The state of usage of metallurgical wastes at the plants of iron and steel industry of Ukraine is reviewed in the report. The native born variation of an approach to a problem entities of production safeguarding resources, optimization of caretaking of resources and more complete waste utilization is directional on a decrease of necessity in metallurgical raw, and consequently, on saving capital and carrying costs to its mining and dressing. The progressive technologies on complete complex usage of a metallurgical wastage and improvement of a surrounding medium surveyed by the base designed Donetsk State Technical University. On their base for the metallurgical operations of Ukraine the documentation on building of objects of collateral opening-up and salvaging of ferruginous waste products designed.

1. Введение

Чёрная металлургия относится к числу базовых отраслей промышленности и, наряду с топливно-энергетическим комплексом, в значительной мере определяет конкурентоспособность экономики страны. Чёрная металлургия Украины имеет ряд особенностей, обостряющих кризисное состояние и требующих значительных усилий по решению давно наболевших взаимосвязанных проблем.

Эта отрасль потребляет значительное количество топливно-энергетических и минеральных ресурсов. При этом доля железосодержащих отходов на 1 т проката в целом почти втрое больше, чем в развитых странах. Для повышения конкурентоспособности продукции необходимо осуществить техническое перевооружение отрасли и существенно повысить экологическую безопасность производства. При этом одним из основных направлений модернизации производства является комплексное использование минерального сырья и максимальное использование образующихся вторичных ресурсов.

Коренное изменение подхода к проблеме организации ресурсосберегающего производства и более полного использования отходов направлено на снижение потребности в металлургическом сырье, а следовательно, на экономию капитальных и текущих затрат на его добычу и обогащение. Оптимизация ресурсосбережения в чёрной металлургии за счёт утилизации отходов и в частности в аглодоменном переделе, на долю которого приходится значительная доля образующихся вторичных ресурсов отрасли, включает в себя прежде всего разработку рациональной технологии данного производства, повышение его экологической безопасности, максимально полное использование образующихся отходов в технологическом цикле производства, т.е. их рециркуляцию.

2. Кругооборот железа в народном хозяйстве

На Украине коэффициент использования железа в доменном производстве в начале 90-х годов составил 93,64 %, в сталеплавильном - 94,0 % , в прокатном - 71 %. Железо, содержащееся в единице исходного металла, распределилось в процессе его производства следующим образом: 0,722 перешло в готовую продукцию, 0,221 - в металлоотходы, 90,057 - безвозвратно потеряно. Это распределение железа отражает единичный цикл производства, при котором не учтена регенерация текущих металлоотходов. Металл, оставшийся в отходах, используемых в качестве вторичного сырья, совершает кругооборот внутри самого металлургического производства. Средневзвешенный уровень использования металла в целом в металлообработке, машиностроении и строительстве составил 81,2 %, в собранных металлоотходах содержалось 16,2 % и безвозвратно потеряно 2,6 % железа.
Нами разработана методика расчёта показателей кругооборота металла в процессе его производства, потребления и службы в народном хозяйстве страны.

3. Актуальность оптимизации ресурсосбережения в Донбассе

Как уже отмечалось, для Украины, и в частности для такого промышленно развитого региона как Донбасс, оптимизация ресурсосбережения является приоритетной задачей не только для чёрной металлургии, но и для всей промышленности в целом. Образование отходов промышленности Донецкой области в настоящее время характеризуется следующими данными, %: угледобыча - 29,6; чёрная металлургия - 27,6; коксохимическое производство - 9,1; обогащение угля - 8,1; производство электроэнергии - 7,5; строительные материалы и гражданское строительство - 4,2; коммунальное хозяйство - 4,0; машиностроение - 3,2; химическая и нефтехимическая промышленность - 1,5; транспорт - 1,4; производство огнеупорных материалов и флюсов - 1,2; цветная металлургия - 1,2; лёгкая промышленность - 0,8; пищевая промышленность - 0,4; сельское хозяйство - 0,1.

Особенно актуальной для чёрной металлургии Украины является утилизация вновь образующихся и ранее заскладированных отходов, и, прежде всего шламов, которых накоплено в пределах всей страны более 70 млн. т шламов (20 млн. т - в Донецкой области). После соответствующей их подготовки они могут стать существенным источником вторичного сырья, которое сэкономит природные минеральные ресурсы для чёрной металлургии и для стройиндустрии при утилизации разубоженых отходами других производств металлургических шламов.

4. Образование отходов агломерационного производства

Основная доля пыли и шламов в аглопроизводстве образуется при удалении пыли из газовых мешков коллекторов и аспирационных систем, от аппаратов сухой и мокрой очистки газов, при гидравлической уборке помещений (90 - 95 %). Остальные 5 - 10 % поступают от других отделений аглофабрики. На рисунке 1 представлена обобщённая схема образования, улавливания и утилизации отходов аглопроизводства. На предприятиях отрасли при очистке газов и воздуха, отводимых от мест выделения пыли, с помощью сухих газоочисток уловленная пыль часто удаляется гидротранспортом. Она превращается в шлам, который затем совместно со шламом мокрых газоочисток и смывами производственных помещений, транспортируется в шламонакопители или в корпус обезвоживания.

5. Образование отходов доменного производства

Главным источником образования пылей и шламов в доменном производстве является доменная печь, основная масса пыли из которой выносится с колошниковыми газами. Другими источниками образования является межконусное пространство, места выпуска чугуна и шлака на литейном дворе, подбункерные помещения и участки переработки шлака.

Очистка доменного газа осуществляется в трёх последовательно включённых газоочистных аппаратах. Предварительная грубая очистка осуществляется в сухих радиальных пылеуловителях, полутонкая - в мокрых форсуночных скрубберах, а тонкая очистка в трубах Вентури и дроссельной группе. При работе доменной печи на повышенном давлении окончательная очистка осуществляется в дроссельной группе. Мелкая фракция пыли, уловленная в каплеуловителе, обычно удаляется общим потоком шламов. Нами предлагается направлять этот шлам с повышенным содержанием цинка на дальнейшее обесцинкование.

В подбункерных помещениях для улавливания аспирационных выбросов и просыпей всё технологическое оборудование перегрузочных узлов, конвейеров, грохотов снабжается укрытиями и аспирационными отсосами, которые подвергаются очистке в сухом пылеуловителе. Для снижения выбросов пылей из межконусного пространства предусматривается установка автономных газоочисток. Воздух из литейного двора очищается в сухих пылеуловителях. Пыль транспортируется пневмотранспортом на подготовку и утилизацию. Графитсодержащая пыль сухого пылеуловителя может быть направлена на графитоперерабатывающий завод.

6. Проблемы накопления и вывода цинка из доменной печи

Повторное использование железосодержащего шлама газоочистки доменного газа связано с проблемами вывода из оборота оксида цинка, который накапливается в верхнем горизонте доменной печи и в газопроводах в виде плотных и слоистых настылей, отрицательно влияющих на ход доменной плавки.

При замкнутой системе переработки железорудного сырья поступление цинка в доменную печь увеличивается вследствие полной утилизации цинк- и железосодержащих отходов. Для циркуляционных процессов количество цинка, поступающего в печь, рассчитывается по известной формуле q = q _вн + 1/(1- R), где q - количество цинка, поступающего в печь, т/год; R - коэффициент циркуляции цинка, т.е. доля цинка, возвращаемого в доменную печь; q_вн - приход цинка с внешними источниками, т/год. Масса цинка, поступающего в доменную печь в каждый последующий цикл, рассчитывается по формуле А = А + КА_n-1 , где А- постоянная входящая масса цинка, кг/т чугуна; К - коэффициент перехода цинка в доменный шлам и колошниковую пыль, принимаемый 0,85 - 0,9.

Упрощённой схемой обесцинкования является отдельный отвод тончайших частиц шламов каплеуловителей, труб Вентури и дроссельной группы, обогащённых цинком, от потока шламов полутонкой очистки. Эти шламы отдельно обезвоживаются и отправляются на переработку с извлечением цинка.

Вывод цинка из доменной печи можно осуществлять и другим способом. Контроль концентрации цинка в доменных шламах и динамики его накопления в доменной печи позволяет организовать периодическое (за один цикл) выведение из замкнутой системы шламов с повышенным содержанием цинка. Длительность цикла зависит от способов обезвоживания и подготовки шламов к утилизации, от вместимости складов при усреднении железорудных материалов на аглофабриках и обычно она составляет 10 суток.

7. Малоотходная технология агломерационного производства

Основными направлениями совершенствования технологии производства агломерата, способствующими снижению вредных выбросов, являются практически все технологические операции аглопроизводства. Прогрессивная и дешёвая технология сухой очистки газов от пыли дискредитируется низкой работоспособностью методов подготовки улавливаемого продукта. Для устранения вторичного пыления при транспортировке и выгрузке пыли предлагается технологическая схема, включающая увлажнение пыли в специальных вибрационных смесителях-увлажнителях при её выгрузке на конвейер.

В ДонГТУ была предложена технология и оборудование для беспыльной выгрузки из накопительных бункеров и подготовки к дальнейшему использованию технологических и аспирационных пылей и порошков с широким диапазоном физико-химических свойств, в том числе плохо смачиваемых полидисперсных пылей и порошков крупностью от долей микрометра до 0,1 - 1,0 мм.

Ключевой установкой в системе оборудования для уборки и подготовки пылей является специальный вибрационный смеситель-увлажнитель,. Позволяющий получить непылящий гомогенный сыпучий продукт с заданной влажностью, озернённый или окомкованный до крупности 3 - 15 мм. Параметры установки изменяются в зависимости от свойств пылей и требований к конечному продукту. Производительность виброувлажнителя до 50 т/ч, мощность - до 1,5 кВт. Габариты до 1,2х1,5х1,0 м (с несущей рамой). Масса установки 300-400 кг в зависимости от производительности. В качестве увлажняющего и связующего агента могут применяться технические и шламовые воды, а также специальные растворы и суспензии. Основными преимуществами данной технологии являются высокая производительность и надёжность; малая капитало- и энергоёмкость; небольшие эксплуатационные затраты, а также то, что она может быть включена составной частью в линии уборки пылей при сохранении традиционных способов улавливания и накопления пылей.

В качестве примера на рисунке 3 представлена схема малоотходного агломерационного производства. Технологическая и аспирационная пыль, уловленная в сухих газоочистках, накапливается в пылесборных бункерах и затем подаётся в осадительные устройства. Из осадительных устройств после накопления она периодически выгружаются в виброувлажнитель, в котором смешивается со сгущённым шламом. Шламы, образующиеся в аппаратах мокрой газоочистки, направляются в сгустители.

Сюда же подаются сливы после предварительного выделения крупной фракции в спиральных классификаторах шламов гидросмывов производственных помещений. Сгущённые шламы направляются на увлажнение сухих пылей в виброувлажнители и на охлаждение горячего возврата в барабаны-охладители. Осветлённая вода из сгустителей используются в аппа-ратах мокрой газоочистки, а также для гидросмывов помещений и в устройствах окомкования шихты. В случае недостатка воды его покрывают подпиткой технической водой.

Увлажнённая смесь из увлажнителей пыли, пески из классификатора, охлаждённый возврат из барабана-охладителя, просыпь и пыль из газового коллектора агломашины поступают в смеситель для предварительного перемешивания всех видов отходов перед складированием их в шихтовых бункерах фабрики. Схема предусматривает и выгрузку этих материалов на сборный конвейер, минуя смеситель.Перспективным способом обезвреживания аглогазов является их рециркуляция. Для осуществления этого технологического мероприятия газы охладителя специальным дымососом подаются под зонт, герметично укрывающий аглоленту сверху.

8. Заключение

Важнейшим решением рециркуляции отходов является создание и организация малоотходных процессов и производств. В этом направлении ДонГТУ за последние 30 лет выполнен значительный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

В числе основных разработанных ДонГТУ прогрессивных технологий по полному комплексному использованию металлургических отходов и оздоровлению окружающей среды следует назвать: утилизация заскладированных шламов с использованием освобождающихся ёмкостей шламонакопителей для рационального природопользования; реконструкция линий подготовки шихты аглофабрик с целью переработки заскладированных шламов с использованием прогрессивных технологий гомогенизации аглошихт; комплексное извлечение и переработка цветных металлов из металлургических шламов и пылей; проблемы пылеподавления, беспыльная выгрузка и транспортировка технологических и аспирационных пылей из накопительных емкостей и утилизация в технологическом потоке аглофабрик; совершенствование металлургических процессов для уменьшения образования отходов производства; разработка рациональных схем улавливания, подготовки и утилизации отходов производства; разработка технологических заданий для проектных организаций на строительство и реконструкцию объектов подготовки и утилизации железосодержащих отходов; восстановительный подогрев металлолома с извлечением цветных металлов; технология рециркуляции пылевыноса сталеплавильных агрегатов с извлечением из него цветных металлов.

Большой объём исследований выполнен по созданию технологии подготовки и утилизации железосодержащих отходов металлургического производства: технология совместной подготовки шламов и других железосодержащих отходов производства на новых объектах; технология известкования концентрата на аглофабриках с использованием цепных роторных смесителей конструкции ДонГТУ; использование физического тепла огненно-жидких сталеплавильных шлаков для окускования отходов производства и возгонки из них цветных металлов; технология беспыльной выгрузки и утилизации технологических и аспирационных пылей с использованием виброувлажнителей конструкции ДонГТУ; технология производства агломерата с полной утилизацией текущих отходов и заскладированных шламов; разработка и совершенствование оборудования для линий подготовки шихты и отходов к окускованию.

На их основании указанных разработок для металлургических предприятий Украины разработана проектно-сметная документация на строительство объектов совместной подготовки и утилизации железосодержащих отходов производства. Основой принципиально новой технологической схемы является совместное обезвоживание шламов и дальнейшее смешение кека после вакуум-фильтров с сухими отходами. При этом исключается термическая сушка шламов в энергоёмких сушильных барабанах. Указанные объекты находятся в стадии проектирования, строительства и освоения.