Экология и ресурсосбережение в черной металлургии

ВВЕДЕНИЕ

К середине 20 века и, особенно в последние десятилетия  в результате быстрого развития промышленности, транспорта, энергетики резко усилилась  антропогенная нагрузка на природу; стала очевидной опасность истощения  естественных ресурсов, необратимого загрязнения и изменения окружающей среды.

Статистические  данные свидетельствуют о том, что  на планете ежегодно сжигается около 1 млрд. тонн условного топлива, выбрасывается  в атмосферу десятки млн. тонн окислов азота и серы (часть  из них возвращается в виде кислотных  дождей), более 400 млн. тонн золы, сажи и  пыли. Загрязнение атмосферного воздуха, пресной воды, плодородной почвы  приняло глобальный характер. При  этом масштабы загрязнений столь  велики, что естественные способности  биосферы к нейтрализации вредных  веществ и самоочищению практически  исчерпаны.

В России источником интенсивного загрязнения окружающей среды являются, в ряду прочих, предприятия  металлургической отрасли.

Крупнейшие металлургические заводы России - это, как правило, градообразующие  предприятия. При этом металлургические предприятия из-за своего устаревшего  оборудования являются главными источниками  загрязнения.

Особенностью  отечественного металлургического  производства является негативное воздействие  на все составляющие окружающей среды. Это загрязнение почв по причине  массового складирования отходов, сброс недостаточно обработанных производственных вод в естественные водоемы, а  также выбросы в атмосферу  большого количества вредных веществ. 
 

1. ТРЕБОВАНИЯ  РУКОВОДЯЩИХ ДОКУМЕНТОВ В ОБЛАСТИ  ЭКОЛОГИИ ПРЕДПРИЯТИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ  ПРОМЫШЛЕННОСТИ

    В основе существующей на сегодняшний  день законодательной базы, в области  экологической безопасности металлургического  производства лежит Закон РФ «Об  охране окружающей среды». В нем  сформулированы общие требования, обязывающие  предприятия принимать необходимые  меры по соблюдению технологических  режимов и проведению мероприятий  по охране окружающей среды.  

      Кроме того, действующими санитарными правилами и нормами Минздрава (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200 - 03) предписано создание вокруг предприятий санитарно - защитных зон (СЗЗ). Размер которых зависит от класса предприятия, который определяется исходя из оценки потенциальной опасности его производственной деятельности для здоровья человека, результатом которой может стать загрязнение атмосферного воздуха.  

    При этом границы СЗЗ указывают величину оптимального санитарного разрыва  между предприятиями и жилой  застройкой и являются гарантией  качества атмосферного воздуха даже в случае выброса вредных веществ  без очистки.

    Важнейшим документом в области природоохранной  деятельности металлургических предприятий  в РФ является экологический стандарт ГОСТ Р ИСО 14001, разработанный на базе международной системы стандартов ISO 14000, которой, в свою очередь, руководствуются  страны Европейского Союза, Японии, США  и мн.др. Особенностью данной системы  стандартов является ее ориентирование не на конкретные технологии или количественно - качественные показатели (объем выбросов, концентрации веществ и т.п.), а  на систему экологического менеджмента (СЭМ) (или СУОС - система управления охраной окружающей среды - в редакции ГОСТ Р ИСО 14001).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 ОБРАЗОВАНИЕ ОТХОДОВ В МЕТАЛЛУРГИИ

    Ухудшение экологической обстановки металлургией небезосновательно связано с  загрязнением атмосферы, но его не следует  и преувеличивать. В выбросах оксида серы мировой вклад металлургии  составляет 15% (более половины из них  дает цветная металлургия), столько  же - химия, а лидирует энергетика (70%). Аналогичное соотношение характерно и для оксидов азота. Методы очистки  газов хорошо разработаны и одинаковы  для всех отраслей промышленности, поэтому мы не затрагиваем эти  вопросы. Однако металлургия является источником и огромной массы твердых  отходов (рис. 1).

    Основной  путь получения металлов - пирометаллургия, использующая высокотемпературные  процессы. Выплавке металла предшествуют обогащение и подготовка руд: агломерация (спекание железорудного 
сырья) в черной металлургии. Образующиеся отходы можно разделить на предшествующие металлургическому переделу и сопутствующие ему. 
Обогащение руд приводит к образованию хвостов - дисперсной фракции с низким содержанием основного компонента. Другой пример - красные шламы, отходы переработки бокситов на глинозем Al2O3 . Они содержат до 50-60% Fe2O3 , а их запасы превышают 150 млн. т. Отходы, сопутствующие металлургическим переделам, включают несколько видов. При выплавке металлов формируются шлаки, основу которых составляют оксиды. Это наиболее массовый вид отходов. Работа металлургических агрегатов сопровождается выносом пыли с отходящими газами. При мокрой газоочистке эта пыль в отстойниках превращается в кашеобразную массу (шлам). При последующих переделах (разливка стали, прокатка) образуются окалина и обрезь (скрап).

Рисунок 1 - Образование и использование отходов металлургии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ОТХОДОВ.

    Экологическая опасность отходов определятся  сочетанием многих факторов. Прежде всего  это их физическое состояние, химический состав и наличие экотоксикантов. Техногенные отходы металлургии  часто содержат элементы, опасные  для человека и экосистемы. Это  мышьяк, сера, фосфор, тяжелые цветные  металлы - цинк, свинец, кадмий. Экологическая  опасность таких отходов резко  возрастает из-за их дисперсности. 
Наибольшую угрозу представляют пыли и шламы, которые рассеиваются ветром при хранении. Малые размеры частиц способствуют переходу элементов в водорастворимые соединения, так называемому выщелачиванию. Из-за амфотерности многих металлов выщелачивание происходит при любом рН. Вредные вещества и ионы тяжелых металлов попадают в воду и почву. Очень токсичны пыли электросталеплавильных печей, в которых также содержатся хлор и фтор (в США плата за их хранение составляет десятки долларов за 1 т). Концентрация вредных компонентов в пылях и шламах в десятки и сотни раз больше, чем в шлаках, что связано с летучестью многих примесей. Поэтому уже простой перевод пыли в компактное состояние (спекание, сплавление) дает значительный экологический эффект. Вредные примеси содержатся и в шлаках цветной металлургии, однако здесь они находятся в компактном состоянии шлакового монолита, что существенно снижает экологическую опасность. Еще инертнее шлаки черной металлургии. 
Таким образом, отходы металлургии включают и высокотоксичные материалы (пыли), и относительно инертные (доменные шлаки). Но даже складирование сотен миллионов тонн отходов требует отторжения больших площадей. 
 

4 УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ В МЕТАЛЛУРГИИ

    Главными  факторами, определяющими возможность  экологически безопасной утилизации отходов, вновь становятся их физическое состояние  и химический состав. На это накладываются  технические возможности существующих технологий и экономическая целесообразность с учетом экологической перспективы. Можно выделить три подхода к  утилизации отходов: прямое использование, переработка с извлечением полезных компонентов, уничтожение. Наиболее рациональны  первые два, но не все отходы можно  переработать. Несмотря на наличие  полезных компонентов, на настоящем  этапе может не существовать эффективных  технологий их извлечения. Такие отходы дешевле и безопаснее уничтожить. Рассмотрим направления утилизации отходов в черной металлургии, которая  становится их потребителем (см. рис. 1).

    Прямое  использование - наиболее простой и  эффективный путь утилизации отходов, предполагающий минимальные затраты  на их переработку. Оно возможно и  рационально, если отходы экологически безопасны и не содержат извлекаемых  компонентов. Или, наоборот, в них  преобладает полезный компонент, как  в скрапе. Без какой-либо подготовки, кроме сортировки по составу, его  используют при выплавке стали. Аналогично утилизируют отходы машиностроения, армейскую технику и любой  металлолом, то есть перерабатывают несобственные  отходы металлургии. Другим примером прямого  использования является окалина (добавка  при выплавке стали, производстве агломерата).

    Типичный  пример отходов первого типа - доменный шлак. Он не содержит извлекаемых компонентов  и экологически безопасен. Его выход  составляет более 150 млн. т в год. Однако существующие технологии переработки  позволяют утверждать, что доменный шлак - это не отход, а промышленное сырье, которое в индустриально  развитых странах используется практически полностью. Его наиболее крупными потребителями являются цементная промышленность (в Японии - 70% доменного шлака, в ФРГ - 55%) и дорожное строительство (в Японии - 20%, в ФРГ - 40%). Применение шлака при производстве цемента дает дополнительный ресурсоэкологический эффект, так как снижает энергозатраты на 40% и уменьшает выбросы CO2 .

    Основу  шлака составляют CaO и SiO2 . При кристаллизации расплава образуется двухкальциевый силикат 2CaO*SiO2 , который при охлаждении претерпевает полиморфное превращение, сопровождающееся увеличением объема. Это вызывает саморассыпаемость шлака. Предотвращение саморассыпаемости достигается  увеличением скорости охлаждения расплава при его грануляции, например распылением  в воду. Гранулированный шлак имеет  много преимуществ, и его производство непрерывно увеличивается (в странах  ЕС гранулируют 70% шлака). При определенных составах и большой скорости охлаждения шлак затвердевает без кристаллизации и приобретает стекловидную аморфную структуру. Из шлака делают отливки (каменное литье), производят техническое  стекло и стекловату. Большое содержание железа в сталеплавильных шлаках (до 20%) затрудняет их использование  в цементной промышленности. Основное применение - изготовление щебня для  дорог. Шлак надо стабилизировать, чтобы  связать избыток CaO и перевести  железо в трехвалентное состояние. Кто повышает химическую стойкость  и уменьшает выщелачивание. Шлаки  с высоким содержанием фосфора  и CaO используют как удобрение и  при известковании почв. Но при  большом содержании железа это неэффективно, и часть шлака подвергают вторичной  металлургической переработке (в Японии и ФРГ до 20%). 
 
 

5 КОМПЛЕКС МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПРИМЕРЕ ПРЕДПРИЯТИЙ

5.1 Череповецкий металлургический комбинат

    Большую экологическую программу осуществляет АО "Северсталь". В Вологодской  области действует федеральная  целевая программа "Оздоровление окружающей среды и населения  города Череповец". Программа предусматривает  модернизацию и совершенствование  технологических процессов, повышение  эффективности работы очистных и  обезвреживающих установок и  оснащение ими всех производств  предприятия.

    На  комбинате, находящемся почти в  центре многотысячного Череповца, за последние  несколько лет устранена прямоточная  схема водоснабжения. Взамен построена  оборотная система, включающая трехступенчатую  очистку сточных вод. Это позволило  полностью закрыть 5 стоков и сократить  сбросы на 60 млн. кубометров в год. Очистные сооружения новой системы предотвращают  сброс в водоемы более 14 тыс. тонн загрязняющих веществ. Кроме этого "Северсталь" в 2 раза сократила  выбросы загрязняющих веществ в  атмосферу, при этом почти в 100 раз  был уменьшен выброс веществ повышенных классов опасности. Ежегодно предприятие  тратит на реализацию природоохранных  мероприятий более 250 млн. руб. собственных  средств.

5.2 Магнитогорский металлургический комбинат

    На  Магнитогорском металлургическом комбинате  проведен анализ функционирования системы  экологического менеджмента за 2008 год.

    Система экологического менеджмента ОАО  «ММК» сертифицирована на соответствие требованиям международного стандарта ISO 14001:2004. Цель проведенного анализа  – определение путей совершенствования  системы экологического менеджмента, направленных на повышение её экологической  результативности.

    Для реализации в 2008 году целей Экологической  политики ОАО «ММК» высшим руководством компании были установлены целевые  экологические показатели, выполнение которых является одним из направлений  анализа. В 2008 году выбросы загрязняющих веществ в атмосферу Магнитогорска  на ММК сократились на 17115 тонн (7%), при этом сокращение 2500 тонн (1%) произошло  за счет выполнения природоохранных  мероприятий. Сброс железа общего в  Магнитогорское водохранилище в 2008 году сократился на 2,4 тонны (10%). На рекультивацию  отработанных карьеров использовано 6,8 млн. тонн отходов производства. На установках ДСК и УПМШ переработано 4,8 млн. тонн металлургических шлаков. Проведено благоустройство территории на площади около 8 га, выполнен технический  этап рекультивации выведенного  из работы шламонакопителя ЛПЦ-5 площадью 12 га. За отчетный период на 290 млн. КВт/ч  снижено потребление электроэнергии, на 815 тыс. т.у.т. снизилось потребление  топлива, на 321 тыс. кубометров уменьшился расход пожарно-питьевой воды. По всем целевым экологическим показателям  план 2008 года был выполнен.

    Затраты ОАО «ММК» на природоохранную  деятельность в 2008 году составили 2606 млн. рублей (на 36,8 % больше, чем в 2007 году), в том числе затраты на капитальное  строительство природоохранных  объектов составили 1415 млн. рублей. Среди  важнейших природоохранных мероприятий, реализованных ОАО «ММК» в  прошлом году следует назвать:

    • реконструкция сероулавливающих установок  аглоцеха ГОП – сокращение выбросов диоксида серы на 880 тонн/год, затраты  на реализацию 404,45 млн.рублей;

    • строительство газоочистки и  системы аспирации шахтной печи «Мерц» № 2 для обжига извести –  предотвращение выбросов твёрдых веществ  на 585 тонн/год, затраты на реализацию 30,2 млн. рублей;

    • строительство газоочистки за агрегатом  «Печь-ковш» № 3 в ЭСПЦ – предотвращение выбросов твёрдых веществ на 300 тонн/год, затраты на реализацию 36,9 млн. рублей;

    • строительство вентиляторной градирни «грязного» оборотного цикла водоснабжения  машин непрерывного литья заготовок  ККЦ – снижение потерь технической  воды на испарение в объёме 20,25 тыс. м3 в год, затраты на реализацию 43 млн. рублей;

    • строительство коллекторной системы  сбора паров цеха улавливания  и переработки химических продуктов  КХП – предотвращение выбросов летучих  веществ 693 тонн/год (в том числе  нафталина - 306,3 тонн/год, бензола – 76,8 тонн/год, 194,9 тонн/год других летучих  углеводородов), затраты на реализацию 112,5 млн. рублей;

5.3. Новолипецкий металлургический комбинат

    В последние несколько лет НЛМК на 40% сократил выбросы в атмосферу  грязных веществ. В ходе реконструкции  на заводе начали работать экологически чистые доменные печи, построены 2 новые  коксовые батареи. За последние десять лет в России введено в эксплуатацию только две новые коксовые батареи, пока не имеющие аналогов такого класса на других предприятиях страны. Они  снабжены системами подавления, очистки  выбросов и бездымной загрузки камер коксования и беспылевой выдачи кокса.

    В отличие от других металлургических предприятий России на территории НЛМК вы не увидите отвалов доменных и  сталеплавильных шлаков. На сегодня  Новолипецкий комбинат - единственное металлургическое предприятие страны, которому удалось сохранить реку (Воронеж) в чистоте. Благодаря замкнутому комплексу водопользования на НЛМК добились 94-процентного коэффициента водооборота. Ни на одном промышленном предприятии СНГ подобных показателей  пока достичь не удалось. Анализы, проведенные  специалистами, показывают, что и  грунтовые воды в Липецке достаточно чисты. Это стало возможным после  того, как Новолипецкий комбинат провел ряд мероприятий, не допускающих  проникновения конденсата коксового  и доменного газа в почву. Сейчас в 10 километрах от комбината работают грязелечебницы. Целебные грязи из Липецка отправляют во многие страны мира, а минеральные воды города славятся своими лечебными и вкусовыми  свойствами.

    Многие  экологические новшества были опробованы и запущены на НЛМК впервые в России. На заводе создано управление охраны окружающей среды, имеющее в своем  составе специализированную лабораторию, которая осуществляет систематический  контроль за качеством работы газо-, пыле- и водоочистных сооружений, за выбросами в атмосферу и водоемы. Впервые в России на НЛМК решена проблема утилизации супертоксикантов совтола и совола.  
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    Развитие  и широкое внедрение технологий переработки шлаков, прежде всего  доменного, привели к практически  полному их использованию. Шлаки  черной металлургии становятся не отходом, а сырьем для других отраслей. Накапливаемыми твердыми отходами черной металлургии  являются пыли и шламы. Их комплексная  переработка существующими технологиями невозможна и требует новых. Процесс  Ромелт решает эту проблему и расширяет  возможности переработки сторонних  отходов. Действующие и новые  металлургические агрегаты могут быть использованы для высокоэффективного и безопасного уничтожения токсичных  веществ и отходов. Теоретический  анализ ресурсоэкологических задач  может быть проведен только термодинамическим  моделированием на основе расчетов сложных  химических равновесий. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛИТЕРАТУРА

1. Харлампиди  Х.Э. Проблема сырья в обстановке  истощения природных ресурсов // Соросовский Образовательный журнал. 1999. №1. С. 41-46. 
2. Макаров А.Б. Техногенные месторождения // Там же. 2000. Т.6. №8. С. 76-80. 
3. Роменец‚ В.А. “Ромелт” - полностью жидкофазный процесс получения металла // Изв. вузов. Черная металлургия, 1999. №11. С. 13-23. 
4. Пурмаль А.П. Антропогенная токсикация планеты // Соросовский Образовательный журнал. 1998. №9. С. 46-51. 
5. Усачев А.Б. , Роменец В.А.‚ Баласанов А.В.‚ и др. Переработка промышленных и бытовых отходов в агрегатах с жидкой шлаковой ванной // Экология и пром-сть России. 1998.