Влияние бескоксовой металлургии на экологию

Бескоксовый метод получения железа является наиболее характерным методом создания принципиально нового безотходного процесса в черной металлургии. В таком процессе из технологической цепи полностью устраняются стадии, в наибольшей степени ответственные за загрязнение окружающей среды: доменный передел и коксохимическое производство. Это позволяет, по меньшей мере, втрое уменьшить потребность в воде и количество образующихся сточных вод, а также практически полностью исключить вредные выбросы в атмосферу.

Отличительной особенностью процесса является практически полная утилизация шламов газовой отчистки и используемого газа, которые в последующем используются для производства окатышей. По данной технологической схеме мелко раздробленный железный концентрат, смешанный предварительно с водой, перекачивают из месторождения на металлургический завод по трубам в виде пульпы. Вода после отделения в отстойниках возвращается на обогатительную фабрику. Затем во вращающихся барабанах руду смешивают со связующими веществами и получают гранулированный продукт - окатыши. В окатыши при грануляции добавляют небольшое количество извести. Готовые окатыши поступают в шахтную печь, где происходит восстановление оксидов железа водородом или конвертированным природным газом с получением губчатого железа. Затем готовая шихта поступает на стальной передел. Выплавленная бездоменным путем электросталь содержит значительно меньше серы и фосфора, попадающих в обычную сталь из руды и чугуна, и от ненужных для стали цветных металлов, встречающихся в металлоломе.

Для бездоменной металлургии разработал целый ряд решений, связанных с радикальным внедрением технологий, улучшающих экологию производства: практически отсутствуют такие атрибуты традиционной технологии, как пыль, шум и грязь, практические полностью механизировано и автоматизировано. Металлизационные установки стерильны для окружающей среды, в то время как доменные и коксовые печи являются сильнейшими источниками загрязнения окружающей среды. К негативным остаткам коксохимического производства относятся регулярные выбросы в атмосферу сернистых газов, фенолов, цианидов и т.д.

Проблема такой технологии, на примере процесса Мидрекс, заключается в том, что невозможно удалить все сопутствующие элементы в шихте при низкотемпературном процессе. При этом необходимо использовать руду с низким содержанием пустой породы (не должно превышать 4,5-5 %), иначе это приведет к высоким затратам электроэнергии на ее нагрев в результате резкого увеличения количества шлака. Для твердофазного метода получения железа основным условием производства является использование очень богатой или легкообогатимой железной руды с минимальным содержанием серы, фосфора, мышьяка, меди и т.д., поскольку они в результате восстановления могут перейти в газовую среду. При этом готовый продукт в виде губчатого железа склонен к окислению из-за огромной суммарной поверхности (решается пассивацией), а его общая доля может снизиться из-за наличия FeO.

В целом можно утверждать, что получение железа твердофазным методом является экологически чистым. Удельные выбросы твердых веществ в окружающую среду не превышают 4-5 кг/т продукции, а с учетом операций по подготовке сырья – 20-25 кг/т, выбросы опасных веществ, соответственно, – 2-4 кг/т, при этом не учтено их самопроизвольное улетучивание из веществ топлива.

Для жидкофазного восстановления, на примере установки РОМЕЛТ, вынос пыли составляет порядка 300 кг/т чугуна, что почти в 100 раз больше, чем во всем аглококсодоменном процессе. При этом наблюдаются значительные выбросы в атмосферу оксидов серы (примерно 20-50 кг/т чугуна), выход оксидов азота в режиме восстановления составляет около 80 г/т чугуна, количество газифицированного углерода с учетом предельной степени дожигания составляет 76 кг/т чугуна. В процессе Корекс активно происходит восстановление кремния, марганца, фосфора, десульфурация чугуна шлаком, при этом в отличие от доменной плавки в шлаке теряется около 20 % фосфора. При этом важной проблемой является поведение летучих веществ углей и не столь большие выбросы карбонилсульфида, судьба которых после быстрого охлаждения восстановительного газа не прослеживается.

При окусковании железорудного сырья прослеживаются такие расходы, как: при производстве агломерата – расходы на электроэнергию 41,6-42,9 кВт*ч/т, общие топливно-энергетические затраты составляют 2,05-2,12 млн. кДж/т; при производстве окатышей – расходы на электроэнергию 58,4-63,1 кВт*ч/т, общие топливно-энергетические затраты составляют 911-1056 тыс. кДж/т. Выбросы твердых частиц составляет 2 кг/т агломерата, около 30,3 кг СО, 2,7 кг серы/т агломерата, что заставляет задуматься о необходимости реконструкции устаревших агломерационных цехов. При производстве окатышей выбросы в атмосферу существенно ниже. 

Опыт производства стали по описанной технологии показал, что ее применение обеспечивает существенное снижение выбросов в атмосферу диоксида серы, пыли и других вредных веществ и позволяет утилизировать практически полностью все отходы производства. Шлаки и другие твердые отходы при таком процессе не образуются.

Заключение

Поскольку такое твердое топливо, как металлургический кокс, является дефицитным, и, следовательно, дорогостоящим, современная металлургия железа и сплавов активно внедряет методы по получению восстановленного железа без его удельных затрат. Однако, как показывает практика, коэффициент полезного действия агрегатов, работающих на использовании сторонних источников получения газового восстановителя, по сравнению с доменными печами, достаточно низок. При этом их эксплуатация должна вестись при строго определенном температурном режиме: повышение температуры восстановителя, помимо непосредственного увеличения производительности шахтной печи, уменьшения расхода топлива и вероятности вторичного окисления, влечет за собой спекание шихтовых материалов. Также одним из недостатков использования таких технологий является окускование чистых по сере железорудных материалов в виде агломерата и окатышей, что ведет за собой дополнительные затраты. При этом применение кусковых руд может привести к тому, что газопроницаемость шихты резко уменьшится, что снизит качество восстановления.

Решение задач, связанных с газодинамикой газового восстановителя, также по сей день является трудновыполнимой. Распределение угарного газа и водорода внутри рабочего пространства печей носит неравномерных характер, и, следовательно, приводит к неравномерному восстановлению железа. Степень использования восстановителей сильно варьируется. Также предъявляются высокие требования к содержанию углерода после процесса восстановления материалов для дальнейшего стального передела в электрических печах.  

Восстановление шихтовых материалов по способам Мидрекс, ХиЛ-3, Корекс и др. происходит в сложнейших агрегатах, представляющих собой комплексную систему взаимосвязанных технологий, при этом установки достаточно сложны и по своему устройству, и тепловой работе, включающей в себя тонкости расчетов уравнений, описывающих процессы тепломассопереноса, газодинамики и теплогенерации.  

 

 Список литературы

1. Юсфин Ю.С., Пашков Н.Ф. Металлургия железа: учебник для вузов. – М.: ИКЦ “Академкнига”, 2007. – 464 с.: ил.

2. Улахович В.А. Выплавка чугуна в мощных доменных печах. – М.: Металлургия, 1991. – 172 с.

3. Скляр В.А. Прогрессивные энерго- и ресурсосберегающие металлургические технологии. Учебное пособие для обучающихся по направлению “Металлургия”. Изд. “Интеллектуальная система Rideo”, 2017 – 62 с.: ил.

4. Юсфин Ю. С., Гиммельфарб А. А., Пашков Н. Ф. Новые процессы производства металла. — Москва: Металлургия, 1994. — 320 с.