Металлургическая переработка отходов производства и потребления

ботки лома и отходов в местах их образования позволяет, с одной стороны, сократить потребность предприятия в поставках ему цветных металлов, так как наиболее качественные отходы будут перерабатываться непосредственно на предприятии, и, с другой стороны, продавать по более высокой цене отсортированные отходы через систему пунктов вторсырья.

Вбудущем предприятия вторичной металлургии цветных и черных металлов должны развиваться по пути повышения мощности.

Вэтом случае появится возможность внедрять новые технологические схемы, обеспечивающие качественную подготовку шихты к металлургической переработке с минимальными трудозатратами. Найдут широкое применение электродинамическая и феррогидростатическая сепарация лома и отходов, автогенная и рециркуляционная сушка стружки, процессы разделения кусковых отходов в магнитном поле. На вооружении предприятий появятся мощные ломоперерабатывающие дробилки для крупногабаритного лома, прессы, прессножницы, современное подъемно-транспортное оборудование.

Действующие металлургические предприятия по переработке вторичного сырья цветных металлов в ряде случаев отстают от родственных предприятий первичной металлургии. Это положение прежде всего относится к использованию таких интенсификаторов пирометаллургических процессов как подогрев дутья и применение технологического кислорода. Между тем, в первичной цветной металлургии эти интенсификаторы (особенно кислород) используются давно. Во вторичной цветной металлургии должны найти применение автогенные и полуавтогенные процессы. Такую разновидность вторичного сырья, например, как клинкер цинковых заводов, можно успешно перерабатывать в печах плавки в жидкой ванне (ПЖВ) в автогенном режиме. В этом отношении имеются достаточные для промышленного внедрения разработки Гинцветмета и завода «Рязцветмет».

Взарубежной практике во вторичной цветной металлургии применяют плазменные процессы, причем тепло плазмы непосредственно используют для плавки металла и подогрева воздуха. В отечественной вторичной металлургии плазму пока используют в лучшем случае для переработки лома и отходов платины, палладия и других тугоплавких металлов. Перспективность плазменных процессов не вызывает сомнения, так как они позволяют существенно сократить расход традиционных видов топлива (кокса, природного

140

газа, мазута). Существенное внимание должно быть уделено дальнейшей модернизации металлургического оборудования на предприятиях вторичной цветной металлургии, производящих сплавы.

Внастоящее время, например, для получения сплавов на медной основе широко применяют индукционные канальные печи. Изменение их конструкции с переводом на однонаправленное движение расплава в каналах, увеличение емкости, электрической мощности, переход на непрерывную плавку позволило существенно повысить технико-экономические показатели, поднять производительность, улучшить качество получаемых сплавов [26].

Модернизация действующих индукционных печей не исключает необходимость создания новых металлургических агрегатов большой единичной мощности. В создании современных плавильных комплексов должны принимать участие не только инженеры-кон- структоры, но и ученые, задача которых состоит в теоретическом обосновании оптимальных параметров данных аппаратов с учетом масштабов производства и особенностей выплавляемых сплавов, а также огнеупорных и футеровочных материалов.

Кроме индукционных канальных печей более широкое применение должны получить электрические дуговые и тигельные печи.

Внастоящее время дуговые электропечи применяют главным образом для производства никелевых и кобальтовых сплавов.

Существенное влияние на потери цветных металлов и качество получаемых сплавов оказывают флюсы. В настоящее время существует большое количество флюсовых смесей, применяемых при выплавке одних и тех же сплавов. Разработка новых флюсов является одной из важнейших теоретических и практических проблем.

Врешении перечисленных вопросов, как и многих других, большую помощь может оказать инженерное прогнозирование, которое позволяет определить критерий технического уровня или так называемый «обобщенный показатель эффективности». Этот показатель является безразмерной величиной, характеризующей разрабатываемый аппарат по отношению к существующим или конкурирующим аппаратам того же производственного назначения.

Несмотря на интенсивное внедрение в практику вторичной цветной металлургии электрических печей, до конца текущего десятилетия на многих заводах сохранятся и пламенные печи с газовым

141

или жидкотопливным отоплением. Их модернизация должна осуществляться в двух направлениях:

–создании шахтно-ванных печей с использованием теплового потока для подогрева шихты в шахте печи;

–создании пламенных печей, оборудованных вертикальными сводовыми горелками.

Печи шахтно-ванного типа могут работать в непрерывном режиме, имеют высокую производительность, их тепловой КПД достигает 60 %. Печи с вертикальными горелками имеют тепловой КПД более 40 %, создают более благоприятные условия для использования рекуператоров, характеризуются высокой продолжительностью работы свода.

Преимущество пламенных печей, работающих на газе или на жидком топливе, – их большая емкость (50, 100 т и больше). Крупнотоннажные печи рационально эксплуатировать только в том случае, если они имеют надежно работающие схемы автоматического регулирования теплового режима, механизированную загрузку, автоматизированную систему разливки металла с получением заготовок определенного профиля. Широкое внедрение МГД-техники при плавке и литье цветных металлов и сплавов позволяет не только автоматизировать процесс, но и обеспечить непрерывное рафинирование расплава от неметаллических включений за счет фильтрации через керамические фильтры и путем применения геттеров для поглощения водорода.

В целом для вторичной цветной металлургии весьма важным считается вопрос качества получаемых металлов и сплавов. Его необходимо решать на основе применения новых эффективных методов рафинирования, которые должны быть обеспечены необходимым оборудованием, материалами и приборами экспрессного определения качества металла.

Во вторичной цветной металлургии недостаточное внимание уделяется использованию вторичных энергоресурсов из-за применения относительно небольших плавильных агрегатов с малым объемом отходящих газов и температурой не более 1000–1160 °С. Устанавливать такие потребители тепла отходящих газов, как котлы-утилиза- торы, не всегда целесообразно, но рекуператоры для подогрева воздуха должны быть применены. Сооружение кессонированных газоходов и стояков позволяет получать горячую воду для технических

142

целей и отопления помещений, а также охлаждать газы для последующей их очистки от пыли. В настоящее время для этих целей нередко используют малоэффективные кулеры.

На предприятиях вторичной цветной металлургии необходимо внедрять безотходную или малоотходную технологию. Ее проще всего организовать на предприятиях, перерабатывающих качественное вторичное сырье на стандартные сплавы. В этом случае плавку ведут, как правило, в индукционных печах с минимальным расходом флюса, что способствует уменьшению потерь металлов со шлаком.

Переработка пылей и возгонов, образующихся при плавке вторичного сырья, должна быть сконцентрирована на одном или нескольких предприятиях и осуществляться по специально разработанной технологии.

Совершенно недостаточно используются во вторичной цветной металлургии гидрометаллургические процессы. Фактически их применяют только для снятия олова с отходов луженой жести и консервной тары. Применение гидрометаллургических процессов позволяют во многих случаях добиться высоких показателей и комплексного использования сырья. Так, испытания, проведенные на опытно-промышленном электролизере, показали, что электрохимическая переработка биметаллических отходов (сталь-медь, стальлатунь) с использованием аммиачно-сульфатных растворов позволяет получать медный или медно-цинковый порошок и стальной скрап, не содержащий цветных металлов.

На территории СНГ в настоящее время медные порошки получают из катодной меди методами распыления или электролиза. Использование катодной меди для этих целей нецелесообразно. Сырьем для производства медных порошков должны быть отходы кабельной продукции, а также чистый медный лом. Автоклавный способ переработки вторичного кобальтового сырья, сорбционные способы очистки растворов от примесей, осаждение кобальта из растворов водородом позволяют производить сверхчистый кобальтовый порошок. По мнению авторов, современное предприятие вторичной цветной металлургии должно иметь пиро-гидрометаллургический профиль, что позволит ему успешно перерабатывать сложное полиметаллическое сырье [23].

143

4.2. Экологические требования к переработке вторичного сырья

Вопросам экологии на предприятиях вторичной цветной металлургии с каждым годом уделяется все больше внимания. При этом предусматривается охрана водного и воздушного бассейнов. Основное направление работ, проводимых в этом направлении, применительно к предприятиям вторичной цветной металлургии сводится

кследующему:

–внедрение водооборота, прекращение сброса загрязненных сточных вод и переход на бессточный режим водопользования;

–сокращение количества отходящих твердых веществ и объема металлургических газов, утилизация уловленных вредных веществ и сокращение их выброса;

–обеспечение комплексности использования вторичного сырья путем организации безотвальной технологии.

В настоящее время во вторичной цветной металлургии пылегазоочистными установками оснащено более 70 % плавильных и сушильных агрегатов, в том числе отражательные печи – 50 % и индукционные печи – 63 %.

Газовый поток выносит из металлургического агрегата пыль, количество которой определяется способом подготовки вторичных материалов к плавке, гранулометрическим составом флюсов, условиями движения газов и шихты (встречные или параллельные потоки), скоростью движения газов.

По гранулометрическому составу пыль всегда полидисперсна. Крупность ее меняется от 0,1 мкм до десятков и сотен микрометров. Частицы пыли имеют весьма развитую поверхность. Так, удельная

поверхность пылинок крупностью 0,4–1,0 мкм составляет 10 000– 20 000 см2/г, крупностью 5–10 мкм – 1500–2500 см2/г. Для механической пыли характерна неправильная форма частиц. Протекание процессов при высоких температурах сопровождается образованием пылинок с оплавленными ребрами. Такая пыль часто имеет шарообразную форму. Форма частиц возгонов также близка к шарообразной. Знание формы необходимо для проведения расчетов пылеулавливающих аппаратов. Для этих целей необходимо также знать плотность и насыпную массу пыли, ее электрические свойства.

144

Для крупных частиц пыли насыпная масса в 2,0–2,5 раза меньше плотности. Для возгонов нередки случаи, когда насыпная масса меньше плотности в 10–20 раз. Насыпная масса составляет в среднем 1,0–5,0 г/см3. Так, цинковая пыль, выделенная из газов шахтных печей, перерабатывающих отходы латуни и другие материалы, имеет следующие физические характеристики: плотность – 4–5 г/см3; насыпная масса – 0,11–0,33 г/см3, пористость слоя – 87–90 %, средний диаметр частиц – 0,8–1,1 мкм. Такая структура пыли создает высокую насыщенность слоя пыли воздухом или газом (до 8 мг/г), что благоприятно влияет на формирование процесса самовозгорания и развитие процесса горения.

При организации пылеулавливания стремятся достигнуть селективности и отделить грубую пыль от тонкой. Это удается сделать путем правильного выбора пылеулавливающей системы. Газы принято делить на сильнозагрязненные (50 г/м3), среднезагрязненные (до 10 г/м3), малозагрязненные (до 1 г/м3) и технически чистые (~0,05 г/м3). Последние получаются в результате очистки загрязненных газов. При переработке вторичного сырья колебания в содержании твердых частиц в газовом потоке могут изменяться в значительных пределах. Так, запыленность газов за шахтными печами составляет 20–25 г/м3 (при нормальных условиях), после электропечей сопротивления – 0,08 г/м3. Выделение пыли из газа основано на различных принципах. Используют гравитацию и силы электростатического притяжения. Скорость осаждения пыли под действием силы тяжести определяется скоростью газового потока и сопротивлением среды. Закономерность сопротивления среды движению пылинок не зависит от природы среды и движущей силы. Простейшими пылеуловителями являются пылевые камеры. Во вторичной цветной металлургии они не нашли практического применения. Разделение грубой и тонкой пыли обычно производят в циклонах, которые часто называют центробежными пылеуловителями.

В зависимости от объема газа, технологического режима работы, схемы пылеулавливания устанавливают просто циклоны, групповые циклоны или мультициклоны. Принцип работы всех их одинаков. Отличаются они КПД и гидравлическим сопротивлением. Простейшим из перечисленных разновидностей является циклон. После отделения грубой пыли в циклонах газы поступают на очистку от тонкой пыли, которая производится в электрофильтрах или рукавных фильтрах.

145

Эффективность пылеулавливания в центробежных пылеуловителях зависит от радиуса аппарата. Чем меньше радиус циклона, тем при одинаковой скорости газа больше центробежная сила. Максимальный диаметр промышленного аппарата не превышает 2 м. Для очистки больших объемов газа устанавливают несколько циклонов – групповые циклоны. Для улавливания мелкой пыли (5–10 мкм) используют мультициклоны, состоящие из циклонов малого диаметра (100–250 мм), работающих параллельно. КПД циклонов – 60–70 %, а батарейных – 80–90 %. В металлургии вторичных цветных металлов целесообразно применять мокрые пылеуловители, или скрубберы. Эти аппараты выполняют две функции: охлаждают газы и укрупняют мельчайшие частицы пыли за счет их смачивания и слипания. Эффективность их работы определяется поверхностью соприкосновения жидкой и твердой фаз. Чем она больше, тем лучше показатели пылеулавливания. Мокрые пылеуловители делят на две группы: насадочные и безнасадочные. Насадочный аппарат представляет собой металлический цилиндр, снабженный колосниковой решеткой, заполненной кольцами или деревянными насадками. Для того чтобы не происходило залипания колец, их диаметр должен составлять 50–120 мм. Наиболее часто применяют безнасадочные аппараты. Они просты в эксплуатации и создают малое гидравлическое сопротивление потоку газов.

Газ в полый скруббер чаще вводят сверху. На входе газа в скруббере устанавливают металлическую решетку для равномерного распределения его по сечению цилиндра. В форсунки, установленные под углом 45° к горизонту, подается вода под давлением 200–500 кПа. Охлажденный и частично очищенный газ направляют на дальнейшую очистку от пыли.

Вметаллургической практике для охлаждения газов используют

идругие способы. Самым простым и дешевым является способ охлаждения газа путем организованного подсоса воздуха. Недостаток этого способа – значительное увеличение объема газов. Так, при охлаждении газа с 165 до 90 °С воздухом с температурой 25 °С объем газа увеличивается вдвое. Значительное увеличение объема газов ограничивает применение этого cпocoба. Указанного недостатка лишены поверхностные холодильники – кулеры. Тепло от горячих газов в этих охладителях отнимается атмосферным воздухом, охлаждающим трубу, по которой движется газ. Показатели работы ку-

146

леров существенно зависят от разности температур горячего газа и атмосферного воздуха. Поверхностные охладители широко применяют при охлаждении газов перед рукавными (тканевыми) фильтрами. К недостаткам этих охладителей следует отнести высокое гидравлическое сопротивление (500–800 Па), невысокую эффективность, особенно в летнее время.

Электрофильтры как пылеосадители широко применяют во вторичной металлургии и, к сожалению, пока не нашли применение во вторичной металлургии. Их преимущество – высокий КПД при очистке газов от тонкой пыли. Принцип действия основан на притяжении частиц, несущих заряд, осадительным электродом, имеющим заряд противоположного знака.

Наибольшее распространение в цветной металлургии для улавливания возгонов получили тканевые (рукавные) фильтры. Принцип их действия заключается в фильтрации запыленного газового потока через хлопчатобумажную, шерстяную или синтетическую ткань.

В настоящее время в металлургии цветных металлов осуществляется широкая программа по охране и использованию водных ресурсов. Поэтому важной задачей является защита водоемов путем очистки сточных вод и организации замкнутых циклов водоснабжения. Основными потребителями воды в металлургическом производстве являются:

–системы испарительного охлаждения пирометаллургических агрегатов;

–котельные установки утилизации тепла;

–системы проточного охлаждения пиро- и гидрометаллургических агрегатов;

–электролитные и другие гидрометаллургические цехи;

–грануляционные установки;

–устройства мокрой очистки газов и вентиляционных выбросов. Качество и свойства воды, используемой в производстве, долж-

ны отвечать требованиям, устанавливаемым в каждом конкретном случае в зависимости от роли воды и особенностей технологического процесса.

Вместе с тем к качеству и свойствам любых производственных вод предъявляются общие требования:

147

–вода должна быть безвредной для здоровья обслуживающего персонала;

–вода, используемая для охлаждения элементов оборудования или продуктов производства, не должна выделять механических, карбонатных или других солевых отложений выше установленной нормы;

–вода не должна вызывать коррозии металла и разрушения бетона;

–скорость развития биологических обрастаний теплообменных аппаратов не должна превышать 0,07 г/(м2·ч).

По качеству и свойствам производственные воды делят на четыре категории. К первой категории относят воду, используемую для охлаждения оборудования и материалов в теплообменных аппаратах без контакта с материалом (например, проточное охлаждение кессонов шахтной печи). Воду второй категории используют в качестве среды, транспортирующей и поглощающей примеси без нагрева (гидротранспорт), воду третьей категории – в качестве среды, поглощающей и транспортирующей механические и растворенные примеси с нагревом (мокрая очистка газов). К четвертой категории относят воду, подвергнутую специальной подготовке (химически очищенная вода для испарительного охлаждения).

Производственные сточные воды значительно отличаются от природного состава большим содержанием примесей. Это обусловлено следующим:

–повышением концентрации растворенных солей при испарении воды, используемой на охлаждение;

–попаданием в воду охлаждаемых продуктов через возможные неплотности в аппаратах;

–попаданием загрязнений при промывке оборудования;

–растворением в воде химических соединений.

Основными показателями, определяющими качество воды, является жесткость, общее солесодержание, прозрачность, окисляемость и реакция воды.

Сброс сточных вод в водоемы производится в соответствии с правилами охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами, в которых определены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воде и водных объектах хозяйственнопитьевого и культурно-бытового использования. Если концентрация примесей в сбросовых водах превышает ПДК, то их подвергают

148

специальной очистке, в результате которой примеси либо разрушаются, либо переходят в безвредную форму, либо их извлекают для последующего использования. На предприятиях вторичной цветной металлургии воду используют для охлаждения отдельных элементов плавильных агрегатов. При этом, как правило, используют схему оборотного водоснабжения [35].

Производственные сточные воды образуются в отделениях мокрой газоочистки, а также в производстве товаров народного потребления. Для уменьшения сброса загрязненной воды освоена локальная электрокоагуляция, позволяющая выделять из воды механический унос. Для удаления грубодисперсных примесей применяют механические способы: отстаивание и фильтрацию.

Отстаивание – самый простой метод очистки сточных вод от грубодисперсных примесей. Оптимальное время отстаивания зависит от характера грубодисперсных примесей и определяется скоростью выпадения частиц при различном времени. Чем мельче частицы, тем медленнее идет процесс отстаивания.

Сбросовые воды, сопутствующие гидрометаллургическому производству, а также образующиеся на установках по разделке аккумуляторов, наиболее часто содержат серную, соляную, азотную и уксусную кислоты. Очистка таких стоков заключается в нейтрализации кислот. В качестве нейтрализатора можно использовать любые щелочи: NaOH, КОН, известь, известняк или доломит, мел, магнезит, мрамор, соду, отходы щелочей. Сточные воды, подвергаемые нейтрализации, не должны содержать растворенных солей металлов, так как при рН > 7 при нейтрализации металлы будут выпадать в осадок в виде гидроксида и экранировать нейтрализатор. Обезвоживание осадков, содержащих гипс и гидроксиды металлов, на иловых площадках с дренажем или на вакуум-фильтрах представляет значительные трудности из-за забивания дренирующих или фильтрующих поверхностей гидроксидами, трудно отдающими воду. Обычным отстаиванием невозможно достичь обезвоживания гидратных осадков, поэтому для удаления влаги применяют механическое обезвоживание осадков на вакуум-фильтрах или центрифугах.

Сточные воды предприятий вторичной цветной металлургии подвергают очистке от катионов меди, никеля, свинца и других металлов. Катионы меди (Си2+) могут присутствовать в сточных

149