся фильтровальную ленту, которая на горизонтальном участке поддерживается опорными роликами . На этом участке проходит фильтрация под действием гравитационных и капиллярных сил. Далее шлам поступает на поверхность барабана , к которому прижимается прессующая лента , движущаяся синхронно с фильтрующей лентой. Величина давления регулируется перемещением роликов . Осадок снимается скребком с фильтрующей и прессовой ленты. Далее фильтрующая лента промывается водой . Остаточная влажность после фильтр прессования 6-8%.

Как видно подготовка влажных шламов достаточно трудоемка. На ОАО «Криворожсталь» (Украина) обезвоживание производят по упрощенной схеме . Все шламы (содержание в них цинка не превышает 0,5%) подаются в виде пульпы в карты обезвоживания шламового цеха. Карта - это шламоотстойник из которого периодически спускают избыток осветленной воды. Шлам после подсушки до влажности около 20% перегружают в спецтару и транспортируют на участок перегрузки, где его послойно укладывают в штабель. Накрывая каждый слой сухой известково-известняковой пылью. После двух суток выдержки в штабеле влажность смеси понижается до 8-10% и она становится сыпучей. Шламовую смесь перегружают из штабеля в вагоны и транспортируют в аглоцех, где её закладывают в рудный штабель аглосмеси для производства агломерата. Расход шламов сталеплавильного, доменного и аглопроизводства составил около 150 кг/т агломерата. Этот вариант не требует спецоборудования для фильтрации, но для него необходимо наличие большой территории и свободных карт обезвоживания.

На ряде предприятий ЧМ РФ применяют следующую схему подготовки влажных шламов: шламы из радиальных отстойников-сгустителей поступают на вакуум-фильтры, а после них с влажностью 25-30% в барабаны термической сушки, где достигается влажность около 10%, а затем шлам передается на аглофабрику. Стоимость подготовки из-за термосушки несколько повышается.



2.4 Переработка и использование шламов

2.4.1 Отходы агломерационного производства

В агломерационном производстве 90-95% шламов и пыли образуется при удалении пыли из пылевых мешков газовых коллекторов и вентиляционных систем, аппаратов сухой и мокрой очистки отходящих газов, при гидравлической уборке помещений и промывке трубопроводов. Остальные 5-10% шлама поступает от других отделений агломерационных фабрик: корпусов подготовки шихты, обжига известняка, складов, вагоноопрокидывателей и т.п., где источниками образования шламов являются главным образом вентиляционные системы, рассыпанные шихтовые материалы и отложения пыли на стенах и оборудовании. Шламы от очистки и промывки оборудования и трубопроводов, а также гидравлической уборки помещений поступают в систему периодически и неравномерно. Шламы агломерационных фабрик принадлежат к группе относительно богатых железом, по основным химическим компонентам они близки к агломерационной шихте. Основным направлением рационального использования шламов аглофабрик является утилизация их в качестве добавки к агломерационной шихте. Это обусловлено сходством химических составов шламов и агломерационной шихты и возможностью использования непосредственно на аглофабрике вблизи источников образования шлама.

Необходимым условием успешной утилизации шламов является правильная их подготовка. Основные процессы, предшествующие использованию шламов - сгущение, фильтрование, термическая сушка. Использование влажных шламов без специальных установок затрудняет их транспортирование, загрязняет территорию завода, оборудование и помещения. Кроме того, шлам повышенной влажности плохо смешивается с аглошихтой, ухудшает процесс спекания и снижает прочность агломерата.

Оптимальная для утилизации влажность шламов 8-9%. Механические методы обезвоживания шламов - фильтрование и центрифугирование - обеспечивают влажность шламов 15-25%.

Дальнейшее уменьшение влажности обычно достигается термической сушкой в сушильных барабанах. Понижения влажности после механического обезвоживания можно также добиться смешиванием его с сухими железосодержащими продуктами (горячим возвратом аглофабрик, колошниковой пылью) и негашеной известью (в том числе отходами извести с обжиговых печей), которые имеются на многих металлургических предприятиях. Наиболее эффективная технологическая схема механического обезвоживания шламов аглофабрики характеризуется разделением шлама на две - три фракции, каждая из которых обезвоживается отдельно на аппаратах различного типа. Обычно наиболее крупная фракция обезвоживается в классификаторах, фракция средней крупности - на ленточных вакуум-фильтрах и наиболее мелкая фракция - на вакуум-фильтрах. Это связано со значительной полидисперсностью шлама аглофабрик. Примером служит схема обезвоживания шламов, обезвоживания шламов агломерационного производства.

Чаще для обезвоживания шламов аглопроизводства применяют следующие аппараты: гидроциклоны и спиральные классификаторы, радиальные сгустители, ленточные и дисковые вакуум-фильтры.

За рубежом шлам аглофабрик также используется в основном в качестве добавки к аглощихте. Основными мероприятиями по повышению уровня использования шламов аглофабрик следует считать улучшение качества проектирования объектов, сокращение сроков строительства, введение в эксплуатацию корпусов подготовки шламов к утилизации.

2.4.2 Отходы доменного производства

Шлам газоочисток доменных печей образуется при мокрой очистке доменных газов. В процессе мокрой очистки газа твердые частицы, содержащиеся в газе, захватываются водой, образуя сточные шламовые воды. Плотность доменных шламов 2,7-3,8 г/см3.

В настоящее время основным направлением использования шламов доменных газоочисток является добавка их к агломерационной шихте. Однако уровень использования этих шламов низок. Это связано либо с недостаточно высокой массовой долей железа, либо с повышенной массовой долей цинка или других цветных металлов, что отрицательно сказывается на протекании металлургических (в частности, доменного) процессов.

В процессе подготовки к утилизации шламов доменных газоочисток с повышенным содержанием цинка следует учитывать необходимость операции обесцинкования. После удаления цинка шлам можно подготавливать вместе с другими видами железосодержащих шламов. На рис. 10 представлена принципиальная схема подготовки шламов доменных газоочисток к комплексной утилизации, включающая стадии обесцинкования и обезвоживания. Осуществление такой схемы позволяет получить продукты, пригодные к использованию в черной металлургии и цементной промышленности. При повышенной массовой доле цинка в цинксодержащем продукте обесцинкования (>12 мас.%) он пригоден для переработки на предприятиях цветной металлургии.

Другой возможный способ утилизации доменных шламов - добавка к доменной шихте - пока не распространен из-за неблагоприятного химического состава шлама и необходимости окускования шлама перед подачей в доменную печь. Предлагаемые методы окускования находятся в стадии исследования и не получили промышленного внедрения. За рубежом, как и в нашей стране, шламы доменных газоочисток используются мало, в основном из-за повышенной массовой доли цинка в них. Наиболее удачным считается пиро-металлургический процесс, разработанный японскими фирмами «Кавасаки Стил», «Кавасаки Хеви Индастриз», «Кавасаки Сэйтэцу», «Сумитомо киндзоку коге». В Японии работают две фабрики общей мощностью 300 тыс. т/год, на которых освоен процесс получения губчатого железа на установке «решетка -- трубчатая печь» с использованием пылевидных отходов металлургических печей.

Перерабатывается смесь агломерационного, доменного и сталеплавильного шламов с добавкой железной руды, доменной газоочистки к использованию в металлургическом производстве.

В США разработан метод переработки цинксодержащей пыли конвертерных газоочисток. Пыль высушивают, перемешивают и после добавки твердого восстановителя (мелкого кокса) окомковывают. Сырье окатыши направляют в четырехзонную подовую печь. Принципиальная технологическая схема для всех рассмотренных способов пирометаллургического обесцинкования отходов одинакова. Сырье после обезвоживания окомковывают и подвергают термической обработке в присутствии восстановителя. Малопригодным для промышленного внедрения представляется применение гидрометаллургических способов обесцинкования отходов производства черной металлургии. Механическое обесцинкование обычно осуществляют в гидроциклонах различных моделей или в других аналогичных по принципу работы аппаратах. Анализ литературных источников показывает, что за последние годы этим процессам уделяют все большее внимание.

Предложен метод извлечения цинка из пыли шахтной печи, содержащей 20-40% железа, 25-40% углерода и 1-6% цинка. Эффективность извлечения цинка - более 80%. Метод включает обработку шлама в гидроциклоне, из которого нижний продукт с содержанием цинка 0,67-1,24% используется в производстве железа. В случае использования механических способов степень удаления цинка на 10-15 % ниже, чем при обесцинковании по пирометаллургической технологии. Тем не менее, внедрение механического обесцинкования представляется более перспективным. В сравнении с пирометаллургическим этот способ значительно дешевле, проще в эксплуатации. Для его аппаратурного оформления имеется серийно выпускаемое промышленное оборудование.

Уралмеханобром разработаны комбинированные способы обесцинкования, предусматривающие сочетание механической и несложной химической обработок шлама. Показатели обесцинкования здесь сравнимы с пирометаллургическими способами, технология безотходна.

Доменные шламы в виде суспензии используются в аглошихте. На заводе «Юзинор» в Дюнкерке (Франция) введена в эксплуатацию установка по подготовке шлама к утилизации. Смесь шламов (доменного и конвертерного) из сгустителей подается в смесительный барабан в количестве, обеспечивающем заданное увлажнение аглошихты, после чего окомкованная шихта поступает в распределительно-питательное устройство агломашины.

В Уралмеханобре разработан способ введения сгущенных шламов в смеситель аглошихты посредством распыления пневматической форсункой. При применении способа отпадает необходимость в операциях фильтрования и сушки. Внедрение этого способа на Карагандинском металлургическом комбинате только за счет повышения производительности агломашины позволило получить годовой экономический эффект в размере около 140 тыс. руб. Ввод в аглошихту распыленных влажных шламов, обладающих повышенными вяжущими свойствами, улучшает окомкование аглошихты.

Целесообразность применения способа распыления зависит от изменения баланса по влаге в аглошихте после ввода в нее сгущенных шламов. В случае невозможности применения способа распыления сгущенных шламов в аглошихту осуществляют дальнейшее обезвоживание шлама фильтрованием и термической сушкой. Термически высушенные шламы пылят при перегрузке и транспортировке и теряют ценные технологические свойства - гидрофильность, влагоемкость, дисперсность. Одним из способов, позволяющих отказаться от термической сушки шламов, является известный прием смешивания влажного материала со свежеобожженной негашеной известью. Значительный интерес представляет процесс производства безобжиговых окатышей на цементной связке по разработанному в Швеции способу Grand Goold. Опыты, проведенные в лаборатории International Mill Service (Филадельфия, США), показали эффективность этого процесса для получения качественных окатышей из пыли и шлама газоочисток доменного и сталеплавильного производства с некоторыми добавками.

Основными мероприятиями по повышению уровня использования шлама доменных газоочисток в нашей стране следует считать: разработку эффективных технологий удаления из шлама цинка и других, вредных примесей; выбор рационального метода окускования шламов; строительство корпусов обезвоживания шламов, позволяющих использовать доменные шламы на аглофабриках. Шламы подбункерных помещений образуются при гидравлической уборке просыпи с полов подбункерных помещений. Другим источником шламов являются аспирационные установки подбункерных помещений.

Составными частями этих шламов являются элементы доменной шихты, главным образом агломерат, известь и кокс. По химическому составу они подобны шламам агломерационных фабрик - в них присутствуют все компоненты агломерационной шихты. По дисперсному составу шламы подбункерных помещений полидисперсны и также схожи со шламами агломерационных фабрик. Шламы подбункерных помещений наиболее сложны для учета, так как часть их образуется неравномерно. Для ряда металлургических предприятий известны лишь ориентировочные объемы образования и использования шламов. Большинство используемых шламов подбункерных помещений проходит обработку в горизонтальных отстойниках и на дренажных площадках, а затем направляется на рудные дворы аглофабрик.

Благоприятный в большинстве случаев химический состав шламов подбункерных помещений (его сходство со шламами аглофабрик, отсутствие в значительных количествах вредных примесей) позволяет использовать эти шламы наряду со шламами аглофабрик как добавку к аглошихте. В настоящее время это практически единственное направление утилизации шлама подбункерных помещений.

2.4.3 Отходы сталеплавильного производства

Отходящие конвертерные газы содержат много пыли от 10-30 г/м3, в отдельных случаях до 60 г/м3. Для очистки конвертерных газов применяют мокрые методы.

Мокрые газоочистки служат основным источником образования шлама. Шламы конвертерных газоочисток относятся обычно к богатым или относительно богатым железом. Плотность конвертерных шламов - между 3,5 и 5,0 г/см3. Удельный выход шламов газоочисток конвертеров лежит в интервале 1-3%. Удельное пылевыделение зависит от интенсивности дутья, конструкции фурмы, давления кислорода и гранулометрического состава сыпучих материалов. При охлаждении ломом количество пыли в 1,3-1,7 раза больше, чем при охлаждении рудой. Кроме того, на удельный выход пыли влияет содержание углерода в металле: с его повышением выход пыли увеличивается. Концентрация пыли в момент подачи сыпучих материалов может возрасти в 5-6 раз. В настоящее время в нашей стране основным методом использования шламов газоочисток конвертеров является добавка их к агломерационной шихте. Для утилизации на аглофабрике конвертерный шлам должен быть предварительно обезвожен. В настоящее время наиболее рациональной схемой обезвоживания является схема, предусматривающая сгущение шламовой пульпы в радиальных сгустителях, фильтрование на вакуум-фильтрах и сушку в сушильных барабанах. При наличии на предприятии в достаточном количестве сухих отходов (известь, отсев агломерата и т. д.) сушку можно заменять смешиванием шламов с этими отходами За рубежом шлам конвертерного производства часто обезвоживается на вакуум-фильтрах. На некоторых заводах в США конвертерные шламы обезвоживают в осадительных центрифугах, после чего направляют их на аглофабрику. Иногда конвертерный шлам на аглофабриках используется без механического и термического обезвоживания, непосредственно в виде густой пульпы после сгущения (300-700 г/л) в радиальных сгустителях (на заводе в Дилингере, Германия) или в гидроциклонах и радиальных сгустителях (на заводе в Брукхаузене, Германия).

Шлам в распыленном виде подается в смесительный барабан аглофабрики. Преимущество такого способа - низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Необходимым условием успешной эксплуатации схем является надежная автоматическая дозировка шлама в смесительный барабан в зависимости от влажности шихты и плотности сгущенного шлама.

Японская фирма «Фуде и Сэйтецу» в Хирохата разработала следующий метод: шлам улавливают в осветлительных бассейнах, сгущают, слегка подсушивают, окомковывают в небольшие комки, нагревают в шахтной печи при температуре 1300 оС, частично восстанавливают и используют снова в конвертере.

Окускование шлама для конвертерного производства применяется в схеме, разработанной в Германии фирмой «Бохумер Ферайн». Сточная вода газоочистки конвертерного цеха поступает в ловушку, где осаждаются наиболее крупные частицы. Перелив ловушки попадает через смесительную камеру в радиальный сгуститель. В смесительную камеру также подается известковое молоко. Слив радиального сгустителя направляется на повторное использование в систему газоочистки, а сгущенный шлам - на воронку, питающую барабанный вакуум-фильтр. Обезвоженный до влажности 28-32% шлам от вакуум-фильтра и крупная фракция, уловленная в ловушке, ленточным конвейером подаются в питатель вращающейся трубчатой печи, где осуществляется сушка шлама, его окомкование и обжиг окатышей при температуре 1150 оС. Окатыши охлаждаются в охладительном барабане и загружаются в железнодорожный вагон.

Другие методы окускования не позволяют получить окатыши или брикеты, пригодные для использования их в конвертере, в этом случае их направляют на агломерационные фабрики.

Для возвращения шлама в конвертерное производство следует разработать, опираясь на зарубежный опыт, эффективную схему подготовки шламов, которая позволила бы получить кондиционный материал в виде окатышей или брикетов.

Такая схема позволила бы снять проблему обесцинкования конвертерных шламов, для которых до настоящего времени нет дешевой технологии удаления цинка. Удельный выход шлама электропечей меняется в широких пределах - от 0,5 до 7,5%, на него влияет ряд факторов: состав шихты, интенсивность подсоса воздуха в рабочее пространство печи, применение кислорода для продувки, емкость печи.

Основные мероприятия по сокращению выхода пыли - усовершенствование кислородных фурм и применение газокислородных фурм. Заслуживает внимания подача инертного газа в очаг горения электрической дуги. При этом количество высокодисперсной пыли может уменьшаться в 2-3 раза.

Проблема использования шлама электропечей является одной из самых трудных вследствие колебаний его химического состава, низкой массовой доли железа, наличия примесей цветных металлов, высокой дисперсности. В отдельных случаях шлам электропечей после обработки в смеси с другими видами железосодержащих шламов используется в качестве добавки к агломерационной шихте. Обычно подготовка шлама электропечей осуществляется совместно с другими видами шламов. В тех случаях, когда обезвоживается только электросталеплавильный шлам, применяются те же схемы обезвоживания с включением фильтров-прессов, что и для мартеновских шламов. За рубежом для обезвоживания шламов электропечей используют центрифуги. В США фирмой «Берд Мэшин Ко» установлено около 30 осадительных центрифуг для обезвоживания шлама газоочисток конвертерных и электросталеплавильных цехов. Утилизация отходов от электропечей наименее изучена. Попытки утилизации были предприняты в США: отходы окомковывали с коксовой пылью и проводили термическую обработку в восстановительной атмосфере при температуре 1230°С. При этом происходят восстановление и испарение цинка, содержащегося в окатышах, вместе с отходящими газами. Очистка этих газов позволяет получить цинк как товарную продукцию.

Эффективная подготовка к утилизации злектросталеплавильных шламов должна предусматривать отделение вредных примесей, обогащение и обезвоживание шламов.



Глава3. Пути уменьшения отходов металлургического производства

Вопросам сбережения различных ресурсов, уменьшения количества образующихся отходов и связи их с состоянием окружающей среды в прошлом веке не уделялось достаточного внимания. Кроме того, в настоящее время, для черной металлургии практически отсутствует система объективных критериев перспективности различных технологических и конструкторских разработок, отбора наиболее совершенных из них и запрета неэффективных и экологически неприемлемых.В развитых странах осознали зависимость эффективного использования ресурсов (в том числе вторичных) и воздействия их на окружающую среду. Чем больше используется энергетических, материальных и других ресурсов, тем выше уровень воздействия в отношении не нарушенных человеком территорий и, как следствие, увеличивается количество различных отходов и серьезнее опасность для видового разнообразия. Таким образом, необходимо сокращать суммарное потребление ресурсов, которое можно осуществить двумя путями.

Первый путь - прекращение экономического роста, или экономический регресс (закрытие действующих предприятий). Недостатками такого пути решения могут явиться возможные междоусобные столкновения из-за обладания ограниченными природными ресурсами.

Второй путь - совершенствование производственных технологий, использование ресурсосберегающих решений, повышение качества продукции и переработка образующихся и накопленных производственных отходов.

Концепция «устойчивого развития» основана на признании неизбежности продвижения цивилизации по второму пути. Конкретизация концепции «устойчивого развития» для решения хозяйственных проблем выразилась в разработке модели «устойчивого экологически безопасного промышленного развития» - «Ecologically sustainable industrial development» (ESID).

ESID - это промышленное развитие с целью удовлетворения потребностей человека в настоящем и будущих поколений без нарушения основных природных процессов. Принятие ESID означает начало эпохи «экологически чистого производства» или «экологически чистых технологий». В нашей стране термин ESID начали использовать вместо понятия «безотходное производство». В основу оценок «экологически чистых производств» (ЭЧП) заложены не конкретные численные значения, а уровень приемлемых на сегодняшний день, а также лучших достигнутых в производстве показателей. То есть, в понятие «чистой технологии» заложен принцип непрерывного совершенствования производства. Действующие и проектируемые производства при экспертизе на соответствие критериям ЭЧП оцениваются:

· по величине энергозатрат;

· по сбережению материалов и использованию различных вариантов рециклинга;

· по величине выбросов в окружающую среду.

Понятие рециклинга можно разделить по иерархическому принципу на «производственный рециклинг» и «глобальный рециклинг».

Под производственным рециклингом понимается возвращение в текущее производство собственных отходов производства. Производственный рециклинг наиболее предпочтителен, с точки зрения экономики, энергопотребления и защиты окружающей среды. Однако, более 70 % всех образующихся отходов не могут быть переработаны предприятиями «изготовителями отходов». Это относится к энергетике, транспорту, оборонным отраслям промышленности, машиностроению и др. Кроме того это целиком относится к «отложенным отходам». Перерабатывать подобные материалы предстоит предприятиям отраслей, эти отходы не производящим.

Таким образом, образовалась концепция глобального (межотраслевого и межрегионального) рециклинга материалов.

Металлургия является наиболее универсальной отраслью экономики, способной утилизировать практически все образующиеся отходы производства и потребления.

Современные технологии и действующие агрегаты пригодны для работы при низких и высоких температурах, в большом диапазоне давлений, при различном окислительно-восстановительном потенциале газовой среды, при разнообразном гранулометрическом составе перерабатываемого материала. Таким образом, с помощью процессов, применяемых в металлургии, можно без значительных капитальных вложений перерабатывать основную массу образующихся и накопленных отходов [20]. Возможное снижение образующегося количества отходов черной металлургии может быть решено несколькими вариантами, например, за счет ликвидации или существенного сокращения агломерационного и коксохимического производств, увеличения использования водорода как восстановителя и широкого внедрения электросталеплавильных печей.

Первый вариант - применение современных электросталеплавильных печей для переработки образующегося и накопленного лома и других отходов.

Применение лома позволяет значительно снизить энергоемкость производства стали. При использовании шихты, содержащей 30% чугуна и 70% лома, энергоемкость производства стали в электропечах примерно в 1,5 раза ниже, чем доменно-конвертерным способом, и составляет примерно 16 ГДж/т [24].

Мини-заводы, созданные на основе электросталеплавильного процесса с использованием только лома, практически по всем технико-экономическим показателям существенно превосходят заводы полного цикла. Энергоемкость производства стального проката на них почти в 2,5 раза ниже, а производительность труда в три-пять раз выше, чем на традиционном заводе полного цикла. Важная особенность мини-заводов - использование электроэнергии в качестве единственного и наиболее технологичного и экологически чистого источника энергии. Возможный недостаток этого варианта - заготовка исходного сырья или лома.

Второй вариант - использование пылеугольного топлива, снижающего нагрузку на окружающую среду.

Основным потребителем энергии и источником выделения вредных веществ в окружающую среду является аглодоменный комплекс (более 70% вредных выбросов приходится на агломерационное и коксохимическое производства). В доменном процессе используются дефицитные восстановители - кокс, природный газ и специально подготовленные рудное сырьё. Одним из важнейших путей решения проблем, связанных с производством и применением кокса, является использование в доменном процессе пылеугольного топлива (ПУТ). В результате снижается вредное воздействие на окружающую среду (уменьшается объем коксохимического производства). Энергоемкость доменного производства при этом несколько возрастает. Применение ПУТ было начато в бывшем СССР (на Донецком металлургическом заводе) раньше, чем за рубежом. Однако низкие цены на природный газ сдерживали развитие этого направления в отечественной металлургии. Ориентировочный состав топлива и восстановителя для доменного процесса приведен ниже, кг/т чугуна:

...