Основные направления сокращения выбросов и отходов предприятий черной металлургии
Технический прогресс в черной металлургии и решение задач по охране окружающей среды осуществляются по двум основным направлениям. Первое - создание таких процессов производства и обработки металла, которые бы резко снизили его расход. Это направление активно развивается, решая экологические и экономические задачи. Второе направление связано с созданием безотходных и экологически безопасных процессов получения черных металлов. В этом случае требуется радикальное изменение технологии, создание принципиально нового оборудования и процессов.
Безотходная технология - технология, предусматривающая использование всех видов исходного сырья при максимальном использовании тех отходов, которые образуются в данном технологическом процессе как дополнительные материальные ресурсы. Малоотходная технология - технология, которая не причиняет вреда окружающей среде. При ней остаточный экономический убыток составляет не более 15% возможного. Понятие безотходной технологии в некоторой степени условно, поскольку в ряде случаев она не может быть реализована полностью, но с развитием техники и технологии производства металла непрерывно совершенствуется.
Безотходная технология имеет несколько аспектов, важнейшие из которых следующие: экологический, ресурсный, технологический и технический, экономический и организационный. Экологический аспект состоит в том, что геохимическая деятельность человека значительно переросла рекреакционную способность природы. Ресурсный аспект заключается в том, что в отличие от природных, минеральные ресурсы не восстанавливаются. Технологический и технический аспекты включают понятия возможности полного и максимально возможного использования сырья.
Безотходная технология предусматривает рациональное использование не только минерального сырья, но и других природных ресурсов, и в первую очередь воды. К технологическим и техническим аспектам относится проблема очистки и утилизации пыли и газов металлургических производств.
Экономические и организационные моменты аспекта заключаются в том, что существующая методология оценки этой технологии базируется в основном на отраслевом экономическом эффекте освоения месторождения, при определении которого не всегда учитываются все факторы, оказывающие влияние на работу народного хозяйства по охране окружающей среды. Один из таких факторов - отсутствие цены на разведанные полезные ископаемые и на земли, отчуждаемые под горные работы и строительство предприятий по переработке полезных ископаемых. Часто несовершенная технология переработки руд вовлекаемого в эксплуатацию месторождения, на базе которого проектируется предприятие, предусматривает извлечение только одного компонента, хотя минеральное сырье является комплексным. В этом случае экономические, технологические и технические интересы входят в противоречие и решения принимаются в основном с учетом фактора времени. Очевидно, что при таких обстоятельствах отходы, содержащие ценные компоненты, должны быть оценены в качестве вторичного сырья.
Безотходная технология - качественно новая ступень развития промышленного производства, требующая более совершенной системы его организации.
Имеющиеся безвозвратные потери в виде не уловленных пыли и шламов - следствие технического несовершенства улавливающих устройств, с развитием и совершенствованием техники и технологии эти потери непрерывно уменьшаются.
Примером наиболее перспективной малооперационной технологии, относящейся к первому направлению, является порошковая металлургия. Это - область металлургии, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них без расплавления основного компонента (именно при расплавлении происходит выделение вредных веществ). Методами порошковой металлургии получают тугоплавкие металлы и твердые сплавы, пористые и антифрикционные материалы, электротехнические и конструкционные сплавы и композиции.
Решение экологических задач в металлургии связано с переходом не только к малооперационной технологии, но и к прямым и непрерывным процессам (получение железа без использования кокса, непрерывное литье).
Значительно уменьшает вредные выбросы в атмосферу бескоксовый способ получения железа путем непосредственного восстановления его из руды водородом или конвертированным природным газом. При этом исключаются такие особенно загрязняющие атмосферу переделы, как доменный и коксохимический.
Технологический процесс бескоксовой металлургии железа заключается в следующем (рисунок 59): полученный обогащением бедных руд магнетитовый концентрат (>70% Fe) в виде порошка смешивается с бентонитом (специальной глиной) и известняком, выполняющим в процессе роль флюса, и передается в окомкователь для получения железорудных окатышей (диаметром около 10 мм).
Процесс получения губчатого железа осуществляется в противотоке. В шахтную печь сверху загружаются железорудные материалы, а снизу подается природный газ, подвергаемый специальной обработке - конверсии, в результате которой он разлагается на водород и оксид углерода. При 1100 °С окатыши восстанавливаются в губчатое железо (95% Fe; ~ 1% С). После охлаждения губчатое железо (пористое, похожее на губку) передается на плавку. Шламы процессов газоочистки направляют в отстойники для получения пульпы, используемой в качестве сырья при производстве окатышей.
1-бункерфлюса;2-дисковыйфильтр;3-барабанныйокомкователь;4-грохот;5- установка конверсии;6-шахтнаяпечь для получения губчатого железа;7-печьдля обжига окатышей;8-циклон;9-смеситель
Рисунок 59 - Схема производства губчатого железа
На Оскольком электрометаллургическом комбинате процесс получения стали состоит из двух стадий: первая - приготовление из железорудного концентрата окисленных окатышей и их металлизация и вторая - выплавка из них стали. В данной схеме производства доменная плавка, вынуждающая металлургов иметь дело с расплавленным чугуном и шлаком, заменяется значительно более простым в управлении и обслуживании процессом металлизации окатышей. Этот процесс безопаснее и для природы и для обслуживающего персонала, позволяет отказаться от постоянно дорожающего кокса, а значит, и от сложного хозяйства коксохимических, агломерационных и доменных цехов. Выплавленная бездоменным способом сталь содержит значительно меньше серы и фосфора, ненужных цветных металлов, что повышает её механические, физические и технологические свойства. При подобном способе производства стали значительно ниже трудозатраты, снижается себестоимость стали. Что касается экологических проблем – практически отсутствуют «обязательные» атрибуты металлургического производства – пыль, грязь, шум; кроме того, процессы прямого получения железа легко поддаются механизации и автоматизации.
Энерготехнологическое производство бескоксового получения чугуна рассчитано на комплексное использование минерального сырья для нужд теплоэнергетики и черной металлургии и наиболее эффективно при создании новых промышленных производств.
Ещё одна экологически чистая энергосберегающая технология - газлифтный вариант бескоксового получения чугуна из окисленных железных руд. Основа процесса - непрерывная восстановительная плавка при 1500-1600°С в плавильном агрегате при газлифтном перемешивании шлакового расплава. Сырье (уголь и руда) подается в шлаковый расплав. При таком режиме происходит процесс интенсивного тепломассообмена. В качестве восстановителя могут использоваться угли различной стадии метаморфизма. Железосодержащее сырье не требует предварительного агломерирования. Плавка может проводиться с получением чугуна, содержащего2-3%углерода. Извлечение железа из сырья
вчугун составляет более 98%. При установке дополнительной газлифтной приставки для рафинирования чугуна возможно бесконверторное получение стали. Технология предусматривает получение наряду с чугуном концентратов цинка, свинца, титана, ванадия,
вслучае железомарганцевых руд - ферромарганца и т.п. Получаемый непрерывно пар можно направить для производства электроэнергии. Шлак используется для получения минеральной ваты, черепицы, брусчатки, теплоизоляционных плит, кирпича.
Сравнительная технико-экономическаяоценка бескоксового получения чугуна в газлифтной печи и доменного производства показывает, что газлифтная технология требует значительно меньших капитальных затрат; имеет более низкие эксплуатационные издержки; позволяет использовать сырье без значительного передела; резко снижает затраты на подготовительные производства и объемы вредных выбросов в атмосферу. В связи с этим значительно снижается себестоимость продукции. При использовании технологии бескоксового получения чугуна в газлифтной печи возможно расширение сырьевой базы за счет переработки шламов аглодоменного и сталеплавильного производства, красных шламов глиноземного производства, отходов сернокислотного производства в виде серных огарков, железосодержащих отходов цветной металлургии. При этом попутно могут извлекаться цветные (цинк, свинец), редкие и благородные металлы.
Применение метода непрерывного литья заготовок сокращает цикл металлургического производства, ведет к снижению вредных выбросов, повышает качество отливок. Эффективность этого метода еще более возрастает при объединении процесса литья с прокаткой в одном агрегате. При такой технологии используется первичная теплота слитка для его деформации, исключается промежуточное складирование металла и достигается полная непрерывность процесса - от жидкого металла до готового проката, значительно снижается количество выбросов.
Резкому сокращению выбросов способствует внедрение специальной электрометаллургии, которая включает различные прогрессивные способы производства и улучшения качества металла (плавка в дуговых, вакуумных печах, электрошлаковый переплав, электронно-лучеваяплавка и др.). Отличительной особенностью, например, плазменной металлургии, являются высокая производительность процессов, уменьшение количества отходов, возможность автоматического управления процессом, точное воздействие на состав и свойства получаемых продуктов. Следует отметить эффективность плазменной техники для восстановления железных руд.
Один из радикальных способов преобразования сталеплавильного, производства - это переход к установкам, которые производили бы металл непрерывно.
Проведенные в 70-80-егоды ХХ века исследования показали, что такой процесс, основанный на существующих технологиях должен быть многоступенчатым и включать в себя рудовосстановительную плавку, плавление скрапа, десульфурацию, окисление растворенных в металле примесей [Si, Mn, P], обезуглероживание, раскисление, дегазацию, доводку до заданного состава и разливку (на МНЛЗ).
Отвечающий требованиям агрегат - сталеплавильный агрегат непрерывного действия (САНД) - проходил технические испытания в НПО «Тулачермет». Данный агрегат состоит из нескольких емкостей - реакторов, образующих каскад: В каждом реакторе происходит определенный процесс. В одном реакторе удаляется сера, в другом - марганец и кремний, в третьем - металл обезуглероживается, в четвертом - его раскисляют и легируют. Переходя с одной ступени на другую, металл постепенно очищается, и чугун превращается в сталь. Процесс приближается к безотходному, так как образующиеся газообразные продукты химических реакций удаляются по газоходам в камеру дожигания. Шлак сливается с помощью специальных устройств и направляется на утилизацию.
Непрерывный процесс может осуществляться только при наличии надежных и достаточно точных методов регулирования и управления скоростью потока, изменениями химического состава и температуры металла и шлака. Необходимо также точное регулирование расходов энергии, кислорода, количеств вводимых легирующих добавок. От того, насколько удачно будут разрешены проблемы управления и регулирования, зависит успех осуществления непрерывного процесса.
Первой стадией является восстановление руд и плавление продукта восстановления, которые рассматриваются здесь вместе, т.к. этого требует непрерывный сталеплавильный процесс. Одним из наиболее перспективных вариантов - это восстановление в подвижном или неподвижном слое с последующим плавлением, существующим прототипом которого является агломерационная лента. Эффективным способом интенсификации и управления
агломерационным процессом является пульсирующий (импульсный) режим подачи воздуха в агломерационный слой.
Следующими стадиями многоступенчатого непрерывного сталеплавильного процесса (НСП) должны быть агрегаты, созданные на основе существующих процессов. Положительным в разделении сталеплавильного процесса в пространстве является возможность создания оптимальных термодинамических и кинетических условий для протекания различных реакций (что обычно невозможно в агрегатах периодического действия), а также осуществление в одной технологической линии взаимоисключающих операций рафинирования и обработки металла. В связи с преобладающим развитиемкислородно-конвертерногопроцесса актуальной задачей развития и совершенствования производства стали является разработка и освоение многоступенчатого НСП,1-ойстадией которого должны быть агрегаты, созданные на основе кислородного конвертера или же струйного рафинирования чугунов.
Исследования, проведенные на 3-хи4-хстадийныхСАНД-ах,показали практическую возможность осуществления в таких установках принципа селективного окисления примесей чугуна при близких к оптимальным термодинамическим и кинетическим условиям на каждой стадии рафинирования. Это чрезвычайно важно при переработке НСП природнолегированных, в частности марганцем, чугунов, где особенно актуальной является проблема сохранения марганца в металле. Здесь необходимо по возможности полностью удалить из расплава углерод и сохранить в металле марганец, что позволит получать полупродукт, пригодный для производстваприродно-легированныхмарганцем сталей. Одним из способов решения проблемы является процесс струйного рафинирования чугуна, т.е. раздробление струи металла на мельчайшие капли ввакуум-кислороднойатмосфере. Здесь благодаря пониженному давлению чисто кислородной атмосферы в вакуумной камере создаются термодинамические условия, благоприятствующие интенсивному окислению углерода и тормозящие окисление таких шлакообразующих компонентов, как марганец. Чрезвычайно большая площадь контактарасплав-кислородв реакторе агрегата струйного рафинирования (АСР) должна обеспечить высокие скорости обезуглероживания. Для разработки технологии процесса струйного рафинирования при пониженном давлении были проведены лабораторные исследования с применением методов бестигельной плавки с целью максимально интенсифицировать процесс обезуглероживания, понизив давление в реакционной камере. Их результаты показали реальную возможность получить при вакуумструйном рафинировании металл с содержанием углерода не более 1,0% и сохранение в расплаве не менее 90% марганца от его исходного содержания в чугуне.
В связи с необходимостью экономии энергетических ресурсов и, в первую очередь природного газа, целесообразно разработать способы использования богатых оксидом углерода газов для прямого восстановления железа из руд, а также процессы конверсии СО с получением синтез-газа(например, для производства метанола) или водорода, который можно использовать в металлургии в качестве низкотемпературного восстановителя оксидов железа. Аналогичным способом целесообразно перерабатывать конвертерные газы, содержащие до 90% СО, и коксовый газ, обогащать доменный газ (путем извлечения из него углекислого газа) с последующим использованием в качестве восстановителя в металлургических процессах.