Переработка железной руды польза недостатки
Предприятия, занимающиеся переработкой железных руд, служат одним из основных источников загрязнения природной среды во многих городах России и мира в целом. Наибольший вред окружающей среде приносят техногенные выбросы в атмосферу и гидросферу от работающих предприятий. Существенное отрицательное воздействие связано также со складированим отходов производства и сбросами в водоемы отработанных вод. Длительное поступление в природную среду техногенных выбросов способствует все большему накоплению в почвах прилегающих к предприятиям территорий тяжелых металлов, а также некоторому защелачиванию почв в результате постоянного поступления из атмосферы с осадками и пылью карбонатов кальция и магния. Масштабы воздействия на природу в зоне воздействия предприятий отрасли определяются как составом и объемом техногенных выбросов, так и расположением предприятия в той или иной природной зоне и подзоне. Промышленное загрязнение оказывает сильное негативное влияние не только на состояние природной среды, но и ухудшает здоровье населения. На состояние здоровья людей наиболее негативно влияет загрязнение атмосферного воздуха.
Масштабы и специфика загрязнения природных территорий предприятиями чернометаллургического комплекса определяются с особенностями используемых технологий, их экологичностью, качеством и количеством производственного сырья, объемом и структурным составом выбросов, сбросов и твердых отходов, географическим расположением предприятий, связанным с особенностями циркуляции атмосферы рассеиванием загрязнений и влиянием отходов производства на ландшафты, природные экосистемы и их отдельные компоненты.
Работа предприятий по переработке железных руд способствует возникновению следующих экологических проблем:
1. Загрязнение атмосферы (основная проблема данного производственного комплекса;
2. Загрязнение гидросферы, включая поверхностные и подземные воды;
3. Накопление и необходимость складирования различных твердых промышленных отходов;
4. Разрушение земель за счет образования карьеров, отвалов и т.д.;
5. Формирование техногенных геохимических аномалий;
6. Вредное воздействие на почвы, растительный и животный мир;
7. Неблагоприятное воздействие на здоровье человека.
Наиболее сильное негативное воздействие переработка железных руд оказывает на атмосферный воздух, химизм водной среды, а также на степень загрязнения почв. В структуре спектра загрязнения атмосферы предприятия по переработке железной руды занимают видное место. Всего в результате деятельности стационарных источников загрязнения (в основном промышленных предприятий) в нашей стране в атмосферный воздух поступает около 20 млн. т загрязнителей веществ в год, 80% из них приходится на газы и жидкости, а остальное – на пыль. Это так называемый остаточный, или чистый выброс, остающийся в атмосфере после улавливания очистными сооружениями значительной части загрязнителей. Поскольку показатель улавливания в среднем составляет более трех четвертей от общего объема загрязняющих элементов, то при отсутствии очистных сооружений ежегодный выброс в атмосферу химических веществ достиг бы размеров почти в 100 млн. тонн. Среди источников стационарных выбросов лидирует промышленность – 80%. Среди всех отраслей промышленности металлургия черных металлов по объемам выбросов загрязнений в атмосферу находится на втором месте. На выбросы от предприятий этой отрасли приходится 13,7% от общего объема загрязнения атмосферы, при том, что доля ее продукции в суммарной продукции промышленности составляет 9,8%. Хотя на многих предприятиях внедряются различные природоохранные мероприятия, но их еще недостаточно, и в целом около 30 % выбросов поступает в атмосферу без очистки.
Источники загрязнения атмосферы при переработке железных руд определяются спецификой технологического процесса. Так, при первичном обогащении руд и выделении полезного компонента образуются отвалы пустой породы, лишенные растительности. Они служат источником пыли, поставляемой в атмосферу за счет процессов ветровой эрозии, поскольку лишены растительного покрова, препятствующего пылеобразованию. На стадии переработки очищенной железной руды и изготовления готовых изделий источниками загрязнения атмосферы служат агломерационные машины, устройства для обжига окатышей; дробильно-размольное оборудование, участки разгрузки, погрузки и пересыпки материалов.
При производстве чугуна и стали состав атмосферных выбросов определяется технологическими процессами работы доменных, мартеновских и сталеплавильных печей; установок непрерывной разливки стали; травильных отделений; ваграночных печей чугунолитейных цехов.
Наиболее крупными источниками загрязнения атмосферы стойкими органическими соединениями являются: агломерационные фабрики; предприятия по производству чугуна, кокса и стали; а также все предприятия, на которых производится сжигание углеводородного топлива. Последний тип технологического процесса служит также крупным источником выброса полиароматических углеводородов, гексахлорбензола, оксидов серы и оксидов азота. Широко применяемые при первичной переработке железных руд термические процессы, служат основными источниками поступления в атмосферу диоксинов и фуранов.
Основной объем загрязнений (до 80%), выделяемых в атмосферу предприятиями отрасли, связан с прокатным производством.
Выбрасываемая пыль содержит частицы окалины, металла; выбрасываются также кислотные масляные аэрозоли, угарный газ, сернистый газ и др. Наибольший объем выбросов поступает в атмосферу при огневой зачистке металла (до 500-2000 г/т).
Для очистки газов прокатного производства в России используют мокрые скрубберы, а также и трубы Вентури, оборудованные каплеуловителями. В других странах применяют наряду с ними мокрые горизонтальные электрофильтры.
Окалину с поверхности горячекатанной полосы удаляют при помощи травления серной или соляной кислотами. Поэтому эти кислоты также входят в состав загрязнителей атмосферы, их остаточное содержание может составлять 2,5-2,7 г/м отработанного воздуха. Для очистки этих выбросов используют скрубберы с пылеуловителями. Для нейтрализации активных кислот используют известковый раствор, что обеспечивает степень очистки 85%. Также возможна очистка выбросов, содержащих кислоты, при помощи электрофильтров.
В городах, специализирующихся в отрасли переработки железных руд, систематически наблюдаются превышающие ПДК уровни загрязнения воздуха несколькими видами вредных примесей, в том числе и высоких классов опасности. Максимальные концентрации загрязнителей могут достигать 10-155 ПДК, например, в Магнитогорске – наблюдалась столь высокая концентрация этилбензола и диоксида азота; в Новокузнецке – диоксида азота. В атмосферу г. Череповца поступают значительные объемы таких газов, как диоксид серы, оксиды азота, угарный газ. Концентрация сероуглерода и формальдегида в атмосфере этого города превышает ПДК в 2 и 4 раза соответственно, концентрация атмосферной пыли, фенолов, диоксида азота находится в пределах 1-3 ПДК. Особенно значительно загрязнен северо-западный район города, где находится ряд крупных железорудно-перерабатывающих предприятий. На данной территории содержание в воздухе оксидов азота, фенола, угарного газа, сероводорода и аммиака составляет от 2,2 до 6,3 ПДК, уровень запыленности воздуха превышает ПДК в 4 раза.
По данным исследования загрязнений снежного покрова, зона воздействия крупных предприятий переработки железных руд на окружающую среду ощущается на расстоянии до 60 км от самих предприятий.
Черная металлургия составляет весьма заметный вклад в загрязнение атмосферного воздуха, например, в России на эту отрасль приходится седьмая часть 1/7 суммарных выбросов загрязняющих веществ от промышленных стационарных источников. Особенно существенным является вклад данной отрасли в выбросы шестивалентного хрома (более 65% от общего промышленного объема его выброса).
Хотя темпы загрязнения атмосферы предприятиями отрасли в связи с распространением природоохранных технологий снизились, уровень загрязнения воздуха остается весьма высоким. Впоследствии эти выбросы попадают в водоемы и почвы, для которых наиболее опасны накопление карбонатов кальция и магния и тяжелых металлов, а для растительного мира особенно вредны газообразные выбросы.
08.11.2016
3 000 лет назад человечество вошло в Железный век. В мире получили распространение технологии металлургии железа и изготовления железных орудий. Железо позволило расширить возможности человека.
Но шли столетия, менялись государства и технический уклад, а вместе с ними возрастала потребность в железе. Во второй половине 18 века началась промышленная революция, создавшая механический труд: в производстве стало появляться все больше машин.
А увеличение числа машин вызвало резкий рост потребности в металле. И уже эта потребность спровоцировала развитие металлургии.
Когда и случился технологический прорыв, главным достижением которого стала замена в металлургии древесного угля, использовавшегося средневековыми кузнецами, на каменноугольный кокс.
Доминирующая домна
Производительность современных доменных печей повышается увеличением их рабочего объёма. Таковой у средней доменной печи около 5 000 м3. Это обеспечивает выплавку стали до 4 млн тонн в год. Печь такой производительности расходует свыше 10 железнодорожных эшелонов сырья в сутки.
Для хорошей производительности требуется тщательная подготовка руды и топлива к плавке, применении руд с усреднённым составом, самофлюсующегося агломерата.
А также использование дутья с повышенной влажностью и температурой, автоматической аппаратуры для контроля и регулирования технологических процессов. Особое значение имеет применение кислородного или обогащённого кислородом дутья.
Кислородное дутьё способствует повышению температуры и концентрации окиси углерода, улучшает процессы восстановления и уменьшает объём газов.
При этом процесс плавки непрерывен. Для уменьшения расхода кокса и повышения производительности доменной печи воздух (дутьё) нагревают до 1000–1200 °С, обогащают кислородом, а в горн вдувают природный газ, мазут или пылеугольное топливо.
Подготовка руд к доменной плавке необходима для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. После этого процесса в руде увеличивается содержание железа в шихте и уменьшается число вредных примесей — серы, фосфора, повышается её однородность по кусковатости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от её качества.
Зольность и сернистость кокса тоже оказывают большое влияние на его расход и производительность доменных печей. При расчётах обычно принимается повышение на 1,5-2% расхода кокса и примерно на столько же снижение производительности доменных печей на каждый процент повышения зольности кокса или на каждую 0,1% повышения его сернистости.
При этом производство с использованием доменных печей вносит серьёзное загрязнение в окружающую среду. Металлургическая отрасль находится на втором месте среди всех других отраслей промышленности по атмосферным выбросам.
Предприятия чёрной и цветной металлургии при извлечении металлов вынуждены использовать руду с очень низким содержанием полезных компонентов. Таким образом, на обогащение и плавку поступает огромный объём руды, а это, в свою очередь, порождает большие количества отходящих газов из неиспользуемых компонентов.
Именно загрязнение атмосферы является главной причиной экологических проблем, возникающих в результате деятельности металлургических гигантов.
Выбросы из труб приводят к загрязнениям почв, уничтожению растительности и образованию техногенных пустошей вокруг крупных заводов.
К тому же, экологические проблемы отечественной металлургии обостряются из-за высокого износа оборудования и устаревших технологий.
По данным Минпромэнерго, до 70% всех мощностей в отечественной металлургической промышленности являются изношенными, устаревшими и убыточными.
Альтернатива
Индустриальная эпоха потребовала от производителей металлов улучшения качества их продукции, уменьшения издержек в производстве (в доменном производстве расходуется 60-70% всех топливно-энергетических затрат на производство готовой металлургической продукции), а также выполнения повышающихся требований к экологичности производства.
Первая массированная атака на доменную плавку, как на основной вид передела железорудного сырья, пришлась на 1960-е годы. Открытие огромных нефтегазовых месторождений на Ближнем Востоке, в Северной и Центральной Африке, Латинской Америке породило эйфорию надежд в чёрной металлургии в виде замены доменного производства низкотемпературными твердофазными процессами металлизации железорудных материалов.
Так, в 1970-х годах стали появляться промышленные производства железа непосредственно из руды, минуя доменный (с использованием кокса) процесс. Одной из первых появились установки прямого восстановления железа (или губчатого железа).
Правда, они были малопроизводительны, а конечный продукт имел довольно много примесей. С совершенствованием процесса, эта технология всё же получила в 1980-х годах широкое распространение. Случилось это после того, как в горно-металлургическом комплексе стали активно применять природный газ, который идеально подошёл для прямого восстановления железной руды.
Ещё одним удачным решением стало возможность использовать в процессе прямого восстановления железа продуктов газификации углей (в частности, бурых), попутного газа нефтедобычи и другого топлива-восстановителя.
В 1990-е годы технологические изменения позволили значительно снизить капиталовложения и энергоёмкость в нескольких процессах прямого восстановления железа, в результате чего произошёл новый скачок в производстве продукции в виде металлизированных окатышей DRI (Direct Reduced Iron), которые продолжаются до сих пор.
Эксперты отмечают, что использование губчатого железа при выплавке стали (в основном, в электродуговых печах) позволяет производить наиболее высококачественный, экономически выгодный (с относительно низкой энергоемкостью) и экологически чистый металл (по сравнению с доменным процессом), пригодный для удовлетворения самых высоких требований таких отраслей-потребителей, как машиностроение (авиа-, судостроение и т. д.).
В типовом процессе восстановления железа основной компонент природного газа — метан — разлагают окислением в присутствии катализатора в специальных аппаратах — реформерах, получая смесь восстановительных газов — окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает в высокотемпературный реактор, в который подаётся также обрабатываемая железная руда. Есть технологии DRI, использующие метан непосредственно в реакторе, а также восстановительные пылеугольные смеси.
При этом формы и конструкции реакторов очень разнообразны, например, это вращающаяся трубчатая печь или шахтная печь. Сама реакция восстановления максимально эффективно идёт только на поверхности твёрдых частиц руды, поэтому необходим определённый компромисс между сырьём (пылеобразная или пористая форма) и конечной продукцией (спечёнными окатышами, брикетами и т. п.).
Разнообразие технологий, оборудования и сырья создало большое разнообразие названий способов прямого восстановления, число которых перевалило за два десятка. Однако только немногие из них прошли опытно-промышленную и промышленную проверку, доказав свою высокую производительность и рентабельность, а также создавая готовую продукцию высокого и стабильного качества.
Все эффективные методы прямого восстановления качественного железа фактически используют единственный процесс: богатое железорудное сырьё (руда или окатыши с содержанием железа не менее 70%) восстанавливается при высоких температурах до содержания железа (85–90% и более) специальной газовой смесью.
Именно поэтому основное производство железа прямого восстановления главным образом сосредоточено в странах, обладающих большими запасами нефти с попутным газом, собственно природного газа и железной руды — это страны Латинской Америки, Ближнего и Среднего Востока.
На сегодня в мире наиболее широко распространены технологии прямого восстановления железа компании Midrex (США), установки которой работают во многих странах с 1971 года. Лидирующие позиции в DRI эта компания удерживает до сих пор.
Даже среди российских предприятий встречаются те, что используют технологии Midrex — это Оскольский электрометаллургический комбинат, который за 1983–1987 годы построил и запустил четыре модуля Midrex, общей мощностью 1,67 миллионов тонн металлизированных окатышей DRI в год, и Лебединский ГОК, который с 1999 года выпускает брикеты HRI мощностью 0,9 миллионов тонн в год.
При этом Россия занимает сейчас седьмое место в рейтинге крупнейших стран — производителей подобной продукции в мире.
Железо прямого восстановления почти полностью используется в электрометаллургии. Доменный процесс в таком производстве полностью исключен.
Поэтому получаемые продукты от этой технологии позволяет снизить негативное влияние металлургического производства на окружающую среду, в том числе за счёт уменьшения выбросов углекислого газа (оксида серы и др.) в атмосферу.
Высокий расход природного газа — до 400 м3 на 1 т DRI — считался главным недостатком технологий Midrex и её аналогов. Неуклонный рост цен на нефть и газ в последние годы угрожал рентабельности производства железа прямого восстановления.
При всей неустойчивости мировых цен на сырьё рентабельность производства железа прямого восстановления сохраняется, тем более в странах, имеющих оптимальные условия для такого производства, включая Россию.
Но аналитики сходятся в позитивных оценках развития мирового рынка DRI. По их мнению, баланс спроса и предложения на этом рынке не будет достигнут, по крайней мере, в течение ближайших 3–4 лет.
Мировое производство стали прямым восстановлением не превышает 2-3% от общего её производства. Другой технологией для работы с рудой без использования доменных печей является гидрометаллургический метод, который находится в стадии совершенствования.
Гидрометаллургический метод основан на вытеснении более активным металлом менее активного из получаемого раствора с последующей обработкой этих растворов для выделения металла в свободном виде. Для этой технологии используются руды с незначительным содержанием различных металлов.
Руду подвергают процессу гидрометаллургической переработки, т. е. её обрабатывают водными растворами кислот или щелочей. При этом часть соединений отдельных металлов переходят в состояние раствора. Также руду могут предварительно обработать кислородом или хлором, это позволяет повысить содержание в ней соединений, легко растворимых в воде.
Одним из существенных преимуществ гидрометаллургических методов, по сравнению с металлургическими переделами, является то, что они позволяют проводить более полную переработку бедных и полиметаллических руд.
При этом с раздельным получением всех полезных компонентов, а основного — в виде продукта с высокой степенью чистоты. Например, цинковые заводы одновременно с цинком выпускают кадмий, свинец, соли или концентраты меди, кобальта, ряд редких металлов и концентратов, а также серную кислоту.
Или взять медерафинировочные заводы, на которых выпускают не только медь, но и соли цветных металлов, шламы, содержащие благородные металлы.
Стоимость получаемых попутно продуктов может стать весьма важным экономическим фактором для металлургического производства. Важно всегда понимать, что рентабельность гидроэлектрометаллургического производства по сравнению с пирометаллургическим меняется значительно, поскольку в будущем ожидается вовлечение в переработку бедных и забалансовых руд.
А для этого необходимо разработать наиболее целесообразные пути извлечения всех полезных компонентов руд, с последующим их разделением и получением металлов или концентратов. При этом пирометаллургические процессы будут заменены гидрометаллургическими.
Правда, несовершенство современного состояния технологии обладает существенным недостатком: сложность технологических процессов и их аппаратурного оформления, приводящая к технико-экономической дороговизне его использования, так, например, вместе с цинком в растворимую форму переходит много железа, а это сильно усложняет последующую гидрометаллургическую переработку обожженного концентрата.
Но при этом эксперты отмечают, что технология имеет хорошие перспективы. развитие гидрометаллургических методов переработки рудного сырья в ближайшие десятилетия сможет обеспечить комплексное использование всех компонентов руд вплоть до пустой породы.
Оставшаяся после извлечения полезных компонентов пустая порода может быть тоже использована, так как в ней остаются бедные соединение полезных ископаемых, которые трудно добыть традиционными способами. такая технология будет способствовать превращению производств в полностью безотходные.
Уже сейчас гидрометаллургическим методом получают до 25% всей добываемой меди. тем более, что этот способ позволяет получать металлы, не извлекая руду на поверхность.
Принципиально новым развитием гидрометаллургического метода стала технология использования водных растворов с бактериально-химическим выщелачивание металлов.
Основу этого процесса составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. к таким минералам относятся сульфиды железа, меди, никеля, цинка, кобальта, свинца, молибдена, серебра, мышьяка. При этом металлы переходят из нерастворимой сульфидной формы в растворимую сульфатную.
Широкое распространение бактериальное выщелачивание получило при разработке сульфидных золотосодержащих концентратов. Подобно автоклавному выщелачиванию, оно заключается в окислении золотосодержащих сульфидов с помощью кислорода.
Однако приемлемая скорость окисления достигается в этом случае не за счёт применения повышенных температур и давлений кислорода, а введением в пульпу микроорганизмов бактерий), содержащих ферменты, являющиеся биокатализаторами окислительных процессов. Выделяющуюся при окислении энергию бактерии используют для своей жизнедеятельности.
Перспективы
Технологии подготовки руды без использования доменных печей находят все большее количество приверженцев по всему миру. Этот процесс позволяет избежать «дорогого» доменного передела, тем самым снизив сырьевые и энергетические расходы на фоне роста мировых цен на кокс, металлолом и железную руду, а также сокращения поставок сырья необходимого качества.
Учёные и инженеры во всём мире продолжают технологические поиски различных вариаций методов, использующих менее качественную руду и различные типы топлива.
При этом всё больше уделяется внимания экологии процесса и качеству металла. рассматривая вопросы модернизации своего производства, можно задуматься о внедрении новых перспективных технологий без использования доменных печей.
Это позволит производству войти в новый технологический уклад и начать снижать свои издержки как материально-финансовые, так и экологические. В ряде стран, в том числе и в России, имеются особо благоприятные условия для развития новых производств.
Текст: Дмитрий Трапезников
- Теги:
- домна
- железо
- переработка
- руда
- сталь