О.А. Федяева
Промышленная экология
Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 145 c.
Глава 5. Экологическая характеристика производств
5.20. Экологическая характеристика предприятий цветной металлургии
Предприятия цветной металлургии добывают,
обогащают, перерабатывают полиметаллические руды, содержащие цветные металлы:
свинец, цинк, медь, мышьяк, теллур, селен, кадмий, вольфрам, молибден, никель,
олово и другие. При добыче, обогащении в металлургических производствах и
сопутствующих цехах образуется большое количество твердых и жидких отходов,
часть из которых утилизируется, а большая часть складируется в отвалах, шламо-
и хвостохранилищах, накопителях.
Источниками загрязнения окружающей среды
являются:
- вскрышные породы, как правило, нигде не
используются. Лишь на единичных предприятиях они помещаются в отработанные
пространства или используются для засыпки отвалов;
- отвальные шлаки металлургических
производств после грануляции вывозятся в отвалы, которые не рекультивируются и
нарушают природный ландшафт;
- шламы глиноземного, криолитового
производства, суперфосфатного производства по системе гидротранспорта
направляются для осаждения в шламонакопители;
- пылегазовые выбросы, которые
рассеиваются в атмосферном воздухе, оседают на почву, на растения, открытые
водоемы и загрязняют свинцом, медью, цинком, ртутью, никелем, сурьмой, мышьяком
и другими веществами, что наносит ущерб плодородию почв, качеству растений, открытым
водоёмам;
- токсичные отходы мышьяка образуются при
очистке стоков сернокислотных производств или являются сопутствующими рудными
загрязнителями.
Массивным источником загрязнения
окружающей среды являются рудничные сточные воды. Нейтрализация и осаждение
цветных металлов в шламохранилищах известковым молоком достигается КПД до 80 –
89 %. Сточные воды обогатительных фабрик подвергаются локальной очистке от
цианидов (активным хлором), роданидов, ксантогенатов, дитиофосфатов (жидким
хлором, хлорной известью, гипохлоридом кальция и натрия, реже озоном). Вместе
с тем полной нейтрализации и осаждения не достигается и значительные
количества мышьяка, меди, цинка, вольфрама, свинца, фтора, молибдена попадают в
шламонакопители. После отстаивания в шламонакопителях осветленные сточные воды
используются частично для оборотного водоснабжения, а часть их в период паводков
и ливневых дождей попадает в открытые водоемы. Донные отложения, обогащённые
цветными металлами, являются вторичным массивным источником загрязнения водоемов.
Дамбы шламонакопителей, сухие отвалы, отработанные шламовые поля подвергаются
ветровой и водной эрозии, что обусловливает вторичное загрязнение окружающей
среды. Кардинальное решение вопросов очистки сточных вод и полная утилизация
твердых отходов, осевших в шламонакопителях, являются гарантией рациональной защиты
окружающей среды от загрязнения токсичными металлами от предприятий цветной
металлургии.
Специфическими загрязнителями для
предприятий цветной металлургии являются по производствам: медеплавильное -
мышьяк, медь, свинец, цинк, железо; суперфосфатный цех - фтор, мышьяк, фосфор;
никелевое - хлориды, сульфаты, аммиак, никель, кобальт; вольфрамо-молибденовое
- хлориды, сульфаты, аммиак, вольфрам, молибден, медь, мышьяк; свинцово-цинковое
- свинец, цинк, медь, мышьяк, кадмий; сурьмяное - сурьма, ртуть, никель, цинк;
ртутное - ртуть, сурьма, никель, цинк; алюминиевое - фтор, алюминий, смолистые
вещества, бенз/а/пирен.
Для цветной металлургии характерна организация
замкнутых технологических схем с многократной переработкой промежуточных
продуктов и утилизацией различных отходов. В перспективе эта тенденция
усилится. Одновременно расширяются пределы производственного комбинирования,
что даёт возможность кроме цветных металлов получать дополнительную продукцию
- серную кислоту, минеральные удобрения, цемент др.
Цветная металлургия России, занимая по общему
количеству пылевых выбросов в атмосферу четвертое место после теплоэнергетики,
промышленности строительных материалов и черной металлургии, является лидером
по разнообразию пылегазовых смесей, подлежащих очистке. Наиболее пылящими
являются предприятия, производящие никель и медь.
Одним из основных факторов, определяющих состав
аппаратов, входящих в технологические системы пылеулавливания, как по
конструкции, так и по принципу действия является высокая точка росы (210-250 оС).
Это связано с высоким содержанием сернистого (3–30 %) и серного (1-3 %)
ангидридов, что практически исключает применение аппаратов фильтрационного
принципа действия, таких, как тканевые (рукавные) фильтры. Кроме того,
склонность к зарастанию вследствие высокой влажности исходного концентрата и
низкая степень пылеулавливания (60-70 %) предопределили полную замену таких
устройств на агломерационной фабрике ОАО «Норильская горная компания» системами
мокрого пылеулавливания. В системах мокрого пылеулавливания были использованы
средненапорные скрубберы Вентури (ΔР = 3000 Па) с форсуночной подачей
орошающей жидкости, скоростью газов в горловине 70-75 м/с и диаметром горловины
не более 600 мм. Они хорошо вписываются в технологические схемы производства,
так как технологическое сырьё на предприятия поступает в виде сгущенной пульпы
и уловленные продукты обрабатываются в технологических сгустителях совместно с
сырьем. Однако при этом применение систем мокрого пылеулавливания
сопровождается выбросом значительного количества (3-6 г/м3)
аэрозолей кислоты, разрушающей газоходы, поверхности зданий и кровли. Таким
образом, для повышения степени пылеулавливания необходимо снижать каплеунос и
интенсифицировать процесс каплеулавливания.
Одним из основных способов подготовки газов к очистке
является коагуляция частиц с помощью различных устройств. Необходимость
проведения коагуляции становится очевидной при сравнении удельных энергозатрат,
потребных для улавливания аэрозолей различной дисперсности. Известно, что для
улавливания азрозолей размером 0,1 мкм требуется затратить в 50 раз больше
энергии, чем для удаления частиц размером 10 мкм.
Капли аэрозоля, получаемые в результате конденсации
мокрых газоочисток агломашин и электродуговых печей никелевого производства,
имеют размер 0,2-5 мкм. Капли такого размера можно эффективно улавливать с
помощью высоконапорного скруббера Вентури, однако энергозатраты при этом
настолько велики, что это устройство практически не применяют. Использование
мокрого электрофильтра ограничено сравнительно низкой производительностью по
газу и высокими капитальными затратами.
Предварительная электризация капельного аэрозоля в
поле коронного разряда за счет коагуляции позволяет значительно укрупнить капли
и применить простой и экономичный инерционный жалюзийный каплеуловитель.
С помощью разработанного мокрого инерционного
электростатического фильтра (МИЭФ), в котором процессы предварительной
коагуляции в неоднородном электрическом поле коронного разряда и инерционного
каплеулавливания происходят одновременно, можно эффективно улавливать капельные
аэрозоли указанного размера.
Промышленные испытания показали высокую эффективность
применения данной установки. При длине зарядного поля всего 0,5 м и скорости 6,3
м/с степень пылеулавливания составляет 88 %. В результате применения МИЭФ
выбросы капельного аэрозоля серной кислоты сократятся на 11170 т в год, а
выбросы пыли - на 250 т в год, что позволит заметно улучшить экологическую
обстановку в промышленном районе.
Согласно химическому составу, шлаки цветной
металлургии могут быть условно объединены в три группы. В одну из них можно
объединить шлаки никелевых заводов и определенную часть шлаков медных заводов,
отличающихся малым содержанием цветных металлов и железа. Извлечение ценных
компонентов из таких шлаков экономически нецелесообразно, поэтому наиболее
приемлемым путем их использования является переработка в строительные материалы
и изделия. Вторую группу составляют медные шлаки, отличающиеся значительным
содержанием железа, малым содержанием меди и присутствием до 5 % цинка и
свинца. Такие шлаки целесообразно перерабатывать лишь при комплексном
извлечении из них цинка, свинца и железа с одновременной утилизацией силикатной
части. Наконец, в третью группу следует объединить оловянные и свинцовые шлаки,
а также некоторые медные шлаки, отличающиеся значительным содержанием цинка,
свинца и олова, что делает экономически целесообразным их извлечение из шлаков
даже без комплексной переработки последних.
Технология переработки шлаков цветной металлургии
выбирается в зависимости от их состава и физико-химических свойств (вязкость,
плавкость, фазовый состав, структура, энтальпия, электропроводность и др.). В
промышленности для переработки шлаков с целью извлечения их ценных компонентов
используются способы фъюмингования, вельцевания и электротермической обработки.
Процесс фъюмингованяя широко используется для
переработки цинксодержащих свинцовых шлаков. Суть процесса заключается в том,
что через слой расплавленного шлака, находящегося в шахтной печи, продувают под
давлением воздух с угольной пылью. При этом воздух подают в количествах,
недостаточных для полного сжигания угля, что приводит к образованию оксида
углерода, восстанавливающего содержащиеся в шлаке оксиды металлов. Образующиеся
пары металлов окисляются над расплавом воздухом до оксидов, уносимых газовым
потоком из печи и отделяемых затем в пылеуловителях.
Работа шлаковозгоночной фъюминг-печи является
периодической. Заливка жидкого шлака продолжается обычно 10-15 минут и с её
началом производится подача в печь воздушной пылеугольной смеси, продолжающаяся
1,5-2 часа. В расплав можно вводить добавки твердых шлаков. По окончании
продувки в течение примерно 10 минут производится выпуск шлака из печи, после
чего шлак гранулируют непосредственно или после отстаивания с целью выделения
бедного штейна при наличии в шлаке меди и серебра. Шахтные фъюминг-печи
позволяют перерабатывать 250-700 т шлаков в сутки.
Переработка шлаков вельцеванием проводится в
горизонтальных наклонных трубчатых вращающихся печах в присутствии
восстановителя при температурах 1100-1200 °С. В таких условиях при непрерывном
перемешивании реакционной массы протекают реакции восстановления цинка, свинца
и редких элементов до металлов. Возогнанные пары металлов окисляются над шихтой
до оксидов, уносимых из печи и улавливаемых в системах очистки газов. При
вельцевавании переработке подвергают сырье с зернением 3-5 мм и кокс (50-55 %
от массы шихты) с размером зерен до 15 мм. Приготовленную из этих компонентов
шихту непрерывно загружают в печь, через которую она проходит в течение 2-3
часов. При недостатке тепла в разгрузочном конце печи устанавливают газовую
(мазутную) горелку. В этом случае к технологическим газам добавляются топочные.
Присутствующий в шихте сульфид свинца сплавляется с
сульфидами других металлов и образует штейн, стекающий к разгрузочному концу
печи. Содержащиеся в шихте благородные металлы и медь в условиях процесса
вельцевания не возгоняются и практически нацело остаются в твердом остатке
вельцевания - клинкере, который при значительном содержании этих металлов затем
перерабатывают с целью их извлечения. Степень извлечения свинца и цинка в
возгоны при вельцевании составляет ≥ 90 %.
При электротермической переработке можно обрабатывать
как жидкие (в отличие от вельцевания), так и твердые (в отличие от
фъюмингования) шлаки. При переработке отвальных шлаков плавку ведут в
руднотермических печах. Электроды печи погружаются в шлак, служащий телом сопротивления.
Электротермическая переработка шлаков представляет собой восстановительный
процесс взаимодействия расплава с находящимся на его поверхности коксом. В
результате протекания при 1250-1500 °С ряда окислительно-восстановительных
процессов происходит восстановление цинка, возогнанные пары которого
направляются в конденсатор, где цинк превращается в жидкий металл, подвергаемый
ликвации с последующим рафинированием или отливкой в чушки для отправки потребителям.
Несконденсированный в металл цинк улавливается в виде пыли в пылеуловителях.
После возгонки цинка шлак сливают из печи и передают в
отвал или на извлечение железа с одновременным использованием его силикатной
части. Отделяемый штейн с достаточной концентрацией меди передается в
медеплавильное производство. Свинец, отделяемый от цинка при ликвации, вместе с
черновым металлом, образующимся в электропечи, передается на рафинирование.
Следует отметить, что перечисленные шлаковозгоночные
процессы не обеспечивают полного извлечения всех ценных компонентов из
перерабатываемых шлаков. Фьюмингование и вельцевание, в частности, позволяют
извлекать из шлаков цинк и свинец, однако не обеспечивают необходимого их
удаления, а также извлечения меди, благородных металлов и железа. Поэтому
прошедшие переработку шлаки не являются отвальными. На практике эти процессы
используют для переработки шлаков, образующихся при плавках медно-цинковых и
свинцовых концентратов, так как значительное содержание в таких шлаках цинка и
свинца обеспечивает рентабельность их извлечения.
Помимо перечисленных способов переработки шлаков
цветной металлургии разработаны и продолжают разрабатываться другие способы,
направленные на комплексное использование металлургического сырья:
карбидотермический (осуществляемый в электропечах с использованием в качестве
флюса известняка и коксика), цементационный (основанный на восстановлении
оксидов металлов из шлаковых расплавов высокоативным углеродом, растворённым в
специально добавляемом науглероженном чугуне, а также образующимся при
разложения метастабильной фазы цементита Fe3C
жидкого чугуна под слоем шлака), газоэлектротермический (обработка шлакового
расплава в электропечи природным газом), флотация (для медленно охлажденных
шлаков после их тонкого измельчения), магнитная сепарация (для клинкера
процесса вельцевания) и др. Эти способы ещё не получили широкого промышленного
применения, хотя ряд из них обеспечивает получение отвальных шлаков и,
следовательно, возможность использования их силикатной части в качестве сырья
для производства шлаковых плит и фасонных изделий (для полов и футеровки),
минеральной ваты, металлошлаковых труб, шлакоситаллов, заполнителей бетонов и
других строительных материалов. Технология соответствующих производств на
основе шлаков цветной металлургии аналогична таковой, используемой при
переработке шлаков чёрной металлургии. Некоторые шлаки цветной металлургии непосредственно
могут перерабатываться в щебень, песок и другие строительные материалы, а в
гранулированном виде - использоваться в цементном производстве.
Наряду с вышеизложенным разработка мало- и безотходной
ресурсосберегающей технологии в цветной металлургии связана с
совершенствованием, модернизацией и заменой пирометаллургических производств -
внедрением в практику автогенных (плавка в жидкой ванне, взвешенная кислороднофакельная
плавка, плавка в кивцэтных агрегатах — кислородно-взвешенная циклонная
электротермическая плавка и др.) и гидрометаллургических процессов.
Перечисленные автогенные процессы в своем большинстве
не обеспечивают получения отвальных шлаков, однако значительно сокращают
вредное влияние пирометаллургических производств цветной металлургии на
окружающую среду: некоторые из них позволяют существенно повысить содержание SO2 в отходящих газах и обеспечить таким образом
возможность производства на базе последних серной кислоты, серы или жидкого диоксида
серы.
5.20.1. Основные направления и разработки безотходной и малоотходной технологии в металлургии
|