Чем опасен металлургический шлак
ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ОТХОДОВ
Наибольшую угрозу представляют пыли и шламы, которые рассеиваются ветром при хранении.
Малые размеры частиц способствуют переходу элементов в водорастворимые соединения, так называемому выщелачиванию. 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.
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
Возникает закономерный вопрос: почему бы не использовать отходы, заменяя уменьшающиеся запасы руд? Так решались бы и задачи ресурсосбережения и экологии. Ответ прост: нет промышленных технологий переработки отходов. Их использование затруднено дисперсностью и присутствием летучих металлов. Хвосты обогащения дисперсны, но не содержат летучих примесей. Шлаки – компактный продукт, но содержат много примесей. Пылям и шламам присущи оба недостатка.
Окисленная форма железа в отходах определяет необходимость их переработки восстановительными процессами, например доменным. Однако дисперсные материалы нарушают газодинамику печи и увеличивают пылевынос. Применение агломерации не решает проблемы, так как процесс связан с интенсивным прососом газов через слой шихтовых материалов. Поэтому такие отходы должны быть предварительно окомкованы (получаемый продукт называют окатышами). Но этим не исчерпываются трудности переработки отходов с летучими примесями.
Щелочные металлы растворяются в огнеупорной футеровке, подвергая ее химической эрозии. Цинк и его оксид образуют наросты (настыли), которые механически разрушают футеровку.
Таким образом, даже при использовании окатышей из высокожелезистых окомкованных пылей и шламов происходит перерасход кокса и возникает взаимодействие примесей с футеровкой. При переработке отходов цветной металлургии это усугубляется дополнительным расходом кокса из-за более низкого содержания железа. Окатыши из чистых по примесям хвостов обогащения приводят к перерасходу кокса по этой же причине. Поэтому переработка указанных материалов очень ограниченна.
Шламовые отвалы пытались ликвидировать, используя их для засыпки отработанных карьеров и оврагов с последующей рекультивацией плодородной землей. Однако полученные “плоды” содержали токсичные вещества, и эта практика была прекращена. Аналогичный пример: отсыпка искусственных островов из шламов приводила к появлению токсинов в морепродуктах. Помимо неэкологичности таких решений они сводятся к закапыванию железа в землю, из которой его извлекали.
ху на поверхность шлакового расплава с температурой 1400Р1500 °С. Предварительной подготовки пылевидного сырья или угля не требуется. Уголь выполняет две функции. Его горение совместно с дожиганием газов поддерживает температуру в печи. Кроме того, он обеспечивает восстановление оксидов железа и формирование чугуна, который в виде капелек осаждается на дно (подину) печи. Металл и шлак выпускают через отверстия (летки), выполненные на разных уровнях.
Процесс Ромелт расширяет возможности прямого использования отходов. На время эксплуатации печи накоплен опыт переработки различных материалов, включая шламы доменного и конвертерного производств, окалину, шлак свинцово-цинкового комбината. Из них извлекали главный полезный компонент (железо) и получали чугун, который использовали для производства стали.
В печи Ромелт компоненты распределяются между чугуном, шлаком и газом. Опыт показал, что легковосстановимые нелетучие элементы Cu, Ni восстанавливаются и переходят в чугун. Поэтому комплексный подбор шихты позволит получить легированный чугун со специальными свойствами.
Летучие элементы Zn, Pb, Ag выносятся с дымовыми газами и при охлаждении осаждаются в пыль, где их концентрация многократно возрастает. Поэтому при переработке некоторых отходов пыль процесса Ромелт становится сырьем для получения цветных металлов.
Для такого использования пыли важно знать, в какие соединения связываются элементы, и уметь управлять этим процессом. Теоретическое решение задачи можно получить расчетом сложных химических равновесий, а практическая реализация достигается изменением степени дожигания.
Очистные сооружения
Принцип работы очистного сооружения:
Современное очистное сооружение полностью удовлетворяет правилам расчета объема установок глубокой биологической очистки. Полезный объем с учетом всех ступеней технологического процесса, должен быть равен не менее чем троекратному суточному притоку сточных вод. При не соблюдении данного правила, согласно обновленным СНиП, невозможно достижение высоких показателей очистки (более 95%) в цельноемкостной конструкции.
Современные решения автономных канализаций позволяют очищать сточные воды до 95%,путем их биологической очистки, используя, бактерии разлагающие органические вещества, анаэробным (без воздуха) и аэробным (с помощью воздуха) способами, подачу воздуха осуществляет компрессор. Автономная канализация на основе биологической очистки конструктивно выполнена в виде емкости разделенной на несколько частей, в первом сточные воды отстаиваются от тяжелых фракций, в последующих производится биологическая очистка. Последним этапом очистки является фильтрация и доставка в окружающую среду. Последним звеном автономной канализации является способ доставки чистой воды в окружающую среду, например: с применением насосов или дренажных колодцев. Такие автономные канализации так же требуют технического обслуживания: удаление неразлагающихся осадков, замена биологических веществ, промывка отстойника.
Автономная канализация устанавливается из расчета количества людей.
Материалы, из которых выполнены емкости, долговечны и устойчивы к действиям природной среды обычно это пластик, оцинкованные металлы, битумно-каучуковое покрытие. Монтаж должен производиться квалифицированными специалистами для обеспечения строительных норм и правил организации автономной канализации.
В качестве установок по очистке стоков наибольшее распространение получили три типа:
Станции глубокой очистки;
Септики с биофильтрами;
Септики с устройствами естественной биологической очистки.
Станция глубокой биологической очистки.
Состав станций глубокой очистки.
Станция состоит из блока выполненного из металлического или пластмассового листа разделённого перегородками на несколько секций имеющих определённое функциональное назначение.
— Первая камера выполняет роль отстойника снижающего загрязнение сточной воды по минеральным и взвешенным веществам. В некоторых типах установок камера выполняет роль усреднительного резервуара для регулирования подачи стоков на следующие ступени очистки.
— Вторая камера выполняет роль аэротенка, в котором вода аэрируется воздухом насыщая её кислородом для стимуляции жизнедеятельности бактерий участвующих в очистке воды.
— Третья камера выполняет роль отстойника для сбора избытка активного ила (колонии бактерий), откуда тот принудительно удаляется различными способами с целью дальнейшей утилизации.
Остальные камеры выполняют вспомогательные функции усиливающие эффект очистки.
Изменение режима работы аэраторов и эрлифтов очистных установок стимулирует процессы направленные на извлечение из сточной воды азота (процессы нитрификации и денитрификации).
Все станции глубокой очистки комплектуются аэрационными устройствами различных типов (эжекторами при использовании насосов, аэрационными трубами при использовании компрессоров) т.к. колонии бактерий (активный ил) осуществляют окисление сточных вод с потреблением растворённого в воде кислорода.
Вредными веществами являются оксиды углерода, серы и азота. Ежегодное поступление в атмосферу сернистого газа оценивается специалистами-экологами в объеме 100–150 млн т. С его выбросами связано образование так называемых кислотных осадков, которые наносят большой вред растительному и животному миру, разрушают различные сооружения, памятники архитектуры. Загрязнение окружающей среды металлургическими производствами происходит из-за сточных вод, в которые попадают различные химические соединения, образующиеся в процессе выплавки металлов. Воду металлургическое производство потребляет в больших количествах, поэтому его предприятия всегда сооружают в непосредственной близости от рек и озер или создают специальные гидротехнические сооружения, в которых она накапливается.
В результате такого загрязнения окружающей среды происходит ухудшение здоровья населения, снижается продолжительность жизни, увеличивается смертность. По существующим оценкам, 20–50 % продуктов питания содержат ядохимикаты, нитраты, тяжелые металлы в концентрациях, опасных для здоровья. В зоне работы металлургических производств загрязнены источники питьевой воды как поверхностные, так и подземные, особенно после выпадения кислотных дождей. Специалисты– экологи ожидали значительное улучшение экологической обстановки в районах деятельности металлургических производств благодаря конверсии и сокращению объемов выплавки металлов. Однако результаты оказались менее значительными, чем ожидалось, из-за сильной изношенности и оборудования металлургического комплекса и их очистных сооружений. Экологи стали фиксировать массу аварийных выбросов в атмосферу и в водоемы с металлургических производств.
Поддержание экологической безопасности является одной из важнейших проблем современной России. В 1996 г. была опубликована Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию, разработанная на основе Указа Президента РФ от 4 февраля 1994 г. «О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития». Концепция была рекомендована регионам страны для конкретизации и исполнения.
В настоящее время в России применяются штрафы за загрязнение окружающей среды, платежи за природные ресурсы, экологическое страхование, создаются специальные экологические банки, стал формироваться рынок экологических работ и услуг. К злостным загрязнителям окружающей среды применяются административные санкции вплоть до закрытия предприятий или отдельных производств металлургического комплекса. Решение экологических проблем в металлургическом комплексе, конечно, во многом зависит от инвестиций, позволяющих заменить устаревшее оборудование основных производств и вспомогательных, включая фильтры и очистные сооружения. Потребность России в инвестициях в экологию, по оценкам западных экспертов, составляет до 2005 г. 350 млрд долларов. Эти данные были приведены на конференции «Экология и инвестиции», состоявшейся в Торгово-промышленной палате весной 1997 г. Если эту сумму разделить на 8 (лет), то получится, что Россия должна тратить только на экологию по 43 млрд долларов, а это больше, чем весь годовой бюджет России.
Рис. 1
Рис. 2 
Рис. 3 Черная металлургия
Рис. 4
Рис. 6
Рис. 3а
Что такое шлак: виды, характеристики, применение в строительстве
Шлак – это вторичное сырье, отходы металлургической промышленности или зола от сжигания ископаемых горючих: углей всех видов, горючего сланца, жидкого топлива. В металлургии – то, что остаётся после выплавки металла из руды. Из шлаков чёрной металлургии получают заполнители для шлакобетонов, шлаковую пемзу, минеральные ваты. Отходы цветной металлургии делятся на передельные и отвальные шлаки.
Гранулированный, или граншлак, получается путём быстрого охлаждения водой горячего шлака в доменном или конвертерном процессе. Имея отличные вяжущие свойства, используется для производства цемента как активная минеральная добавка к нему.
Шлак нельзя рассматривать как простой наполнитель для приготовления бетонных растворов. Он, кроме этой своей функции, несёт ещё одну, которая с течением времени становится всё более важной – экологическую. Если учесть, сколько вредных примесей, от кислот и щелочей до канцерогенных соединений, есть в его составе, связывание его цементными смесями решает задачу его безопасной утилизации.
А при выплавке металла защищающая его шлаковая составляющая предохраняет расплав от воздействия продуктов горения.
Применение шлака в строительстве
В строительстве в основном применяется в качестве наполнителей бетонных смесей. Шлак – отходы металлургического производства, как более безопасные по сравнению отходов сгорания угля. Ведь в ископаемом угле (буром, каменном чёрном и антраците) обязательно присутствуют радионуклиды. Их доля в исходном материале невысока, но при сгорании их концентрация резко увеличивается, и в буром и каменном угле доходит до неприемлемых в санитарном отношении величин. Так что ни в бетон стен, ни при возведении бетонированных подвалов, ни для заливки стяжек такой шлак не годится, радиоактивный фон в таких помещениях может оказаться превышающим ПДН.
Гранулированный шлак, идущий в производство цементов с исключительными вяжущими свойствами, позволяет получать очень прочные на разрыв и раскол плиты перекрытий в многоэтажном строительстве. А граншлак с более крупными фракциями идёт в бетон в качестве заполнителя для получения прочных и лёгких строительных блоков, отличающихся от обычного кирпича износоустойчивостью, небольшим удельным весом, хорошими влаго- и теплоизоляционными свойствами.
Мелкофракционный граншлак (в т. ч. и пылевой) используется как сырьё для получения шлаковаты, а также для изготовления тротуарной плитки, бордюров и брусчатки. Его крошка добавляется в бетонные смеси для их упрочнения, а также для заполнения пустот при строительстве зданий с насыпными стенами.
Присутствие в таких шлаках кальциевых силикатов позволяет применять тонкий помол для смеси с цементом, что даёт такой же эффект при создании конструкций, как и у портландцемента. Применение таких присадок позволяет:
• создавать тяжёлые и особо прочные бетоны классов прочности В15-В30.
• Производить сухие строительные смеси
• Изготавливать плиты перекрытий, ригелей, колонн, бетонных панелей, балок и других предварительно напряжённых строительных конструкций.
• Строить погреба, фундаменты любой степени сложности, которые делаются методом бетонной заливки, осуществлять отливку плит перекрытия и заливку в скользящую опалубку при возведении стен.
Доменный шлак, щебень из него
Являясь отходом доменного производства, такой щебень часто на порядок дешевле крошки из камня, которую нужно добыть, раздробить с помощью сложных и дорогих механизмов, доставить до места приготовления бетонных смесей.
Щебень из доменного шлака в своей кристаллической структуре представлен более чем 20 минералами, среди которых воластонит (однокальциевый силикат), двух кальциевый силикат, мелилит. Наличие кальциевых силикатов и делает продукты переработки этого шлака желанной присадкой для тяжёлых сверхпрочных бетонов.
Преимущества и недостатки
При этом плотность щебня, получаемого из доменного шлака по ГОСТ 3344, выше гранитного, но выше и поглощение воды. Правда, ниже и морозостойкость. Что ограничивает его применение как основного заполнителя в климатических зонах с суровыми погодными условиями.
Предел прочности на сжатие может варьироваться от 62 МПа у пористого до 140 МПа у медеплавильного. Для сравнения, у гранита этот предел составляет 120 МПа. Но! Самый дешёвый («дешевле только даром») пористый материал очень ограничен в применении, а вот его медеплавильный аналог при прочности больше гранитного, по стоимости почти догоняет его.
Благодаря своей способности поглощать воду доменный шлак находит широкое применение в дорожном строительстве, в котором такая его особенность, как способность быстро высыхать и уплотняться под воздействием содержащихся в нём связывающих веществ, а также способность легко поддаваться трамбовке делает его применение более предпочтительным, чем щебня из гранита.
При транспортировке гранитный щебень перетирается в мелкую пылевую фракцию, негодную к применению, её приходится вымывать или как-то отсеивать. Шлаковая же пыль служит дополнительным связывающим при использовании, повышая сцепляемость и вязкость конечного продукта.
Разновидности шлака
Металлургические
Подразделяются на шлаки цветной и чёрной металлургии. К шлакам чёрной металлургии относятся:
Шлаки цветной металлургии: к ним относятся отходы медеплавильного, никелевого, свинцового и цинкового производства.
Фосфорные
Получаются как отходы производства фосфорных удобрений. Используются в производстве пемзы или минеральной ваты. В качестве присадки к цементам добавляют, только если бетонные изделия из такого цемента проходят стадию высокотемпературного пропаривания.
Зольные
Представляют собой остаток от сжигания твёрдого угля и горючих сланцев. В жилищном строительстве практического применения не находят из-за высокого содержания в них радионуклидов, но могут применяться при производстве тротуарной плитки или если применяются как наполнители для асфальтовых смесей, где возможное образования пыли будет связываться смолистыми фракциями. Имеет значение ещё и метод охлаждения этих шлаков сразу после их образования: если охлаждение происходило водой, то есть быстро, образуется стекловидная структура, которая более стойкая, чем микрозернистая, получаемая при медленном, естественном остывании.
Характеристики доменного шлака
Могут отличаться у разных производителей, что связано с особенностями технологических циклов выплавки чёрных металлов.
Разными будут составы как кальцитов, так и силикатов, железа и алюминия в конечном продукте. Условные обозначения шлака, который отправляется как продукт для переработки в строительную индустрию, в зависимости от места производства, выглядят так:
Приведённый химический состав может зависеть от поступившей на плавку руды, кокса и марки выплавляемого чугуна. От этих же показателей будет зависеть удельный вес шлака на выходе. Вес также зависит от способа его охлаждения – стекловидный, получаемый охлаждением водой, будет тяжелее и прочнее.
Чем опасен металлургический шлак
Введение
На предприятиях черной металлургии образуется большое количество твердых отходов, пригодных для использования в качестве исходных компонентов при производстве строительных материалов. К ним можно отнести доменные, мартеновские, сталеплавильные и ваграночные шлаки, осадки сточных вод, пылевидные отходы систем газоочистки. Складирование, хранение и захоронение данных отходов является крупной экономической и экологической проблемой [2, 4, 5]. Отходы черной металлургии могут замещать щебень, минеральный порошок, песок, выступать в качестве вяжущего материала. Щебень используется при строительстве дорожных оснований, в укреплении грунтов и приготовлении асфальтобетонных и цементобетонных смесей. Шлак в строительстве применяют довольно продолжительное время, при этом на первое место ставятся физико-механические свойства получаемых продуктов, экологическому вопросу использования данных продуктов уделяется недостаточное внимание.
В дорожном строительстве наиболее часто отходы металлургии используют в виде щебня. Для понимания экологической опасности применения шлакового щебня необходимо выявить основное негативное экологическое воздействие на окружающую среду. Для его установления необходимо сравнение физико-механических и химических свойств щебня разного происхождения и определить миграцию тяжелых металлов в модельные среды.
Материал и методы исследования
Природный щебень делится на гранитный, гравийный и известняковый. Основные физико-механические показатели щебня различного происхождения приведены в табл. 1[1].
Таблица 1. Основные физико-механические показатели щебня различного происхождения
Насыпная плотность т/м 3
Доменные и сталеплавильные шлаки по физико-механическим характеристикам полностью удовлетворяют требованиям ВСН 38-90 и могут быть использованы для дорожного строительства в качестве материала для строительства основания дорожной одежды или входить в состав цементобетонной смеси при устройстве цементобетонных оснований или покрытий.
Сравнение химического состава шлаков черной металлургии различного происхождения приведены в табл. 2[3].
Таблица 2. Химический состав щебня из металлургического шлака
Химический состав шлаков во многом зависит от того, какой чугун или сталь получают при плавке. Дополнительно шлаки могут содержать медь, ванадий, свинец, цинк и их оксиды.
По содержанию основных компонентов (SiO2, Al2O3, MgO) и физико-механическим свойствам шлаковый щебень подобен гравийному, который широко используют для получения бетонов различной прочности. В отношении магния, титана и ванадия, если исключить разновидности шлаков, специально обогащенные этими элементами, не обнаруживается большой разницы в их содержании, по сравнению с изверженными породами. В отдельных случаях наблюдается большое сходство в химизме шлаков и основных магматических пород, в особенности некоторых богатых глиноземом базальтов, а также габбро.
При кажущемся химическим сходством природного и шлакового щебня шлаковый содержит больше водорастворимых и подвижных форм окислов металлов, которые при некоторых условиях эксплуатации изделий могут мигрировать в окружающую среду и приводить к загрязнению тяжелыми металлами литосферу и гидросферу.
Результаты исследования и их обсуждение
Рис. 1. Миграция ионов ТМ из шлакового щебня в дистиллированной воде
Рис. 2. Миграция ионов ТМ из шлакового щебня в ацетатно-аммонийном буферном растворе
Выщелачивание ТМ из образцов шлакового щебня в аммонийно-ацетатный буферный раствор, имитирующий агрессивные среды (рис. 2), происходит по экспоненциальной зависимости.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования по выявлению и оценке закономерностей миграции тяжелых металлов в случае использования металлургических шлаков в качестве щебня для дорожного строительства показали, что данный щебень будет производить загрязнение близлежащей территории тяжелыми металлами. Это загрязнение будет проходить активнее в кислых почвах. В связи с этим необходимо брать во внимание условия эксплуатации материалов, содержащих шлаковый щебень.