2809

Производство чугуна на мировом рынке в 2014 году по сравнению с 2013 годом увеличилось на 1,3 %. По данным World Steel Associations, объемы выпуска чугуна в мире по итогам минувшего года достигли 1,18 млрд т. В России производство чугуна возросло на 2,9 % за аналогичный период и составило 51,4 млн т. Поскольку тенденция роста производства продукции металлургической промышленности сохраняется, все более актуальными становятся вопросы сокращения объемов загрязнений, попадающих в окружающую среду в результате производства чугуна.

В [2] относительно перспектив доменной плавки отмечено следующее: «…Доменное производство обладает тремя главными недостатками: экологическими последствиями, необходимостью использования в качестве топлива лишь каменноугольный кокс, возможностью использования только кускового материала. <…> Ресурсосбережение все больше становится главной целью различных технологических мероприятий, <…> на первое место выходят проблемы экологической чистоты процессов и ресурсосбережение. <…> Ресурсосбережение одновременно решает и экологические проблемы».

Основным показателем, определяющим экологическое совершенство производства, является уровень его воздействия на окружающую среду.

С целью оценки различий экологических показателей традиционной технологии производства чугуна и жидкофазного восстановления железа определены характеристики воздействия загрязняющих компонентов этих двух циклов при одинаковом объеме производства, максимальной степени очистки, замкнутой системе водоснабжения. Для сравнения взят весь технологический цикл сравниваемых схем, начиная от поступления товарного концентрата до получения готового продукта – чугуна (разгрузка, подготовка железорудного сырья, коксохимическое, агломерационное и доменное производство, жидкофазное восстановление железа). В качестве примера жидкофазного восстановления железа взят процесс «Ромелт».

Пылеобразование в комплексе «Ромелт» незначительно отличается от пылеобразования аглококсодоменной схемы и зависит от химического и гранулометрического составов используемого сырья, топлива и интенсивности технологического процесса. Основными источниками пылевыделения при рассмотрении аглококсодоменной схемы являются процессы транспортировки, перегрузки и сортировки сырья

171

(73,463 кг/т чугуна), в комплексе «Ромелт» пылевыделение образуется непосредственно в технологическом агрегате и составляет 67,3 кг/т чугуна. Преимуществом процесса «Ромелт» является также организованный отвод в отличие от аглококсодоменной схемы, в которой источников пылевыделений много и они разнесены территориально [3, 4].

Образование и выброс оксидов азота в процессе «Ромелт» (0,1 кг/т чугуна) в 13 раз ниже, чем в аглококсодоменном производстве (образование – 1,341 кг/т чугуна, выброс – 1,307 кг/т чугуна), за счет применения ступенчатого дожигания газов с использованием кислорода и воздуха. При воздействии на организм человека диоксид азота вызывает раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, нарушает обонятельные и зрительные функции организма, повышает сопротивление дыхательных путей, а также проявляется патологический эффект: человек становится более восприимчивым к патогенным элементам, вызывающим болезни дыхательных путей. Попадая в организм человека, он образует азотистую и азотную кислоты, вызывает отек легких, который может привести к летальному исходу.

Образование и выброс диоксида серы в рассматриваемых схемах производства чугуна значительно различаются, так как в аглококсодоменной схеме образование и выброс соединений серы (3,680 кг/т чугуна) происходит в агломерационном, коксохимическом и доменном производствах. Основной объем выбросов приходится на агломерационное производство. В процессе «Ромелт» выброс SO2 происходит только из одного технологического агрегата и составляет 4,958 кг/т чугуна, что превышает образование в традиционном методе производства чугуна. В доменном процессе сера в основном (свыше 80 %) переходит в шлак. В процессе «Ромелт» сера выводится из печи с дымовыми газами и пылью, что позволяет осуществить организованный отвод и очистку газов от SO2, поэтому выброс диоксида серы ниже, чем в аглококсодоменной схеме, и составляет 0,942 кг/т чугуна. При оценке воздействия на организм человека установлено, что даже при малых концентрациях (0,001 %) диоксид серы вызывает раздражение дыхательных путей. Симптомами при отравлении являются насморк, кашель, при более высокой концентрации – удушье, расстройство речи, затруднение глотания, возможен острый отек легких. При воздействии на растения сернистый газ препятствует фотосинтезу растений.

Также в процессе «Ромелт» более низкий выброс СО (в 75 раз ниже), что обусловлено особенностями процесса жидкофазного вос-

172

становления [1]. При воздействии угарного газа на организм человека появляется головокружение, дрожь, жажда, учащение пульса, тошнота, рвота, повышение температуры тела, нарушается способность крови доставлять кислород к тканям, появляются спазмы сосудов, что сопровождается головной болью, потерей сознания и при высокой концентрации – летальным исходом.

В процессе «Ромелт» образование и выброс H2S составляет 0,008 кг/т чугуна, в аглококсодоменном производстве образование H2S – 0,118 кг/т чугуна, выброс – 0,108 кг/т чугуна.

Для полноты полученной оценки необходимо сравнить также экологическую опасность всех составляющих компонентов выбросов.

Впроцессе «Ромелт» в состав образуемой пыли входят свинец, цинк, кальций, марганец. В альтернативном методе производства чугуна, кроме них, выделяются еще высокотоксичные вещества: бензопирен, высокомолекулярные углеводороды, фенолы, цианиды и т.д. Бензопирен обладает канцерогенными, мутагенными и биоаккумуляционными свойствами, поэтому опасен для организма человека даже при малой концентрации.

Общее образование вредных веществ в условных единицах по каждой из схем отличается незначительно, но выбрасывается в процессе «Ромелт» на 1 т чугуна в 10 раз меньше. Причиной это является выброс в аглококсодоменном производстве высокотоксичных веществ.

Впереводе на условные единицы массы с учетом коэффициентов

опасности 0,00001 кг бензопирена соответствует 12,6 усл. кг, SO2 – 73,6 усл. кг, нафталина – 11,0 усл. кг. Эти высокотоксичные вредные вещества не улавливаются из-за отсутствия технических средств.

Еще одним важным аспектом является отсутствие в процессе «Ромелт» условий для образования диоксинов и фуранов, что выгодно отличает его от аглококсодоменной схемы. Причина токсичности диоксинов заключается в способности этих веществ вписываться в рецепторы живых организмов и подавлять или изменять их жизненные функции. Диоксины, подавляя иммунитет и интенсивно воздействуя на процессы деления клеток, провоцируют развитие онкологических заболеваний, влияют на репродуктивную функцию организма, могут привести к женскому и мужскому бесплодию, у детей вызывают уродства и проблемное развитие. В организм они попадают через желудоч- но-кишечный тракт – до 90 %, через дыхательные пути и кожу – 10 %. Диоксины циркулируют в крови, откладываются в жировой ткани

173

и липидах всех клеток организма. Через плаценту и с грудным молоком они передаются плоду и ребенку. Период полураспада в организме составляет 7–11 лет.

Технологические условия процесса «Ромелт» позволяют перерабатывать собственные отходы, шламы или пыль газо- и водоочистных сооружений, что невозможно в традиционном производстве чугуна.

Таким образом, процесс «Ромелт» имеет явные преимущества по снижению экологической нагрузки на окружающую среду в сравнении с традиционным аглококсодоменным производством. Они определяются следующими факторами:

–уменьшением качественного и количественного составов вредных выбросов;

–сокращением площадей, необходимых для размещения технологического оборудования для производственного процесса, для размещения шламовых полей и шламоотстойников в связи с возможностью переработки шламов в процессе «Ромелт» с соответствующим снижением экологической нагрузки на почву;

–исключением необходимости расширения добычи руды в связи с возможностью организации переработки железосодержащих отходов;

–возможностью ликвидировать накопленные отходы металлургического производства, снизив существующую экологическую нагрузку в регионах с развитой металлургической промышленностью.

Список литературы

1.Процесс «Ромелт» // под ред. В.А. Роменца. – М.: Изд-во МИСиС: Руда и металл, 2005. – 400 с.

2.Вайсингер Х. Тенденции развития производства чугуна и стали // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: междунар. конф., Москва, 6–10 июня, 1994 г. – М.: Металлургия, 1994. – Т. 1. –

С. 104–110.

3.Карбаинова Н.В., Двуреченская Я.И, Гусев А.М. Обеспыливание аспирационных газов при загрузке конвейера через две течки // Проблемы безопасности современного мира: XVI Всерос. студенч. конф. с междунар. участием, Иркутск, 19–22 апреля, 2011 г. – Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 2011. – С. 148–150.

174

4. Карбаинова Н.В., Двуреченская Я.И, Гусев А.М. Обеспыливание аспирационного воздуха узлов загрузки конвейеров подземных галерей // Проблемы безопасности современного мира: XVI Всерос. студенч. конф. с междунар. участием, Иркутск, 19–22 апреля, 2011 г. – Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 2011. – С. 150–151.

Об авторах

Карбаинова Надежда Валентиновна – магистрант кафедры теплотехнических и энергетических систем, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, e-mail: nkarbainova@bk.ru.

Белокурова Валерия Михайловна – магистрант кафедры теп-

лотехнических и энергетических систем, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, e-mail: decentdirl13@mail.ru.

Волкова Елена Александровна – кандидат технических наук,

доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, Магнитогорский государственный технический универси-

тет им. Г.И. Носова, e-mail: valena.dom@rambler.ru.

175

УДК 621.1:629.7.036.5

Н.Ю. Карпова, Г.М. Батракова

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ (НА ПРИМЕРЕ ОТХОДОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ УНИЧТОЖЕНИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ)

Рассмотрен вопрос обращения с отходами процесса разработки, изготовления и уничтожения высокоэнергетических систем. Представлены результаты физико-химического исследования состава и структуры отходов, содержащих оксид алюминия. Рассмотрены направления использования очищенного и нейтрализованного оксида алюминия.

Ключевые слова: отходы, оксид алюминия, шламы, очистка, получение товарного продукта.

N.Yu. Karpova, G.M. Batrakova

TO ASSESS THE POSSIBILITY OF USING

ALUMINOTHERMIC WASTE (FOR EXAMPLE WASTE GENERATED DURING DESTRUCTION HIGH-ENERGY SYSTEMS)

Considered a waste management process in the development, manufacture and destruction of high-energy systems. Results of physical-chemical studies of the composition and structure of waste containing aluminum oxide. Possible applications of the purified and neutralized alumina.

Keywords: waste, aluminum oxide, sludge, cleaning, produce a commercial product.

Приоритетными направлениями государственной политики в области обращения с отходами являются максимальное использование исходных сырья и материалов, предотвращение и сокращение объемов образования отходов, снижение класса опасности отходов в источниках их образования, а также внедрение наилучших доступных технологий обработки, утилизации и обезвреживания отходов. Заявленные направления (изменения от 29.12.2014 458-ФЗ «Об отходах

176

производства и потребления») призваны решать в комплексе технологические, экономические, социальные и организационные вопросы создания малоотходных технологий, сочетать экологические и экономические интересы общества в целях обеспечения устойчивого развития.

Известными механизмами снижения объемов образования

иопасности промышленных отходов являются:

–усовершенствование технологических процессов и минимизация объемов образования отходов;

–изменение свойств отходов, прежде всего токсичности, снижение опасности последующих стадий обращения с отходами: процессов временного хранения, транспортировки, переработки, размещения в окружающей среде (захоронения);

–использование ресурсного потенциала компонентов отходов, переработка и получение товарных продуктов [1].

В ходе одного из технологических процессов, связанного с разработкой, испытаниями и уничтожением высокоэнергетических систем, в больших количествах образуется отход с высоким содержанием

оксида алюминия (Al2O3). Образующиеся в процессе отходы – соли щелочных металлов и оксид алюминия – могут быть частично утилизированы или отправлены на захоронение [2]. Методом биотестирования был установлен III класс опасности отхода оксида алюминия. В настоящее время на производственных площадках накапливается до 200 т/год отходов.

При обращении с отходами выполняются требования к сбору, накоплению и временному хранению в соответствии с СанПиН 2.1.7.1322–03 «Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления», при этом проблема их утилизации в виде коммерческих продуктов остается и является одним из приоритетных направлений обеспечения экологической безопасности.

Для выявления направлений использования и оценки возможности получения товарных продуктов исследован состав и физикохимические свойства отхода. По результатам исследований определены характеристики мелкодисперсного увлажненного порошка серого, серо-коричневого цвета из-за посторонних включений в его составе. Методом оптической микроскопии установлено, что отход состоит преимущественно из частиц сферической формы с размером частиц 5– 15 мкм. Химический анализ проб отхода установил неоднородность

177

состава, обнаружены элементы алюминия (94,05–98,05 %), железа (0,21–3,50 %), кремния (0,14–0,21 %), сажи и следовые количества кальция, магния, цинка. Результатами фазового рентгеноструктурного анализа установлено преобладание до 70 % α-формы оксида алюминия

[3, 4].

Для очистки отходов из системы улова и очистки газовых выбросов, образующихся в процессах испытаний и уничтожения высокоэнергетических систем, определен перечень основных операций обработки осадка:

–отстаивание (сгущение) осадка;

–промывка от механических примесей;

–химическая обработка для выделения ценных компонентов

осадка;

–отделение жидкой фазы, высушивание;

–прокаливание.

Направления коммерческого использования осадка определяются степенью его обработки. Например, технологическая операция прокаливания осадка может быть исключена, что значительно понизит производственные затраты и стоимость очищенного отхода, но и область возможного применения оксида алюминия значительно сокращается.

Оксид алюминия обладает исключительным набором свойств, таких как хорошая теплопроводность, коррозионная стойкость, низкая плотность, сохранение прочности при температурном воздействии, электроизоляционные свойства и др. Сочетание свойств позволяют использовать материал при изготовлении коррозионно- и износостойких, электроизоляционных и термостойких изделий для различных отраслей промышленности.

Основная область применения – производство оборудования

свысокими требованиями к износостойкости:

футеровка мельниц, гидроциклонов, бетономешалок, экструдеров, транспортеров, труб и др.;

кольца торцовых уплотнений;

подшипники скольжения, валы и футеровка проточных частей химических насосов;

части бумагоделательного оборудования;

горелки;

насадки экструдеров (керны);

178

тигли;

элементы клапанов и запорной арматуры;

сопла для аппаратов аргонно-дуговой сварки;

электроизоляторы.

С учетом модификаций и в зависимости от содержания основной фазы и примесей оксид алюминия отличается прочностью и химической стойкостью.

Перспективным направлением использования очищенного от примесей оксида алюминия является производство керамики и стекла, абразивных корундовых материалов и др.

Использование сплавов алюминия учитывает такие свойства сплавов, как малую плотность, повышенную (по сравнению с чистым алюминием) коррозионную стойкость и высокие технологические свойства (тепло- и электропроводность, жаропрочность, прочность

ипластичность). Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов: дуралюмина (94 % – Al, 4 % – Cu, по 0,5 % – Mg, Mn, Fe и Si), силумина (85–90 % – Al, 10– 14 % – Si, 0,1 % – Na) и др.

Вметаллургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широкоприменяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди, магния, железа, никеля и др. Сплав алюминия и циркония – циркалой – применяют в ядерном реакторостроении. Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, строительстве и архитектуре, автомобилестроении, судостроении, авиационной и космической технике.

На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные

идекоративные покрытия. Окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия (анодированный алюминий) получают электрохимическим путем.

Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ и пиротехнических смесей. Наличие в пиротехническом составе алюминия позволяет увеличить яркость и добиться упорядоченного горения, что привлекает производителей фейерверков.

Высокая степень очистки позволяет рассматривать оксид алюминия как ценное сырье для высокотехнологичных отраслей промышленности и производства оптических систем и др.

179

Активный оксид алюминия в виде γ-формы, как правило, получают при термическом разложении гидроксида алюминия при температуре 500–600 °С, он характеризуется высокой величиной удельной поверхности (300–500 м2/г), большим объемом пор и высокой термической стабильностью, поэтому широко используется в качестве осушителя газов и масел, адсорбента и хемосорбента фторсодержащих газов и жидкостей. Преимуществом активного оксида алюминия является стойкость по отношению к капельной влаге и обеспечение глубокой степени осушки – до точки росы 60 °С в области высокого влагосодержания осушаемого газа. Рост потребности в активном оксиде алюминия обусловлен развитием процессов нефтепереработки (риформинг, гидроочистка, гидрокрекинг и др.), в которых используются катализаторы, содержащие 80–90 % оксида алюминия.

Направлением использования неочищенных от примесей отходов с высоким (90–98 %) содержанием оксида алюминия в преобладающей α-форме является их применение в качестве наполнителя, добавок или шлифующих материалов.

Для снижения затрат при утилизации отходов оксида алюминия, накопленных за длительный период хранения, предложены следующие направления:

–составы наполнителя в смеси с шамотным песком для изготовления огнеупорных материалов;

–упрочняющие добавки в цементных смесях, жаростойких растворах (бетонах) и в обжиговых каменных материалах;

–добавки к материалам для укрепления грунтов при строительстве земляного полотна и слоев дорожных одежд.

Список литературы

1.Технические и экологические аспекты ликвидации межконтинентальных баллистических ракет: монография / под ред. М.И. Соколовского, Я.И. Вайсмана. – Пермь: Изд-во Перм. гос. тех. ун-та, 2009. – 636 с.

2.Горбачев В.А., Наумов С.П., Убей-Волк Е.Ю. Экологическая безопасность при утилизации (ликвидации) РДТТ // Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывоопасных производствах оборонно-промышленного комплекса (Промбезопасность – 2014): сб. докл. науч.-практ. конф. – Красноармейск, 2014. –

С. 351–358.

180