Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

О.А. Федяева
Промышленная экология
Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 145 c.

Предыдущая

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

Предыдущая