Эколого-экономические аспекты рециклинга сталеплавильных шлаков и перспективные схемы переработки шлаковых массивов
Рациональность и отвал
Александр Алешин, директор Департамента вторичных ресурсов УкрМет, Анатолий Остроушко, директор института Ресурсосбережения ПГТУ, Юрий Пустовалов, директор ОАО «КАМИТ»
Эколого-экономические аспекты рециклинга сталеплавильных шлаков и перспективные схемы переработки шлаковых массивов
Экономическая деятельность в горно-металлургическом комплексе (ГМК) с его материало-и энергоемкими процессами всегда сопровождалась образованием большого количества веществ и отходов производства. Значительная их часть может служить дополнительным источником сырья и энергии техногенного происхождения. В то же время без надлежащего технологического сопровождения некоторые вещества могут также негативно влиять на окружающую среду.
К наиболее доступным способам улучшения экономических и экологических показателей металлургического производства в настоящее время относится использование внутренних резервов предприятий и инновационных принципов его развития. Один из таких путей – повышение в технологических процессах доли вторичных материальных ресурсов (в частности, сталеплавильных шлаков), используемых в шихте взамен части природного сырья по принципу рециклинга.
Снова в печь
Наиболее массовым видом таких ресурсов в металлургическом производстве Украины являются конвертерные шлаки, которые содержат полезные для доменной плавки компоненты, сокращающие расход природного сырья в шихте. Так, помимо собственно железа, в конвертерных шлаках имеется значительное количество оксида кальция, оксидов магния и марганца, использование которых способствует экономии флюсов, известняка и марганецсодержащих компонентов шихты.
Некоторыми исследователями было доказано, что применение конвертерного шлака при выплавке чугуна приводит к незначительному увеличению выхода доменного шлака. Однако ухудшения газопроницаемости столба шихтовых материалов при этом не наблюдалось, т.к. конвертерный шлак расплавляется в горне доменной печи при высоких температурах. Следовательно, при загрузке предварительно подготовленного шлака в печь происходит разрыхление столба шихты и улучшение его газопроницаемости. При этом повышается эффективность десульфурации чугуна за счет формирования основного доменного шлака в горне печи. В целом улучшаются технико-экономические показатели эксплуатации доменных печей.
Замещение известняка конвертерным шлаком в шихте мартеновской печи также приводит к некоторому увеличению массы первичного шлака и снижению количества диоксида углерода, который выделяется при разложении известняка. По данным теоретического анализа, рациональное соотношение известняка и конвертерного шлака в смеси должно находиться в пределах 55-75% относительно доли известняка.
На практике эффективность рециклинга конвертерных шлаков также была подтверждена и в условиях мартеновской плавки. Так, на основании расчетов и исследований опытно-промышленных партий плавок, осуществленных в условиях ОАО «ММК им. Ильича», была разработана и внедрена технология утилизации конвертерного шлака в мартеновских печах этого комбината. Данная технология позволяет снизить удельный расход известняка в среднем на 10,5 кг/т выплавляемой стали. Помимо этого, достигается определенный природоохранный эффект – происходит сокращение выбросов в атмосферу углекислого газа в пределах 4,4-4,6 кг/т выплавленной стали. Экономический эффект от использования этой запатентованной технологии за последние пять лет превысил 8 млн.грн.
Что касается мартеновских шлаков, то в Украине также были проведены исследования по их использованию при производстве агломерата и чугуна. По физическим характеристикам мартеновский шлак фракций 0-20 и 20-60 мм не хуже аглоруды и агломерата. По выходу мелочи фракция 20-60 мм мартеновского шлака значительно лучше, чем агломерат. При транспортировке этот материал почти не разрушается и способствует улучшению газораспределения в печи.
По химическим характеристикам шлак фракции 0-20 мм лучше аглоруды, поскольку является одновременно железорудным материалом и флюсом. При использовании в шихте мартеновского шлака не требуется дополнительной теплоты на разложение известняка и минералообразование, быстрее и легче образуется расплав, а структура агломерата становится более однородной. Это приводит к снижению расхода твердого топлива и повышению прочности агломерата.
Наличие в мартеновском шлаке значительного количества металлического железа также способствует снижению расхода твердого топлива, поскольку при его окислении выделяется теплота. Экономия твердого топлива при введении в шихту 1 кг металлического железа составляет 0,2-0,3 кг. При введении в аглошихту мартеновского шлака в агломерате повышается содержание оксидов магния и марганца. Это способствует улучшению шлакового режима в доменной плавке и снижению содержания серы в чугуне.
Отметим также, что проведенные в АО «Носта» испытания не выявили серьезных факторов, ограничивающих расход отвальных мартеновских шлаков в аглошихту.
Из отвалов – тоже в печь. Или – на строительство
По состоянию на 1 января 2008г. в Украине в отвалах накоплено свыше100 млн.т сталеплавильных шлаков ссодержанием железа более 14%, а доменных (с содержанием железа в пределах 5-7%) – более 70 млн.т. В свете нынешней экономической ситуации в стране рациональное обращение с такими ресурсами становится особо актуальным, ведь они представляют собой относительно недорогой и доступный источник сырья техногенного происхождения. К тому же их переработка позволяет в немалой степени локализовать экологические риски деятельности предприятий горно-металлургического комплекса (ГМК) Украины.
Существенным фактором при разработке шлаковых ресурсных накоплений является максимальное извлечение из них металлической составляющей и улучшение ее металлургической ценности. При этом степень извлечения скрапа и чистота минеральной составляющей во многом зависят от типа и характеристик оборудования технологических комплексов (ТК).
К одному из таких ТК относится установка для переработки отвальных шлаков, которая содержит приемный бункер с решеткой, питатель, транспортер, железоотделитель, накопитель конечных продуктов. При всем том данная схема извлечения из шлаков железосодержащих материалов не предусматривает их обработку с целью очистки от минеральной шлаковой составляющей. Это снижает эффективность использования продукта при выплавке чугуна или стали из-за присутствия в зашлакованной минеральной части нежелательных примесей серы и фосфора.
В последние годы было создано несколько новых механизированных ТК для переработки отвальных сталеплавильных шлаков. К ним относится комплекс, содержащий основную и дополнительную технологические поточные линии и ориентированный на «глубокие» процессы извлечения железа из шлака. Однако, несмотря на внешнюю «внушительность», данный комплекс также не решает проблему полной переработки минерального остатка в товарную продукцию.
Известна также поточная линия для подготовки и подачи металлургического сырья, которая содержит размещенные по ходу технологического процесса конвейеры с разгрузочными устройствами, бункера и течки. Недостатком этого ТК является относительно невысокая его производительность и разобщенность технологических операций по извлечению из шлака металла и его очистке от минеральной части. Разобщенность техпроцессов, по нашему мнению, является нерациональным подходом, т.к. увеличивает энергозатратность процесса, требует наличия дополнительных площадок и проведения строительно-монтажных коммуникаций для размещения оборудования.
Принимая во внимание перечисленные факторы, мы пришли к необходимости соединить в один поток две раздельные технологические операции. Одну – по измельчению кусков шлака с последующим извлечением из них магнитной фракции, другую – по очистке зашлакованного скрапа-металла в галтовочном барабане. Предусмотренная при этом колосниковая решетка перед галтовочным барабаном служит для предварительного разделения шлаковой массы с вкраплениями металла надве рабочих фракции: 0-80 мм (подрешетный материал) и 80-300 мм (надрешетный материал).
К основным технологическим элементами данного комплекса также относится цилиндрический грохот, выполняющий функцию разделения очищенного в барабане скрапа-металла от минеральной части (подрешетный материал). В ТК предусмотрен ленточный транспортер, обеспечивающий перемещение подрешетного материала с металлическими корольками к магнитному железоотделителю для их отмагничивания с последующей подачей минеральной части материала на инерционный грохот. Последний служит для разделения минеральной части шлака на фракции, т.е. для получения готовой для дальнейшего использования шлаковой продукции.
Чтобы повысить качество магнитной составляющей и, следовательно, получить продукт с высоким содержанием железа, был разработан способ сухой магнитной сепарации мелких материалов с использованием дискового сепаратора.
Анализ результатов исследования показал следующее. Усовершенствование конструкции дискового сепаратора и технологической схемы переработки обеспечивает повышение степени извлечения магнитной составляющей сталеплавильного шлака, измельченного до фракции 2-0 мм для стройиндустрии, в сравнении с известными более чем на 15% (На момент подготовки данной статьи оригинальные конструктивные решения предложенного авторами ТК проходили стадию патентования – прим. ред.).
В Украине запатентован ряд отечественных разработок, подтверждающих перспективность направления по переработке шлаковых отвалов метпредприятий. В той или иной степени, но все они предоставляют возможности для более эффективного использования металлургических шлаков. А некоторые из них позволяют использовать переработанные шлаки не только в металлургической промышленности по схеме рециклинга, но и в иных отраслях: цементной, дорожной и строительной.
Тормозит же масштабное внедрение украинских технологий по использованию металлургических шлаков в качестве техногенного сырья пока только одно. Владельцы отечественных метпредприятий если даже и принимают решение о внедрении технологии и оборудования для переработки шлаков, то выбор делают в пользу зарубежных поставщиков. И такой аспект, как высокая цена иностранного решения, и импортозависимость их, похоже, еще не беспокоят.