Перспективные методы утилизации твердых промышленных отходов

    Шлаки от производства марганцовых сплавов  применяются при их производстве и при плавке чугуна. Это позволяет значительно экономить марганец в металлургическом производстве.

    Примером  безотходного производства в черной металлургии является бездоменный способ получения железа на Оскольском электрометаллургическом комбинате на основе высокосортных железных руд КМА. Применение бездоменной (бескоксовой) технологии получения стали обеспечивало в течение ряда лет отечественные предприятия высококачественной металлургической продукцией. Одновременно такая технология является более прогрессивной, так как наносит меньше вреда окружающей природной среде.

    В приложении на основе работы [33] существует схема дезотходной технологии в металлургии.

6. 1. 1. Выделение металла  из иловых отвалов

    Пермским  Университетом, и ОГГУ (г. Оренбург) рыла разработана структура технологической  линии безотвальной переработки  илов металлургической промышленности, сбрасываемых после очистных сооружений на открытые площадки. Структурно линия выполняется в виде двух замкнутых блоков: кислотного и щелочного. Основой кислотного блока является реактор оригинальной конструкции, в котором в слабокислом растворе происходит вымывание металла. Металлосодержащий раствор отделяется и обрабатывается в высокочастотном электролизере, где выделяются металлы в виде конгломерата, пригодного для дальнейшего использования. Регенерированный раствор поступает для повторного использования. Нерастворимый очищенный от металлов шлам после кислотного реактора увлажняется и поступает в щелочной реактор, где после высокотемпературной окислительно-щелочной деструкции получившийся остаток можно перерабатывать в экологически чистое сельскохозяйственное удобрение.

    Режим работы технологической линии непрерывный, оптимальная производительность 100 тыс. м³ в год, что реализуется на реакторах объемом 10 м³ каждый. При таком производстве не образуются вредные отходы, используются неограниченные запасы бесплатного сырья. Ценные вторичные ресурсы обуславливают высокий уровень прибыли и быструю окупаемость предзатрат.

6. 1. 2. Переработка дисперсных  твердых отходов

    Большинство стадий технологических процессов  металлургии черных металлов сопровождается образованием твердых дисперсных отходов, представляющие собой, в основном, остатки рудного и нерудного минерального сырья и продуктов его переработки. По химическому составу они подразделяются на металлические и неметаллические (в основном представленные кремнезем, глинозем, кальцит, доломит, с содержанием железа не более 10 – 15 % массы [33]). Данные отходы относятся к наименее утилизируемой группе твердых отходов и зачастую складируются в отвалах и шламохранилищах.

    Локализация твердых дисперсных отходов, особенно металлосодержащих, на объектах складирования вызывает комплексное загрязнение природной среды по всем ее компонентам вследствие рассеивания высокодисперсных частиц ветрами, миграции соединений тяжелых металлов в почвенном слое и грунтовых водах.

    В то же время данные отходы относятся  к вторичным материальным ресурсам и по своему химическому составу могут быть использованы как в самом металлургическом производстве, так и в других отраслях хозяйства.

    В  результате анализа системы управления дисперсными отходами на базовом металлургическом комбинате ОАО «Северсталь» было выяснено, что основные накопления металлосодержащих шламов наблюдаются в системе газоочисток конвертерного, доменного, производств и теплосилового хозяйства, травильных отделений прокатного производства, флотационного обогащения углей коксохимического производства и гидрошлакоудаления [33].

    Типовая схема потоков твердых дисперсных отходов замкнутого производства в общем виде представлена на рис. 3.

    Практический  интерес имеют шлам систем газоочисток, шлам железного купороса травильных отделений прокатного производства, шлам разливочных машин доменного производства, отходы флотационного обогащения у, предложенным ОАО «Северсталь» (г. Череповец), предусматривает использование всех компонентов и не сопровождается образованием вторичных ресурсов [33].

    Складируемые  металлосодержащие дисперсные отходы металлургических производств, являющиеся источником ингредиентного и  параметрического загрязнения  природных систем, представляют собой невостребованные материальные ресурсы и могут рассматриваться как техногенное сырье. Подобного рода технологии позволяют сократить объемы накопления отходов путем утилизации конвертерного шлама, получением металлизированного продукта, производство железооксидных пигментов на основе техногенного шлама, комплексного использование отходов для получения портландцемента.

6. 1. 3. Утилизация шлама  железного купороса

      Среди опасных металлосодержащих  отходов существуют шламы, содержащие ценные, дефицитные и дорогостоящие компоненты невозобновимых рудных сырьевых ресурсов. В связи с этим разработка и практическая реализация ресурсосберегающих технологий, нацеленных на утилизацию отходов этих производств, является приоритетной задачей в отечественной и мировой практике. Однако в ряде случаев внедрение технологий, эффективных с точки зрения ресурсосбережения, вызывает более интенсивное загрязнение природных систем, нежели утилизация данных отходов складированием.

    С учетом этого обстоятельства необходим анализ широко используемых в производственной практике методов утилизации техногенного шлама железного купороса, выделенного при регенерации отработанных травильных растворов, образующихся в кристаллизационных устройствах флотационных сернокислотных ванн, после декапирования листовой стали.

    Безводные сульфаты применяются в различных  отраслях хозяйства, однако практическая реализация методов утилизации техногенного шлама железного купороса ограничена его составом и объемами. Шлам, образующийся в результате данного процесса, содержит серную кислоту, примеси цинка, марганца, никеля, титана и др. Удельная норма образования шламов составляет свыше 20 кг/т проката [32].

    Техногенный шлам железного купороса не желательно использовать в сельском хозяйстве и в текстильной промышленности. Более целесообразно использовать его при производстве серной кислоты и в качестве коагулянта для очистки сточных вод, кроме очистки от цианидов, т. к. образуются комплексы, не подвергающиеся окислению даже хлором или озоном.

    Одним из наиболее перспективных направлений  переработки техногенного шлама железного купороса, образующегося при регенерации отработанных травильных растворов, использование его в качестве исходного сырья для получения различных железо-оксидных пигментов. Синтетические железо-оксидные пигменты имеют широкую область применения.

    Утилизация  содержащегося в топочных газах  прокалочной печи диоксида серы, образующегося при получении пигмента «Капут-Мортум», осуществляется по известной технологии аммиачным способом с образованием раствора аммония, используемого при производстве минеральных удобрений. Технологический процесс получения пигмента «Венецианская красная» включает операции смешения исходных компонентов, прокаливания исходной смеси, размол и упаковку и исключает операцию обезвоживания исходной шихты, промывки, сушки пигмента и утилизацию отходящих газов [32].

    При использовании  качестве исходного  сырья техногенного шлама железного купороса физико-химические характеристики продукта не снижаются и отвечают требованиям для пигментов.

    Технико-экологическая  эффективность использования техногенного шлама железного купороса для  получения железооксидных пигментов  обусловлена следующим [32]:

• Не предъявляется жестких требований к составу шлама;
• Не требуется предварительной подготовки шлама, как, например, при использовании его в качестве флокулянтов;
• Возможна переработка  как свежеобразованных, так и накопленных в отвалах шламов;
• Объемы потребления не лимитируются, а определяются программой сбыта;
• Возможно использование имеющегося на предприятии оборудования;
• Технология переработки предусматривает использование всех компонентов шлама, процесс не сопровождается образованием вторичных отходов.

6. 2. Цветная металлургия

    При производстве цветных металлов также  образуется немало отходов. Обогащение руд цветных металлов расширяет применение предварительной концентрации в тяжелых средах, и различных видов сепарации. Процесс обогащения в тяжелых средах позволяет комплексно использовать сравнительно бедную руду на обогатительных фабриках, которые перерабатывают никелевые, свинцово-цинковые руды и руды других металлов. Легкая фракция, получаемая при этом, используется в качестве закладочного материала на рудниках и в строительной индустрии. В Европейских странах используются отходы, образующиеся при добыче и обогащении медной руды, для закладки выработанного пространства и опять таки в производстве строительных материалов, в дорожном строительстве[3].

    При условии переработки бедных низкокачественных  руд широкое распространение получают гидрометаллургические процессы, которые используют сорбционные, экстракционные и автоклавные аппараты. Для переработки ранее выбрасываемых трудноперерабатываемых пирротиновых концентратов, которые являются сырьем для получения никеля, меди, серы, драгоценных металлов существует безотходная окислительная технология, проводимая в аппарате-автоклаве и представляющая собой экстракцию всех основных вышеназванных компонентов. Эта технология используется на Норильском горно-обогатительном комбинате.[3]

    Из  отходов заточки твердосплавного  инструмента, шлаков при производстве алюминиевых сплавов также извлекаются ценные компоненты.

    Нефелиновые шламы при производстве цемента  также используются и позволяют  повысить производительность цементных  печей на 30% при снижении расхода топлива.

    Почти все ТПО цветной металлургии  можно использовать для производства строительных материалов. К сожалению, пока еще не все ТПО цветной металлургии используются в строительной индустрии [3].

6. 2. 1. Хлоридная и  регенеративная переработка отходов цветной металлургии

    В ИМЕТ РАН были разработаны теоретические  и технологические основы хлорно-плазменной технологии переработки вторичного металлосырья. Технология отработана в укрупненно-лабораторном масштабе. Она включает хлорирование металлических отходов газообразным  хлором и последующее восстановление хлоридов водородом в ВЧИ-плазменном  разряде. В случае переработки монометаллических отходов либо в тех случаях, когда не требуются разделения извлекаемых металлов, оба процесса совмещаются в одном агрегате без конденсации хлоридов. Это имело место при переработке отходов вольфрама.

    Отходы  твердых сплавов после сортировки, дробления и очистки от внешних  загрязнений перед хлорированием  окисляются кислородом или кислородосодержащими газами (воздух, СО₂, водяной пар), в результате чего выгорает углерод, а вольфрам и кобальт превращает в оксиды с образованием рыхлой, легко размалываемой массы, которая восстанавливается водородом или аммиаком, а затем активно хлорируется газообразным хлором. Извлечение вольфрама и кобальта составляет 97 % и более [12].

    В развитии исследований по переработке  отходов и отслуживших свой срок изделий из них разработана  альтернативная технология регенерации карбидосодержащих  отходов твердых сплавов. Сущность технологии состоит в том, что исходный материал подвергается окислению кислородосодержащим газом при 500 – 100 ºС,  а затем подвергается восстановлению водородом или аммиаком при 600 – 900 ºС. В образующуюся рыхлую массу вводится сажистый углерод и после размола получается однородная смесь для карбидизации, проводимой при 850 – 1395 ºС, а с добавлением одного или нескольких металлических порошков (W, Mo, Ti, Nb, Ta, Ni, Co, Fe), что позволяет получать ценные сплавы. [12]

    Метод решает первоочередные ресурсосберегающие задачи, обеспечивает реализацию технологий рационального использования вторичных материальных ресурсов.

6. 2. 2. Утилизация отходов  литейного производства

    Утилизация  отходов литейного производства – актуальная проблема производства металла и рационального ресурсопользования. При плавке образуется большое количество отходов (40 – 100 кг на 1 т), определенную часть которых составляют донные шлаки и донные сливы,  содержащие хлориды, фториды и другие соединения металлов, которые в настоящее время не используются как вторичное сырье, а вывозятся в отвалы.  Содержание  металла в  подобного  рода  отвалах  составляет    15 – 45 %. Таким образом, теряются тонны ценных металлов, которые должны быть возвращены в производство. Кроме этого, происходит загрязнение и засаливание почв [39].

    В России и за рубежом известны различные  способы переработки металлсодержащих отходов, но только некоторые из них получили широкое применение в промышленности. Сложность заключается в нестабильности процессов, их длительности малом выходе металла. Наиболее перспективными являются:

• Плавление богатых металлом отходов с защитным флюсом, перемешивание полученной массы для диспергирования на мелкие, однородные по величине  и равномерно распределенные по объему расплава капли металла с последующей коанселяцией;
• Разбавление остатков защитным флюсом и разливка через сито расплавленной массы при температуре ниже температуры данного расплава;
• Механическая дезинтеграция с сортировкой пустой породы;
• Мокрая дезинтеграция путем растворения или флюса и отделения металла;
• Центрифугирование жидких остатков плавки.