Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование новой технологии переработки шламов газоочистки при выплавке стали в ДСП

ФИО: Галяминский Р.В.

Направление: Современные материалы и технологии их создания (У.М.Н.И.К.)

Научный руководитель: д.т.н., проф. Фарнасов Г.А.

Институт: Институт экотехнологий и инжиниринга

Кафедра: Кафедра Металлургии стали и ферросплавов

Академическая группа: МЧ-11-2

Шлам (от нем. Schlamm – грязь) – отходы продукта, составляющие пылевые и мелочные его части, получаемые в виде осадка при промывке какого-либо рудного материала. Электросталеплавильное производство генерирует значительное количество пыли, которую необходимо улавливать с целью поддержания необходимого уровня охраны окружающей среды. Для этого современные сталеплавильные агрегаты оборудованы системами газоочисток. Во время сталеплавильного процесса температура может достигать 1600°C, при которой металлы, такие как Fe, Zn, Cd и Pb, улетучиваются и переходят в газовую фазу. Пыль образуется, когда пар охлаждается и конденсируется. На одну тонну стали произведенной в ДСП образуется от 10 до 25 килограммов пыли. Состав пыли и шламов значительно варьируется, и зависит от состав шихты, типа стали и технологии. Так как в производстве стали в ДСП 100% сырья может быть стальной лом, в пыли ДСП может содержаться высокие количество цветных металлов. Если используется оцинкованный лом, большинство цинка из лома уходит с печными газами. Это обусловлено высокой упругостью паров цинка и его очень низкой растворимостью в жидкой стали и шлаке. Концентрация цинка может достигать 40% в пыли, но обычно колеблется в интервале 10–30%.

Прежде, большинство пыли собранной после плавки ДСП подлежала захоронению, т.к. её обработка была нерентабельной. Обычной практикой до сих пор остается захоронение в шлаковых отвалах или складирование пыли после брикетирования на территории предприятия. Однако оба способа изживают себя, с уменьшением свободных площадей. Кроме того, при захоронении теряется прибыль от ценных металлов. Помимо того, что переработка была нерентабельной, не было и правовой необходимости каким-то особым образом утилизировать отходы. С ужесточением экологических норм, ситуация изменилась, пыли ДСП классифицированы как опасные отходы в большинстве промышленно-развитых стран. Основным источником цинка является оцинкованный стальной лом и использование его в производстве стали растет, что приводит к увеличению содержания цинка в пыли и шламах. Увеличение содержание цинка в шламах газоочисток с одной стороны делает невозможным захоронение цинка из-за превышения допустимых норм его содержания, с другой стороны делает переработку этого сырья выгоднее. Так как доля автомобильного и бытового лома неуклонно растет, тенденция к увеличению содержания цинка в шламах является устойчивой, то поиск рационального решения этой проблемы становится всё актуальнее.

На сегодняшний день существуют следующие возможности переработки шлама сталеплавильного производства: восстановление ценных металлов или прямая утилизация их в печи. Однако, ввиду химических свойств, только небольшое количество шлама можно загрузить обратно в печь, т.к. это приведет к аккумулированию тяжелых металлов и негативно повлияет как на технологические, так и на экономические показатели процесса. Таким образом, возникает необходимость в предварительном удалении тяжелых металлов, в частности цинка. Известны способы переработки цинкосодержащих материалов, которые делятся на два класса – пирометаллургические и гидрометаллургические.

Большинство процессов обработки шламов пирометаллургические, это 99% производственных мощностей в этой области. Технологически, основа большинства пирометаллургических методов состоит в следующем: оксиды железа восстанавливают в твердом или газообразном топливе, попутные металлы, такие как цинк, свинец, кадмий испаряются и реагируют с газами в атмосфере агрегата и уже в оксидной форме в виде пыли улавливаются фильтрами. Такие технологии демонстрируют неплохие показатели при большом объеме пыли на переработку. Однако у пирометаллургических процессов существуют очевидные недостатки, наличие которых стимулирует развитие альтернативных технологий. Пирометаллургические процессы сталкиваются с такими проблемами, как высокий уровень потребления энергии, сбор и очистка газов, образование некапитализируемых продуктов. Наличие хлоридных и фторидных солей вызывает коррозию, следовательно, необходимо использование дорогостоящих сплавов, в качестве строительных материалов.

Как правило, чтобы такая технология приносила необходимо большое количество пыли с высоким содержанием цинка на переработку. Содержание цинка в пыли должно быть выше 15–20%, и завод должен перерабатывать не менее 50 000 т в год.

Кроме того, пирометаллургические процессы нуждаются в восстановителе и относительно высоких температурах для производства оксида цинка. Как правило, производится ZnO, а для получения металлического цинка требуется дальнейшая обработка. Низкая стоимость оксида цинка и многочисленные примеси в конечном продукте пирометаллургических процессов, делают пирометаллургические методы переработки шламов менее привлекательными.

Серьезным толчком к развития гидрометаллургических процессов стало то, что они не требуют значительных площадей и могут быть размещены непосредственно на территории сталеплавильного производства. Гидрометаллургические процессы считаются более экологичными и прибыльными для обработки сырья, имеющего относительно низкое содержание цинка. Размещение на территории завода позволяет снизить себестоимость за счет снижения затрат на транспортировку и предварительную подготовку шлама. Эти процессы легко замыкаются, а также обеспечивают хорошую селективность и гибкость для шламов разного состава. В гидрометаллургических процессах металлы экстрагируются на стадии выщелачивания и затем восстанавливаются в металлической форме путем электролиза или других методов. Гидрометаллургические способы могут стать отличной альтернативой для переработки таких отходов, если получится добиться контроля растворения Fe. Основным сдерживающим фактором широкого внедрения гидрометаллургического способа является наличие в шламе газоочистки феррита цинка (ZnO∙Fe2O3). Если ZnO хорошо удаляется в раствор в щелочной и кислотной среде, то разрушение феррита цинка требует применения дополнительных технологических операций. К ним относятся механическое разрушение (измельчение), повышенные давление и температура, восстановление углеродом и водородом и др. Нами предлагается способ переработки шламов, включающий две основные стадии:

1. Извлечение Fe в раствор, например в виде Fe(OH)3

2. Извлечение Zn в раствор в виде Zn(OH)2 и Zn(OH)3

Таким образом, решается проблема очистки раствора, в котором растворен цинк от железа, так как железо практически полностью извлекается на первой стадии. Потенциальными потребителями технологии и оборудования являются металлургические и машиностроительные предприятия и имеющие ДСП.