Исследование способов обезвреживания и использования твердых отходов в качестве строительных материалов

Рисунок 5. Схема дуговых электропечей с разными способами нагрева

Применяют угольные или графитовые электроды диаметром 200—500 мм. В передней стенке печи находится завалочное окно 2, которое служит для завалки шихты и наблюдения за ходом плавки. Для выпуска металла в задней стенке имеется отверстие 5 с желобом 4. В некоторых печах жидкий металл выпускается через желоб 4, вставляемый в завалочное окно 2. Для наклона печи служит механизм 3.

Кладку электросталеплавильных печей делают либо основной (при выплавке главным образом высококачественных и легированных сталей для производства слитков), либо кислой (при выплавке углеродистых и низколегированных сталей для фасонного литья).

В зависимости от емкости и конструкции печи загружаются различно: через завалочное окно вручную, лотками и завалочной машиной или сверху бадьей или корзиной после подъема и отвода в сторону свода или выкатывания печи.

Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и тому подобное).

Принцип действия индукционной печи заключается в том, что под  действием переменного тока, подводимого  к первичной катушке (индуктору) 2 (рис. 5), во вторичном кольце, расплавляемый металл 1, находящийся в тигле 3 индуктируется ток, энергия которого создает высокую температуру. Благодаря этому шихта расплавляется быстро, и процесс плавки ускоряется [35].

Эти печи существуют двух видов: с железным сердечником и без  сердечника (высокочастотные печи). Печи с железным сердечником применяют  в литейных цехах для получения сплавов цветных металлов. Большое распространение в производстве стали получили индукционные высокочастотные печи без железного сердечника. Они применяются для плавки стали и специальных высоколегированных сплавов. емкость высокочастотных печей от 10 кг до 10 т. Тигель высокочастотной печи изготовляют либо из кислых, либо (реже) из основных материалов.

Так как окисление углерода является основной химической реакцией всех металлургических процессов, то металлурги постоянно сталкиваются с необходимостью сокращения выбросов углекислого газа (СО₂) без существенного снижения эффективности процессов. Так, в современных электродуговых печах электрическую энергию, вводимую в печь, дополняют подачей углерода и применением углеводородного топлива с целью сокращения расходов на энергию, ускорения плавки и повышения производительности. Однако, неэффективное использование подведенной энергии может привести к повышению прямых и косвенных выбросов углекислого газа (СО₂).

Традиционная технология плавки в электропечи предусматривает использование водоохлаждаемых систем газоотвода, в которых вода под давлением 400–500 кПа подается в достаточном количестве для того, чтобы на первом этапе охладить газы, поступающие при температуре около 1300°С, до температуры ниже 700°С, после чего газы поступают в «холодную» часть газохода для окончательного охлаждения. Так как нагретая вода в системе охлаждения находится под сравнительно небольшим давлением и ее невысокая температура не предполагает практического использования, то обычно такую воду подают насосом в башни испарительного охлаждения, где ее теплота, в конечном счете, выделяется в атмосферу.

В настоящее время появилась возможность заменить традиционные газоходы, охлаждаемые водой низкого давления, системами охлаждения с котельными трубами высокого давления, способными противостоять жестким рабочим условиям систем газоотвода электропечи, работающими под давлением 1500–4000 кПа. Например, при давлении 2000 кПа температура кипения воды повышается до 215°С [24; 26; 28].

Технология испарительного охлаждения разработана с целью  использования теплоты парообразования  для производства пара высокого давления при температуре 215°С с понижением температуры отходящих газов в «холодной» части газохода до 600°С.

Вырабатываемый пар высокого давления может быть использован для дополнения или частичной замены пара, производимого в заводском парогенераторе и используемого внутризаводскими потребителями.

Как известно, включение в энгергосистему паровых баков-аккумуляторов для обеспечения более равномерного производственного цикла электропечи делает возможным непрерывное производство пара со средней производительностью 20 т/час в цехе с электродуговой печью производительностью 140 т/час стали. Включенный в энергосистему парогенератор, производящий эквивалентное количество пара, потреблял бы почти 13 тыс. кВт/ч энергии. Следовательно, применяя систему утилизации тепла отходящих от электропечи газов, можно исключить бойлер и предотвратить эквивалентные выбросы СО₂, составляющие приблизительно 112500 т/год при работе бойлера на угольном топливе, или 57000 т/год – при отоплении природным газом [24].

Возможно также комбинированное  использование в системе утилизации тепла и второй стадии утилизации, где используют тепло отходящих  газов при их охлаждении от 600 до 200°С путем установки бойлеров сбрасываемого тепла. В этом случае комбинированная система утилизации тепла, включающая систему испарительного охлаждения и бойлер сбрасываемого тепла, позволит использовать 75–80 % общей теплоты отходящих газов, что составляет примерно 20 % от всей первичной энергии, поступающей в сталеплавильный процесс.

В данной работе для выплавки сталей восстановленных из пиритных огарков мы предлагаем использовать дуговые электропечи прямого действия с кислой кладкой, в связи с тем, что выплавляемая сталь будет являться углеродистой.

В первую очередь в печь через завалочное окно загружается шихта, состоящая из чугуна, восстановленного из пиритных огарков медного обогащения, кварцевого песка в качестве флюсов, а также извести и шамотного боя для разжижения.

После загрузки печи к электродам подводится ток. Благодаря высокой температуре горения дуги (около 3500°С) происходит интенсивное плавление шихты.

В первом периоде плавки примеси окисляются кислородом, находящимся в печи (главным образом кислородом железного концентрата). Образующаяся закись железа растворяется в металле и вступает в соединение с кремнием, марганцем, фосфором и углеродом. Образующиеся диоксид кремния (SiO₂), оксид марганца (MnO), оксид железа (FeO) создают шлак.

Во втором периоде электроплавки происходит науглероживание металла, если количество углерода окажется ниже заданной нормы, затем раскисление и удаление серы. Раскислителем служит карбид кальция (СаС₂).

Таким образом, на выходе получаем углеродистую сталь, которую направляют в прокатку. Там на огромных станах (блюмингах и слябингах) обжимают раскаленные стальные болванки с помощью валков, позволяющих изготовлять из стального слитка разнообразные формы.

Из стали изготовляют  автомобили, инструменты, арматуру для  железобетонных конструкций, жесть  для консервных коробок и кровельное листовое железо, корабли и мосты, сельскохозяйственные машины и балки, трубы и ряд бытовых изделий. Мы считаем, что получаемую таким  образом сталь наиболее целесообразно  использовать в качестве стройматериала для производства различных строительных конструкций.

И так, пиритные огарки (в  основном описываются формулой Fe₂O₃), оставшиеся от производства серной кислоты, собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2 % углерода в сплаве) и чугун (4 % углерода в сплаве). Таким образом, производство является безотходным, что соответствует нормам передовых природоохранных технологий.

Далее полученные материалы (чугун и сталь) целесообразно  использовать для производства строительных конструкций.

Серый или литейный чугун, получаемый от переработки пиритных огарков, хорошо заполняет формы  и легко обрабатывается режущими инструментами. После переплавки чугуна в печи он пригоден для разливки в заранее приготовленные, формы, поэтому литейные чугуны применимы  для отливки различных строительных деталей, например, труб, радиаторов, водопроводной и канализационной арматуры, печных приборов [27; 38].

Углеродистые стали наиболее широко применяют, в строительстве. Она идет на изготовление металлических  конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, опор линии  электропередач, резервуаров и трубопроводов, а также арматуры железобетона.

Согласно Постановлению  Правительства Республики Казахстан  от 4 февраля 2008 года № 96 об утверждении  технического регламента «Безопасность  строительных материалов, изделий и  конструкций» [1] к стальным строительным конструкциям относятся:

• Конструкции каркасов зданий;
• Легкие строительные конструкции;
• Решетчатые башни и мачты из черных металлов;
• Ограждающие и встраиваемые конструкции зданий;
• Оборудование для металлических строительных лесов, опалубок, подпорных стенок или шахтной крепи;
• Панели, состоящие из двух стенок, изготовленных из гофрированного (ребристого) листа с изоляционным наполнителем;
• Конструкции промышленных сооружений;
• Конструкции инженерных сооружений;
• Конструкции специальных сооружений;
• Конструкции для сельскохозяйственного строительства.

Кроме того в настоящее время пиритные огарки частично используются в качестве добавок при производстве цемента (3-5 % в составе цементной шихты), стекла, огнеупоров, и в некоторых других отраслях промышленности. Учитывая, что в них, помимо окиси железа, содержатся лишь незначительные содержания благородных, цветных и редких металлов, такое использование их можно считать целесообразным.

Согласно инновационным исследованиям [16] такие свойства оксида железа как высокая дисперсность, плотность, неслеживаемость способствуют получению на их основе качественных минеральных порошков, пригодных для получения различных видов асфальтобетонных композиций (асфальтобетонные смеси типа «Б», «В», «Г», щебеночно-мастичные асфальтобетоны, литой асфальт). Они могут заменить дорогостоящие минеральные порошки, получаемые помолом карбонатных горных пород, действующие месторождения которых во многих регионах ограничены, а новые находятся на значительном отдалении и не имеют транспортной инфраструктуры.

При контакте битума с большим  количеством минерального наполнителя  происходит коренная перестройка его  дисперсной структуры, при этом надмолекулярные  образования разрушаются с образованием новых, энергетически более устойчивых соединений, типа асфальтенов. В результате такой перестройки битум приобретает значительно более жесткую структуру не только в поверхностном адсорбированном слое, но и в остальной массе. Конечные результаты изменения структуры битума зависят от природы битума и температуры его получения, а также от температуры, при которой он контактирует с минеральным наполнителем, продолжительности контакта и величины поверхности раздела фаз. Для дисперсных минеральных заполнителей кислой природы, к которым относятся и пиритные огарки, наиболее эффективно применение неокисленных битумов, получаемых либо по технологии компаундирования, либо глубоковакуумной отгонки вязких нефтепродуктов [16].

Введение пиритных огарков  при приготовлении асфальтобетонных смесей возможно на стандартном технологическом  оборудовании действующих асфальтобетонных заводов по упрощенной технологии - добавление огарка в процесс сушки  заполнителей с последующими стандартными технологическими операциями.

Итак, переплавка пиритных огарков, оставшихся от получения серной кислоты  на чугун с последующей переплавкой  стали для изготовления строительных конструкций дает возможность полностью  переработать хвосты медного обогащения, делая тем самым процесс обогащения безотходным, и получить значительное количество строительных материалов, так необходимых нашему региону. Кроме того, пиритные огарки ценны как потенциальное сырье для производства цемента, стекла, огнеупоров, асфальтобетонных смесей.

Само производство серной кислоты окупается тем, что в  регионе существует потребительский  спрос на данную продукцию. Например, она может использоваться при переработке никелиевых руд Кимперсая, фосфоритов Чилисайского месторождения и так далее.

3.2. Методы обезвреживания, переработки и использования вскрышных пород

Одним из факторов негативного воздействия  на окружающую среду является вынос  в атмосферу пылевых частиц вследствие ветровой эрозии с поверхности отвалов вскрышных пород, как действующих, так и заполненных до проектных отметок и выведенных из эксплуатации, но не законсервированных и не прошедших рекультивацию.

В период пыления ухудшается санитарное состояние на больших площадях прилегающей  к отвалу территории.

Пыление отвалов возникает вследствие несовершенства проектных решений, нарушения правил эксплуатации, несвоевременного принятия мер к рекультивации (консервации) отработанных площадей.

Балансовые запасы пород  вскрыши, пригодные для производства товарного щебня утверждены в 1983 году в пределах горного отвода медно-колчеданного месторождения. Породы оценены в соответствии с требованиями ГОСТа 23845-79, пригодны для производства щебня марок «600» – «1400».

На этом фоне переработка  данной части скальных вскрышных пород в строительные материалы является как одним из путей решения экологической проблемы, так и существенным вкладом в строительную индустрию региона.

Итак, для получения щебня в открытом исполнении используются дробильно-сортировочные комплексы. В состав дробильно-сортировочных комплексов входят следующие технологические сооружения:

• дробильно-сортировочные установки;
• узлы грохочения;
• питатели;
• загрузочные бункера;
• склады щебня.