Выбор рациональных методов и средств защиты окружающей среды от загрязнения цинкосодержащей пылью в условиях ОАО "Северсталь", г. Череповец

Бондарчук, Антон Михайлович

Автореферат диссертации по теме "Выбор рациональных методов и средств защиты окружающей среды от загрязнения цинкосодержащей пылью в условиях ОАО "Северсталь", г. Череповец"

На правах рукописи

БОНДАРЧУК Антон Михайлович

с Р г ь од

ВЫБОР 1 9 Й;0Н Ш

РАЦИОНАЛЬНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЦИНКСОДЕРЖАЩЕЙ

ПЫЛЬЮ

В УСЛОВИЯХ ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ» (г.ЧЕРЕПОВЕЦ)

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды

и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Ю.В.Шувалов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор О.Г.Воробьев, кандидат технических наук, доцент Ф.Т.Бумажнов

Ведущая организация: АО «Механобр-Инжиниринг».

Защита диссертации состоится 27 июня 2000 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 063.15.11 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 26 мая 2000 г.

диссертационного совета к.т.н, доцент '

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

е

А.Н.МАКОВСКИЙ

К309.0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производственная деятельность металлургических предприятий цветной и черной металлургии связана с получением значительного количества отходов и загрязнением окружающей среды содержащимися в них токсичными компонентами. Вследствие несовершенства технологических процессов и инженерно-экологических мероприятий объемы образования токсичных отходов в черной металлургии значительно превышают темпы их утилизации, что приводит к необходимости отведения значительных земельных ресурсов для организации хранилищ отходов предприятий, распространению вредных веществ путем миграции на большие расстояния и созданию вокруг предприятий "мертвых" зон. Складируемые материалы являются источником загрязнения атмосферы, почвы, подземных и поверхностных вод, вследствие чего промышленным предприятиям приходится выделять дополнительные финансовые ресурсы на выплаты санкций за загрязнение окружающей среды.

Из изложенного выше следует актуальный характер решения проблемы изучения состояния окружающей среды в районе функционирования предприятия и разработки, на основе полученных данных, эффективных технико-экологических решений, направленных на снижение антропогенной нагрузки за счет правильного использования ресурсов предприятия.

В качестве объекта исследований выбран металлургический комбинат ОАО «Северсталь» (г. Череповец), являющийся одним из лидеров отечественной черной металлургии по объемам производства черных металлов и сплавов на их основе. К настоящему времени в адлошламонакопителях комбината накоплено более 8 миллионов тонн металлургических отходов, содержащих токсичные компоненты (РЬ, 2п, Ре я др.) которые загрязняют окружающую среду. По содержанию полезных компонентов (Ре, Ъа, и др.) отвальные материалы мо1уг быть отнесены к потенциальным источникам вторичных материальных ресурсов техногенные месторождения), для утилизации которых необходима разработка эффективных путей переработки в рамках технического парка оборудования предприятия.

Разрабатываемая инновационная технология утилизации твердых этходов комбината, наряду с получением возможности эффективного ■ниженпя техногенной нагрузки производства на окружающую среду, юлжна максимально , удовлетворять требованиям основных технологических процессов производства.

Работа выполнялась в 1997-2000 г. в рамках «Региональной

экологической программы мэрии г. Череповца», а также входила составной частью в план работ Федеральной целевой программы «Интеграция» 19992000 г.

Цель работы - снижение уровня нагрузки цинк-железосодержащих отходов на окружающую среду путем разработки эффективной технологии их утилизации, вписывающейся в рамки основного производства предприятий черной металлургии.

Идея работы заключается в утилизации отходов основных производств (конвертерного, доменного и мартеновского) комбинатов черной металлургии (на примере ОАО «Северсталь», г. Череповец) с относительно невысоким содержанием цинка, при условии рационального использования имеющегося технологического парка оборудования предприятия.

Основные задачи работы:

- анализ современного состояния окружающей среды и путей утилизации отходов основных производств на предприятиях черной металлургии;

- изучение характера воздействия ОАО «Северсталь» на окружающую среду Череповецкого района и определение путей снижения уровня антропогенной нагрузки;

- анализ возможности использования технологической базы комбината для разработки технико-экологических решений снижения воздействия цинк-содержащих отходов комбината на окружающую среду;

- разработка методики проведения исследований по оценке уровня загрязнения окружающей среды цинк-содержащими отвальными пылями и отработке основных параметров процесса направленного на снижение воздействия на окружающую среду и рациональное использование цинк-содержащих пылей;

- разработка рекомендаций по снижению уровня нагрузки цинк-содержщих отвальных пылей основных производств комбината на окружающую среду;

- разработка математической модели операций переработки цинк-содержащих отходов с целью уточнения параметров исследованных технологических процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получена характеристика миграции токсичных соединений отвальных материалов ОАО «Северсталь» в условиях Череповецкого района;

2. Установлена зависимость степени извлечения цинка от основных технологических параметров (тип и расход восстановителя, тип и расход связующего, продолжительность и температура процесса) при переработке

бедных по цинку железосодержащих отходов методом вельцевания.

3. Предложена уточненная математическая модель процессов протекающих при переработке бедных по цинку железосодержащих отходов.

Научная значимость работы:

установлены закономерности формирования загрязнения окружающей среды в районе функционирования ОАО «Северсталь» (г. Череповец);

- установлены уровни загрязнения окружающей среды в зависимости от производственной характеристики предприятия;

- разработана методика изучения загрязнения окружающей среды цинк-содержащими отвальными пылями и проведения исследований по отработке основных параметров технических средств снижения воздействия на окружающую среду и рационального использования цинк-содержащих пылей;

- изучены кинетические параметры предложенного процесса переработки цинк-содержащих отвальных пылей;

- разработана математическая модель процессов протекающих при переработки цинк-содержащих отвальных пылей.

Основные защищаемые положения:

1. Комплексная методика полевых исследований в районе функционирования предприятия черной металлургии ОАО «Северсталь», включающая рекогносцировочную, фитоценотическую оценку и определение миграционных характеристик цинка в компонентах природно-промышленного комплекса позволяет оценивать воздействие на окружающую среду цинк-содержащих соединений, входящих в состав отходов.

2. Эффективность извлечения цинка из бедных по цинку (1-3 %) железосодержащих отвальных пылей и шламов ОАО «Северсталь», с возможностью использования вторичных продуктов в основном производстве, может быть достигнута путем переработки отходов методом вельцевания, обеспечивающим максимальное остаточное содержания цинка в огарке около 0,07 %.

3. Использование дифференциальных и симплексно-интервальных уравнений позволяет осуществлять совершенствование математического описания процесса - переработки цинк-железосодержащих отходов, включающего операции получения и обжига окатышей, имеющего значительный эколого-экономической эффект.

Методы исследований. Решение поставленных в работе задач исследования включало анализ литературных и патентных данных о закономерностях процессов, протекающих в рамках природно-

промышленного комплекса, а также в металлургических аппаратах, применяемых для решениях задачи снижения техногенной нагрузки комбинатов черной металлургии на окружающую среду. В работе использованы положения теории математического и физического моделирования. Для анализа отобранных проб использовались спектральные, фазовые, рентгено-структурные аналитические методы, а также метод электрического парамагнитного резонанса. Обработка

___результатов - исследований -осуществлялась с применением-современных

компьютерных программ. Правильность рекомендаций и выводов, полученных работе, проверена сопоставлением теоретических результатов с данными лабораторного эксперимента и натурных наблюдений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием комплексных методов решения поставленных задач в области полевых исследований, лабораторного эксперимента и математического моделирования, сопоставлением и хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также представительной выборкой данных наблюдений.

Практическая значимость работы заключается в обосновании и разработке:

1. Методики исследований цинксодержащих отходов и путей их распространения;

2. Комплексной технологии по утилизации цинксодержащих отвальных пылей с целью снижения наносимого ими негативного воздействия на окружающую среду.

3. Модели физических процессов переработки цинк-железосодержащих отходов вельц-процессом;

Лично автором:

- произведен анализ современного состояния проблемы и путей ее решения с использованием методов утилизации отвальных цинксодержащих пылей комбинатов черной металлургии;

- произведен анализ воздействия металлургического комбината ОАО «Северсталь» на окружающую среду, вследствие выбросов и складирования отвальных цинк-содержащих пылей;

- осуществлены экспериментальные исследования по определению возможности применения изучаемой технологии для снижения уровня антропогенной нагрузки комбината на окружающую среду;

проведено математическое эколого-технологическое моделирование применительно к данному району и процессу;

определена экономическая эффективность предлагаемых мероприятий.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены

на ряде российских и международных конференций: 1-ая Международная конференция "Экология и развитие Северо-Запада", 1995 г, МАНЭБ, Санкт-Петербург; Международная научно-практическая студенческая конференция "Экология и регион", 1995 г., Ростовская Государственная Экономическая Академия и Северо-Кавказский отдел Русского Географического общества; 1, 2, 3-я конференции студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение», 1996, 1997, 1998 г, СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург; Международный симпозиум «Проблемы комплексного использования руд», 1996 г., СПГТИ (ТУ), Санкт-Петербург; IV Международный Форум "Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ', 1997 г, Санкт-Петербург; Н-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 1997 г, СПГПУ (ТУ), Санкт-Петербург; 1У-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 1999 г, Санкт-Петербург; Конференция «Металлургическая технология и экология, РЭСТЕК - Металлургия 99», 1999 г, Михайловский манеж, Санкт-Петербург. На научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение", СПГГИ (ТУ), 1996, 1997 г. были присуждены соответственно 3-е и 1-е места.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 19 печатных работах, в том числе 5-и научных статьях и 14-и тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Изложена на 184 страницах компьютерного текста, содержит 48 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 99 наименований.

Научный консультант по разделам, посвященным изучению эффективности применения высокотемпературной переработки бедных по цинку железосодержащих пылей и математическому моделированию процессов проходящих в ходе их переработки академик, д.т.н., проф. кафедры печей, контроля и автоматизации металлургического производства И.Н. Белоглазов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации проведен анализ современного состояния проблемы загрязнения окружающей среды предприятиями черной металлургии и в частности ОАО «Северсталь» г. Череповец. Дана характеристика основных источников образования цинксодержащих отходов. Проведен анализ методик, позволяющих оценить уровень воздействия пылевидных отходов содержащих тяжелые металлы на окружающую среду, а также изложены механизмы миграции цинка в почвах, поверхностных и подземных водах. Проведен обзор способов

переработки цинк-железосодержащих пылей и шламов.

Вторая глава включает анализ воздействия Череповецкого металлургического комбината ОАО «Северсталь» на окружающую природную среду. Изложены методики полевых исследований, осуществленных с целью определения состояния окружающей среды в районе функционирования комбината. Определены уровни воздействия ОАО «Северсталь» на различные компоненты окружающей среды.

------------Третья глава посвящена решению задачи по снижению уровня

загрязнения окружающей среды цинк-железосодержащими соединениями пылей и шламов, складируемых в золошламонакопителях комбината ОАО «Северсталь». Проведен выбор метода утилизации бедных по цинку железосодержащих отходов, наиболее эффективно реализуемого в условиях ОАО «Северсталь». Изложена методика изучения возможности применения процесса вельцевания для переработки бедных по цинку железосодержащих отвальных пылей доменного, мартеновского и конвертерного производств. Представлены результаты лабораторных исследований по изучению основных параметров процесса вельцевания цинк-железосодержащих отходов комбината, подтверждающих возможность эффективной реализации процесса.

Четвертая глава посвящена моделированию процесса вельцевания и эколого-экономическому обоснованию эффективности его внедрения на ОАО «Северсталь» (г. Череповец). Проведены результаты анализа природоохранной деятельности предприятия начиная с 1988 г. Предложены мероприятия по снижению уровня поступления цинк-содержащих соединений из отходов ОАО «Северсталь» в окружающую среду путем рациональной организации систем их транспортировки, складирования и утилизации, а также рекомендации по проведению мониторингового обследования района складирования отходов.

Основные научные положения диссертационной работы:

1. Комплексная методика полевых исследований в районе функционирования предприятия черной металлургии ОАО «Северсталь», включающая в себя рекогносцировочную, фитоценотическую оценку и определение миграционных характеристик цинка в компонентах природно-промышленного комплекса позволяет оценивать воздействие на окружающую среду циик-содержащих соединений отходов.

Объект исследований - комбинат ОАО «Северсталь», расположен в городе Череповце Вологодской области. Комбинат имеет две промышленные площадки: основная (2740,0 га) и северная (276,0 га).

Золошламонакопители комбината, предназначенные для складирования цинк-железосодержащих пылей и шламов, имеют

следующие характеристики:

1). золошламонакопитель на реке Шексна предназначен для накопления шламов цехов ОАО «Северсталь», имеет вместимость 11,07 млн.м3 и занимает площадь 119 га. СЗЗ определена для ОАО в целом. Защита поверхностных и грунтовых вод отсутствует. Накоплено отходов — 7,383 млн.м3, из них III класс опасности - 60 тыс. тонн.

2). золошламонакопитель на реке Кошта предназначен для захоронения твердых отходов Ш-1У классов опасности, имеет вместимость 22,5 млн. м3 и занимает площадь - 427 га. Накоплено отходов - 18,9 млн.м3. СЗЗ определена для ОАО в целом. Защита поверхностных и грунтовых вод отсутствует.

Перечень загрязняющих веществ и валовые выбросы вредных веществ в атмосферу от объектов постоянного размещения производственных отходов комбината приведены в таблице I, из которой следует, что наибольший вклад в общие валовые выбросы от объектов постоянного размещения производственных отходов комбината вносит пыль (до 80 %), наименьший - пары бензола (менее 0,0004 %).

Таблица 1.

Перечень загрязняющих веществ и валовые выбросы_

Наименование загрязняющих веществ ПДК, мг/м3 Класс опасности Выбросы вредных веществ в атмосферу

Г/сек Т/год

Пыль 0,5 3 12,133 193,67

Фенол 0,01 2 6,2x10"8 0,00084

Бензол 1,5 2 0,00002 0,0017

Форм&тьдегид 0,035 2 0,0252 0,33

Нефтепродукты 1 4 0,00124 0,034

Трииетилбегоол ОБУВ 0,2 0,51 16,083

Пары масла ОБУВ 0,05 1,07 33,72

Всего: 13,739 243,84

Все объекты для размещения отходов расположены в юго-западной части промплощадки предприятия, геологическое строение которой неблагоприятно для устройства шламонакопителей и свалок. Организация объектов размещения отходов вблизи рек - в зонах разгрузки грунтовых вод, приводит к тому, что основными загрязняющими компонентами подземных вод являются: сульфаты, соединения азота, тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы и СПАВ.

Результаты анализов проб грунтовой воды, взятых из скважин на территории комбината, показывают, что наиболее высокие содержания сульфатов в грунтовой воде установлены в районе золошламонакопителя на

р. Коште (2436,1 мг/л). Почти по всем точкам опробования содержание нефтепродуктов в грунтовой воде составляет единицы, десятки и даже сотни мг/л, что во много раз превышает рыбохозяйственные ПДК (0,05 мг/л). Почти по всем исследуемым химическим элементам наблюдается повышение ПДКрх.

Карта уровня загрязнения фунтовых вод ионами цинка в соответствии с уровнем воздействия производства на окружающую среду

__________(по данным Управления рационального природопользования ОАО

«Северсталь») представлена на рис. 1.

Рис. 1. Загрязнение грунтовых вод ионами цинка.

Условные обозначения. Содержание ионов цинка в фунтовой воде:

I-1- 1-10 ПДК (0,01-0,1 мг/л); I-110-50 ПДК (0,1-0,5 мг/л);

I 1-50-100 ПДК (0,5-1,0 мг/л); ЕЮ 100-200 ПДК (1,0-2,0 мг/л);

Н - более 200 ПДК (более 200 мг/л); О - скважина.

Для определения влияния объектов постоянного размещения обходов комбината на загрязнение воздушного бассейна выполнен расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере по профамме «Эколог». Результат расчетов концентраций зафязняющих веществ в атмосферном воздухе показывает, что вклад объектов размещения отходов составляет 0,51,0 ПДК по пыли (на фанице СЗЗ).

По результатам проведенных фитоценотических исследований

можно сделать следующие выводы о состоянии древесно-кустарникового яруса г. Череповца и ОАО «Северсталь»:

- на территории города растительный покров древесно-кустарникового яруса в основном относится к области здоровых растений, что связано с достаточно хорошими ветровыми и топографическими характеристиками района, выветриваемостью микроэлементов из почв;

- наличие на территории комбината ослабленных растений позволяет сделать вывод об имеющем место превышении норм выбросов токсичных элементов (РЬ, Ре, Zn и др.), имеющих недостаточную мобильность в щелочных почвах, преобладающих в данном районе, что усугубляется достаточной удаленности некоторых ключевых участков от водных источников.

2. Эффективность извлечения цинка из бедных по цинку (1-3 %) железосодержащих отвальных пылей и шламов ОАО «Северсталь», с возможностью использования вторичных продуктов в основном производстве, может быть достигнута путем переработки отходов методом вельцевания, обеспечивающим максимальное остаточное содержания цинка в огарке около 0,07 %.

Для переработки цинксодержащих отвальных материалов в металлургической промышленности используются как

гидрометаллургические технологии (основанные на выщелачивании и последующей электроэкстракции), так и пирометаллургические, среди которых наиболее распространены высокотемпературные процессы проводимые в шахтной или вращающейся печи.

Проведенный анализ возможности применения ряда пиро- и гидрометаллургических технологий переработки цинк-железосодержащих отходов показал, что большинство из них не вписывается в основное производство ОАО «Северсталь» и является экологически и технологически нецелесообразным.

С учетом проведенного анализа литературы ло переработке цинк-железосодержащих отвальных пылей и шламов и технической базы комбината, наиболее целесообразным представляется возможность реализации процесса переработки бедных (с содержанием цинка 1-3%) цинк-железосодержащих пылей во вращающихся трубчатых печах (применяемых в практике ОАО «Северсталь» на известково-доломитовом производстве), после их реконструкции, с учетом особенностей проведения процесса вельцевания.

При проведении экспериментальных исследований оценивалось влияние следующих основных факторов на степень удаления цинка го перерабатываемого материала: температурный режим процесса, тип и

расход восстановителя, тип и расход связующего, продолжительность процесса, условия ввода реагентов в шихту.

Экспериментальная проверка вариантов реализации процесса вельцевания осуществлялась в неподвижном и подвижном (вращающемся) слое.

Данные о среднем составе улавливаемых цинксодержащих доменных, конвертерных и мартеновских пылей ОАО «Северсталь»

-----------показывают значенмя содержания цинка в пылях в пределах 1-3 %, железа

33,5 -56%.

При проведении исследований процесса в неподвижном слое были получены следующие данные (таблица 2).

Таблица 2.

Влияние добавок и расхода нефтекокса на степень удаления цинка из конвертерных пылей АО "Северсталь".

Условия опытов: температура - 1000°С; время обжига - 1,5 часа; восстановитель - нефтекокс; связующее - цемент._

Номер опыта П/п Расход нефтекокса, % Расход связующего, % Содержание цинка в огарке (2), % Извлечение цинка в газовую фазу, %

1 20 - 0,65 81

2 40 - 0,15 87

3 40 1 0,06 95

4 40 5 0,08 93

При осуществлении предварительной операции окатывания конвертерной пыли, с введением цемента в виде связующего, было установлено, что остаточное содержание цинка в огарке уменьшилось до 0,06-0,08 %, с извлечением цинка в газовую фазу до 93-95%, что было связано с увеличением времени контакта газообразного восстановителя с материалом.

При изучении режимов грануляции исследованию подвергались цинксодержащие доменные, конвертерные и мартеновские пыли. В качестве связующего использовали цемент, сульфатно-целюлозную барду и бентонит. Расход связующего составлял 1% от веса шихты

Наилучшая прочность гранул (20-25 кг/окатыш) была достигнута при использовании двух последних связующих.

Хорошие показатели по окатыванию были получены для шихты, состоящей из доменной, конвертерной и мартеновской пылей, взятых в соотношениях пропорциональных их выходу в действующем производстве ОАО «Северсталь» (прочность гранул 22 кг/окатыш).

В серии экспериментов по изучению обжига гранулированного материала в неподвижном слое была проведена отработка параметров,

которые в дальнейшем были использованы для определения показателей процесса, осуществляемого в подвижном слое при температуре 1100 °С и продолжительности 1,5 часа.

В проведенных экспериментах была достигнута хорошая степень отгонки цинка из доменной, конвертерной, и мартеновской пыли (таблица 3).

Таблица 3.

Результаты реализации вельц-процесса для окатанной цинксодержащей _ шихгы в неподвижном слое__

Тип пыли Остаточное содержание цинка, %

Весь восстановитель введен в окатыши Половина Восстановителя введена в окатыши Восстановитель не вводился в окатыши (раздельная загрузка)

Доменная пыль 0,031 0,044 0,062

Конвертерная пыль 0,036 0,028 0,022

Мартеновская пыль 0,046 0,058 0,051

При исследовании обжига гранулированного цинксодержащего материала в подвижном вращающемся слое восстановитель дозировался в шихту из расчета 40% от веса пыли. Расход восстановителя (от необходимого количества), вводимого в гранулы, составлял соответственно 50 и 100%. В качестве восстановителя использовали коксик. Расход воздуха, проходящего через трубчатую печь, составлял от 1 до 2 л/мин.

В проведенных экспериментах была также достигнута хорошая степень отгонки цинка из доменной, конвертерной и мартеновской пыли (таблица 4).

Таблица 4.

Результаты реализации вельц-процесса для окатанной цинксодержащей

шихты в подвижном вращающемся слое

Тип пыли Остаточное содержание цинка, %

100 % восстановителя введено в шихту 50 % восстановителя введено в шихту Восстановитель вводился раздельно с исходным материалом

Доменная пыль 0,053 0,040 0,058

Конвертерная пыль 0,047 0,039 0,056

Мартеновская пыль 0,052 0,049 0,060

Смесь пылей 0.059 0,065 0,062

В результате проведенных экспериментов были получены прочные окатыши, пригодные для дальнейшей переработки в сталеплавильном производстве.

Экспериментальные данные о прочностных характеристиках

обоженных гранул (рис. 2) свидетельствуют о возможности их использования в основном производстве.

76 -1 у 66-

66,725

70,325

■А

6 f-15

30

60

90

120

Продолжительность обжига, мин

Рис. 2. График зависимости прочности обоженных гранул от

продолжительности обжига.

В результате выполненных исследований было установлено:

1. Крупность компонентов шихты в лабораторных условиях должна колебаться в пределах от 0,5 до 10 мм.

2. Температура сушки - 150 °С.

3. В качестве восстановителя для процесса вельцевания целесообразно использовать коксовую мелочь, расход которой должен составлять 40% от веса пыли, с расходом около 50% - на уплотнение шихты и создание восстановительной среды.

4. В качестве связующего целесообразно использовать бентонит с расходом 1 % от веса пыли.

5. Продолжительность процесса обжига - 1,5 часа.

6. Оптимальный температурный интервал проведения процессов восстановления составляет 1100-i200°C.

3. Использование дифференциальных и симплексно-интервальных уравнений позволяет осуществлять совершенствование математического описания процесса переработки цинк-железосодержащих отходов, включающего операции получения и обжига окатышей, имеющего значительный эколого-экономической эффект.

В работе рассмотрены направления совершенствования

математического описания закономерностей процесса переработки цинк-железосодержищих материалов, включающего следующие основные технологические операции: процесс получения и сушки окатышей, а также процесс вельцевания проводимый в трубчатых печах.

Для описания закономерностей и расчета показателей процесса сушки окатышей предложены уточненные кинетические уравнения, позволяющие осуществлять определение полного или условно полного времени завершения процесса, которое является важным показателем для проведения инженерных расчетов кинетики процесса и расчета режимов работы аппарата.

Уточненное математическое выражение материального баланса процесса сушки в дифференциальной форме вид:

(к

2 т0

= к\¥ = к' ---

Оо-Г

(1)

Интегрируя уравнение (1) в пределах изменения концентрации от XV до \¥0 и по времени процесса сушки т от 0 до т получаем:

е(т) = 1 - ехр

С

кг

V то-ту

Л с

= 1 - ехр

\

кТ

V (1 -ть/

(2)

где Т=т/т0 - безразмерное время процесса сушки окатышей; Е(т) = 1 - (W - w2 )/(\У, - \У2)

Уравнение (2) позволяет находить предельное время завершения процесса сушки окатышей, и может быть преобразовано к известному виду, при условии что т0»т, тогда т0-т~т0 и Е(т) = 1 - ехр (-к'т).

Зависимость (2) позволяет описывать вид экспериментальных графиков зависимости Е(т), а также рассчитывать величину полного времени завершения процесса сушки окатышей т0.

Симплексно-интервалыгай метод позволяет определять значения параметров уравнений при использовании ограниченного числа экспериментальных точек.

Применяя симплексно-интервальный метод зависимость (1) преобразуем в симплексно-интервальную форму, которое для двух любых моментов времени т; и соответствующим значениям и найденным по экспериментальной кривой \У=й[т) будут иметь вид:

2

xrlnSw

TAlnSw - Дт1п|

(W1 -w2>/

(3)

i

0

Г

где \УГ = -~ Щ) " среднегеометрическое значение

величин W¡ и тА - среднеарифметическое значение интервала времени; тг- среднегеометрическое значение интервала времени; Лт=т;+1-т; - интервал времени; - симплекс концентрационного подобия.

Значение константы т0 может быть также рассчитано по уравнению:

- О - + ? - - -1) - + )

Т0 =---7-ч--(4)

-1 )1п8уу

где 8т=Г}+1/т£ - симплекс временного подобия. При описании теплового режима работы вельц-печи уравнение теплового баланса для твердого материала может быть представлено в виде:

59(x,t)

pcSdx-= cQ(x, t) 0(x, t) - cQ(x + dx, t) 6(x + dx, t) +

8t

+ Kjdx[9g (x,t) - 6(x, t)] + K2dx[9p (x, t) - 0(x, t)] (5)

где: p - плотность твердого материала, кг/м3; с - удельная теплота твердого материала, Дж/кгК; S - поперечное сечение слоя твердого материала в печи, м2; 9, 9g, бр — температура твердого материала, газа и стенки печи соответственно, К; Ki - коэффициент переноса тепла в системе газ-твердое, Вт/м К; К2 - коэффициент переноса тепла в системе стенка-твердое, Вт/м К.

Выражение (5) с учетом существующих форм передачи тепла:

56(х, I) 89(х, t) 59(x,t)

pcS-+ c[Q(x, t)-+ 6(x, t)-] + K36(x, t) = Kj0g (x, t) + K26(x,t) (6)

ft Sx. dx

K3 = Ki + K2

Уравнение теплового баланса для газовой фазы имеет вид:

36 (x,t)

pgcgS'dx-= cgQg(x,t)Og(x,t) - cgQg(x + dx,t)Gg(x + dx,t) +

8t (7)

+ K.4dx[0g(x, t) - 9p (x, t)] + K,dx[Qg(x, t) - 0(x, t)l - h'qc[q(x, t) - q(x + dx, t)]

где: pg- плотность газов, кг/м3; cg - теплоемкость газов, Дж/кг К; Qg

- расход газа, кг/час; S' - сечение пространства печи занятого газом, м2; fQ

- коэффициент переноса тепла на участке газ-стенка печи, отнесенный к единице длины печи, Вт/м К; h1 - низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг; Qc - расход топлива, кг/час; q - функция распределения гепла в пламени, доли единицы.

Уравнение (7) может быть преобразовано в следующую форму:

JQ g(x,t)

>scsS--+ CQ

8t

se

g(x,t)

g(x,t) 5x

+ K

SB(x,t)

~K40p(x,t) - Kl9(x,t) ~ h °c

£q

dx

(8)

K5 —Ki — K4

Полученные математические зависимости позволяют более точно »писывать закономерности процессов сушки и вельцевания окатышей.

Эколого-экономическая эффективность предлагаемого процесса »пределяется:

возможностью использования получаемых частично юсстановленных железосодержащих окатышей в качестве сырья в талеплавильном производстве, заменяющем скрап и(или) передельный [угун;

- получением товарного цинкового концентрата;

- снижением платы предприятия за загрязнение окружающей среды;

- снижением текущих затрат предприятия на содержание отвалов и олошламонакопителей.

Реализация предлагаемого метода позволит утилизировать 200 тыс. . цинксодержащих отходов в год.

Утилизация твердых отходов (цинк-железосодержащихсодержащих млей) металлургических производств позволит снизить плату за их азмещение в золошламонакопителях и отвалах на 1400 тыс. долл. США.

Общая чистая прибыль от ввода в эксплуатацию установки оставляет - 3,65 млн. долл. США. Общая сумма инвестиций - 5,91 млн. олл. США. Рентабельность: (3,65/ 5,91) 100%= 62%. Срок окупаемости по чистой прибыли) исходя из отношения общих затрат к чистой прибыли 1,61 года, срок возмещения инвестиций (по чистой прибыли и

амортизационным отчислениям) - 1,39.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой решена актуальная научная и практическая задача снижения уровня воздействия цинк-железосодержащих отвальных материалов комбината черной металлургии АО «Северсталь» на окружающую среду, с разработкой эффективной технологии по их утилизации, позволяющей получать годные к возврату в основное производство железосодержащие окатыши и кондиционный цинковый концентрат.

В результате исследований сделаны следующие научные и практические выводы:

1. Крупными источниками загрязнения окружающей среды токсичными соединениями являются основные производства предприятий черной металлургии: коксохимическое, доменное, мартеновское, конвертерное, а также площадки складирования отходов. Содержание отдельных элементов в отходах колеблется в широких пределах (например, от 1 до 25 % для Ът\, и от 30 до 60 % для Ре). Указанные отвальные продукты содержащие ценные компоненты и вредные примеси с учетом больших объемов складирования в золошламонакомителях характеризуются высокой токсичностью, и большим отрицательным воздействием на окружающую. Например, в золошламонакопителях ОАО «Северсталь» г. Череповец накоплено более 8 млн. тонн цинк-железосодержащих пылей и шламов, в связи с чем представляется целесообразным их использование в качестве вторичных материальных ресурсов.

2. Исследование производственной деятельности комбината ОАО «Северсталь» г. Череповец, являющегося одним из наиболее крупных комбинатов черной металлургии России, показало, что складирование в золошламонакопителях и отвалах комбината токсичных отходов 1, 2, 3, 4 классов опасности, а также расположение площадок золошламонакопителей и отвалов в местах с недостаточной естественной защищенностью подземных вод приводит к превышению нормативных показателей по таким элементам как тяжелые металлы (более 10 ПДК), нефтепродукты (более ЮС ГЩК) и т.д.

3. С учетом характеристик почв (фильтрационная способность - 1-2 м/сут., естественная защищенность - слои суглинков, супесчаных пород у т.д.) череповецкого района и режима питания водных объектов, уровнр поступления ионов цинка, входящего в состав отходов складируемых I золошламонакопителях комбината, вследствие его подвижности приводит к повышению его содержания в водных объектах (реки Шексна и Кошта) дс

50-100 ПДК и, соответственно, его концентрации в пределах 100-200 ПДК для Шекснинского золошламонакопителя и 50-100 ПДК для золошламонакопителя на реке Кошта.

4. Анализ мирового опыта по применению пиро- и гидрометаллургических процессов для переработки цинк-железосодержащих пылей и шламов, а также изучение состава отходов комбината и технической базы его производств позволил обосновать целесообразность применения процесса вельцевания для переработки бедных по цинку железосодержащих пылей с определением оптимальных технико-экономических параметров реализации данного процесса.

5. В результате проведенных лабораторных и укрупненно-лабораторных исследований было установлено:

- для переработки бедных по цинку железосодержащих пылей для условий комбината АО «Северсталь» наиболее целесообразным является применения процесса вельцевания;

- подготовка цинк-железосодержащих материалов к вельцеванию включает процессы шихтовки, окатывания и сушки;

- в качестве связующего целесообразно использовать бентонит с расходом 1 % от веса пыли;

крупность компонентов шихты при окатывании должна составлять от 0,5 до 10 мм; температура сушки окатышей - 150 °С. в качестве восстановителя для процесса вельцевания целесообразно использовать коксовую мелочь, расход которой должен составлять 40% от веса пыли, причем около 40-50% восстановителя вводится в окатыши, а остальные 40-50% - на уплотнение шихты и создание восстановительной среды. Показана принципиальная возможность полной или частичной замены коксовой мелочи более дешевым восстановителем - торфом;

- оптимальный температурный интервал процесса вельцевания -1100-1200°С;

продолжительность процесса вельц-процесса - 1,5-2,0 часа; расход воздуха в лабораторной трубчатой печи - 1,7 - 2 л/мин.

В результате реализации процесса получены железосодержащие материалы (с остаточным содержанием цинка менее 0,1 %) пригодные для дальнейшего использования в основном производстве и кондиционный цинковый концентрат.

6. Предложена математическая модель, описывающая закономерности процесса вельцевания. Результаты расчетов позволили рекомендовать оптимальные параметры соответствующие наилучшими технико-экологическими показателями исследованного процесса.

7. Экономическая оценка целесообразности внедрения предлагаемой технологии для переработки отвальных цинк-железосодержащих отходов ОАО «Северсталь» показала, что срок ее окупаемости составляет 1,6 года.

8. С целью улучшения экологической обстановки на АО «Северсталь» разработаны технико-экологические мероприятия, включающие рекомендации по усовершенствованию процессов складирования и утилизации цинк-железосодержащих отходов, оздоровлению состояния компонентов окружающей среды, а также обеспечению реализации методов контроля за уровнем воздействия цинксодержащих отходов складируемых в золошламонакопителях.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Математическое моделирование технологии, аппаратуры и систем управления процессов цветной металлургии. / Бондарчук A.M., Гальнбек A.A., Белоглазов И.Н. и др. // Сборник научных трудов «Ученые первого технического вуза России. К 225-летию института». С.-Петербург, РИЦ СПГГИ (ТУ), 1998, С. 246-253.

2. Проблемы и перспективы развития минерально-сырьевой промышленности Республики Куба. / Бондарчук A.M., Родригес Домингес Х.И., Белоглазов И.Н. и др. // Цветные металлы. 1996. Ка2, С. 16-21.

3. Применение вельц-процесса для переработки цинксодержащих пылей АО "Северсталь" / Бондарчук А.М., Белоглазов И.Н., Архипов H.A. и др. // В сб. трудов 2-ого межд. симп. "Проблемы комплексного использования руд". СПГГИ (ТУ), 19-24 мая 1996. Санкт-Петербург. С. 190.

4. Разработка технологии переработки техногенного месторождения цинксодержащих железных руд / Бондарчук A.M., Белоглазов И.Н., Скобелев B.JI. и др. // В сб. научн. трудов симп. "Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ". СПГГИ (ТУ), 25 октября - 2 ноября 1996. Санкт-Петербург. С. 114.

5. Изучение возможности применения вельц-процесса для переработки цинксодержащих конвертерных пылей сталеплавильного производства / Бондарчук А.М., Белоглазов И.Н. // Сборник тезисов научной конференции студентов и молодых ученых Санкт-Петербургского гос. Горного института "Полезные ископаемые России и их освоение". СПГГИ (ТУ), 23-25 апреля 1996. Санкт-Петербург. С. 56.

6. Оценка возможности утилизации цинксодержащих отходов предприятий черной металлургии / Бондарчук A.M., Белоглазов И.Н., Шувалов Ю.В. v др. // В сборнике трудов конференции «Металлургическая технология v экология, РЭСТЕК - Металлургия 99». Михайловский манеж, 9-12 ноябре 1999. Санкт-Петербург. С. 9.

7. Инновационная технология переработки цинк-содержащих отходое

черной металлургии / Бондарчук A.M. // Сборник трудов Молодых ученых СПГГИ (ТУ). СПГГИ (ТУ), 1999. Вып. 3. С.45 - 48.

8. Сернокислотное выщелачивание латеритовых руд и его влияние на окружающую среду / Бондарчук A.M., Мора Л.С., Белоглазов И.Н. и др. // В сб. трудов 1-ой Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада". СПГГИ (ТУ), 4-6 октября 1995. Санкт-Петербург. С. 206 -207.

9. Сравнительный анализ методов оценки полифакторных антропогенных воздействий на окружающую среду / Бондарчук A.M., Петров Д.С., Занцинская Т.П., и др. // В сб. трудов Четвертой Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов. 1999. Санкт-Петербург. С. 26.

10. Проблема оценки полифакторных техногенных воздействий на окружающую природную среду / Бондарчук A.M., Шувалов Ю.В., Шуйский В.Ф. и др. // В сборнике трудов конференции «Металлургическая технология и экология, РЭСТЕК - Металлургия 99». Михайловский манеж, 9-12 ноября 1999. Санкт-Петербург. С. 19-20.

11. Разработка методики проведения исследований по обследованию Zn-содержащих отходов / Бондарчук A.M., Белоглазов И.Н., Иванов Б.А. // В сб. трудов 3-ей научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". СПГГИ (ТУ), 20-23 апреля 1998. Санкт-Петербург. С. 245.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Бондарчук, Антон Михайлович

Введение.

1. Анализ состояния окружающей среды при производстве черных металлов

1.1. Источники образования и характеристика отходов комбинатов черной металлургии.

1.2. Физико-химическая характеристика выбросов при основных технологических процессах предприятий черной металлургии.

1.3. Анализ методов контроля состояния окружающей среды в районе функционирования комбинатов черной металлургии.

1.4. Оценка физико-химического воздействия на окружающую среду цинксодержащих металлургических пылей.

1.5. Методы переработки отвальных цинк-железосодержащих пылей и шламов комбинатов черной металлургии.

Выводы.

2. Исследование влияния на окружающую среду Череповецкого металлургического комбината ОАО «Северсталь»

2.1. Характеристика основных производств комбината

ОАО «Северсталь».

2.2. Методики исследований загрязнения окружающей среды

7п-содержащей пылью.

2.3. Анализ воздействия основных производственных единиц комбината на окружающую среду.

2.4. Расчет и анализ величин приземных концентраций загрязняющих веществ.

Выводы.

3. Исследование эффективности применения высокотемпературной переработки бедных по цинку железосодержащих пылей

3.1. Выбор эффективной переработки бедных по цинку железосодержащих пылей в условиях ОАО «Северсталь».

3.2. Физико-химические свойства цинксодержащих пылей при высокотемпературной переработке.

3.3. Методика изучения основных параметров технических средств снижения воздействия на окружающую среду и рационального использования 7п-содержащих пылей.

3.4. Экспериментальные исследования предлагаемой технологии.

Выводы.

4. Выбор рациональных способов и средств защиты окружающей среды от загрязнения Zn-coдepжaщeй пылью(сушка)

4.1 .Математическое описание кинетических закономерностей процесса сушки окатышей.

4.2. Математическое моделирование процесса вельцевания бедных по цинку железосодержащих отвальных пылей.

4.3. Экономическая оценка целесообразности применения процесса вельцевания для переработки бедных по цинку железосодержащих пылей.

4.4. Рекомендации по защите окружающей среды и рациональному использованию 7л-содержащих отвальных пылей в зоне действия Ш1К.

Выводы.

Введение Диссертация по географии, на тему "Выбор рациональных методов и средств защиты окружающей среды от загрязнения цинкосодержащей пылью в условиях ОАО "Северсталь", г. Череповец"

Актуальность работы. Производственная деятельность металлургических предприятий цветной и черной металлургии связана с получением значительного количества отходов и загрязнением окружающей среды содержащимися в них токсичными компонентами. Вследствие несовершенства технологических процессов и инженерно-экологических мероприятий объемы образования токсичных отходов в черной металлургии значительно превышают темпы их утилизации, что приводит к необходимости отведения значительных земельных ресурсов для организации хранилищ отходов предприятий, распространению вредных веществ путем миграции на большие расстояния и созданию вокруг предприятий "мертвых" зон. Складируемые материалы являются источником загрязнения атмосферы, почвы, подземных и поверхностных вод, вследствие чего промышленным предприятиям приходится выделять дополнительные финансовые ресурсы на выплаты санкций за загрязнение окружающей среды.

Из изложенного выше следует актуальный характер решения проблемы изучения состояния окружающей среды в районе функционирования предприятия и разработки, на основе полученных данных, эффективных технико-экологических решений, направленных на снижение антропогенной нагрузки за счет правильного использования ресурсов предприятия.

В качестве объекта исследований выбран металлургический комбинат ОАО «Северсталь» (г. Череповец), являющийся одним из лидеров отечественной черной металлургии по объемам производства черных металлов и сплавов на их основе. К настоящему времени в золошламонакопителях комбината накоплено более 8 миллионов тонн металлургических отходов, содержащих токсичные компоненты (РЬ, Zn, Ре и др.) которые загрязняют окружающую среду. По содержанию полезных компонентов (Ре, и др.) отвальные материалы могут быть отнесены к потенциальным источникам вторичных материальных ресурсов (техногенные месторождения), для утилизации которых необходима разработка эффективных путей переработки в рамках технического парка оборудования предприятия.

Разрабатываемая инновационная технология утилизации твердых отходов комбината, наряду с получением возможности эффективного снижения техногенной нагрузки производства на окружающую среду, должна максимально удовлетворять требованиям основных технологических процессов производства.

Работа выполнялась в 1997-2000 г. в рамках «Региональной экологической программы мэрии г. Череповца» и входила составной частью в план работ Федеральной целевой программы «Интеграция» 1999-2000 г.

Цель работы - снижение уровня нагрузки цинк-железосодержащих отходов на окружающую среду путем разработки эффективной технологии их утилизации, вписывающейся в рамки основного производства предприятий черной металлургии.

Идея работы заключается в утилизации отходов основных производств (конвертерного, доменного и мартеновского) комбинатов черной металлургии (на примере ОАО «Северсталь», г. Череповец) с относительно невысоким содержанием цинка, при условии рационального использования имеющегося технологического парка оборудования предприятия.

Основные задачи работы:

- анализ современного состояния окружающей среды и путей утилизации отходов основных производств на предприятиях черной металлургии;

- изучение характера воздействия ОАО «Северсталь» на окружающую среду Череповецкого района и определение путей снижения уровня антропогенной нагрузки;

- анализ возможности использования технологической базы комбината для разработки технико-экологических решений снижения воздействия цинксодержащих отходов комбината на окружающую среду;

- разработка методики проведения исследований по оценке уровня загрязнения окружающей среды цинксодержащими отвальными пылями и отработке основных параметров процесса направленного на снижение воздействия на окружающую среду и рациональное использование цинксодержащих пылей; разработка рекомендаций по снижению уровня нагрузки цинксодержащих отвальных пылей основных производств комбината на окружающую среду; разработка математической модели операций переработки цинксодержащих отходов с целью уточнения параметров исследованных технологических процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получена характеристика миграции токсичных соединений отвальных материалов ОАО «Северсталь» в условиях Череповецкого района;

2. Установлена зависимость степени извлечения цинка от основных технологических параметров (тип и расход восстановителя, тип и расход связующего, продолжительность и температура процесса) при переработке бедных по цинку железосодержащих отходов методом вельцевания.

3. Предложена уточненная математическая модель процессов протекающих при переработке бедных по цинку железосодержащих отходов.

Научная значимость работы:

- установлены закономерности формирования загрязнения окружающей среды в районе функционирования ОАО «Северсталь» (г. Череповец);

- установлены уровни загрязнения окружающей среды в зависимости от производственной характеристики предприятия;

- разработана методика изучения загрязнения окружающей среды цинксодержащими отвальными пылями и проведения исследований по отработке основных параметров технических средств снижения воздействия на окружающую среду и рационального использования цинксодержащих пылей;

- изучены кинетические параметры предложенного процесса переработки цинксо держащих отвальных пыл ей;

- разработана математическая модель процессов протекающих при переработке цинксодержащих отвальных пылей.

Основные защищаемые положения:

1. Комплексная методика полевых исследований в районе функционирования предприятия черной металлургии ОАО «Северсталь», включающая рекогносцировочную, фитоценотическую оценку и определение миграционных характеристик цинка в компонентах природно-промышленного комплекса позволяет оценивать воздействие на окружающую среду цинксодержащих соединений, входящих в состав отходов.

2. Эффективность извлечения цинка из бедных по цинку (1-3 %) железосодержащих отвальных пылей и шламов ОАО «Северсталь», с возможностью использования вторичных продуктов в основном производстве, может быть достигнута путем переработки отходов методом вельцевания, обеспечивающим максимальное остаточное содержания цинка в огарке около 0,07 %.

3. Использование дифференциальных и симплексно-интервальных уравнений позволяет осуществлять совершенствование математического описания процесса переработки цинк-железосодержащих отходов, включающего операции получения и обжига окатышей, имеющего значительный эколого-экономической эффект.

Методы исследований. Решение поставленных в работе задач исследования включало анализ литературных и патентных данных о закономерностях процессов, протекающих в рамках природно-промышленного комплекса, а также в металлургических аппаратах, применяемых для решения задачи снижения техногенной нагрузки комбинатов черной металлургии на окружающую среду. В работе использованы положения теории математического и физического моделирования. Для анализа отобранных проб использовались спектральные, фазовые, рентгено-структурные аналитические методы, а также метод электрического парамагнитного резонанса. Обработка результатов исследований осуществлялась с применением современных компьютерных программ. Правильность рекомендаций и выводов, полученных в работе, проверена сопоставлением теоретических результатов с данными лабораторного эксперимента и натурных наблюдений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием комплексных методов решения поставленных задач в области полевых исследований, лабораторного эксперимента и математического моделирования, сопоставлением и хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также представительной выборкой данных наблюдений.

Практическая значимость работы заключается в обосновании и разработке:

1. Методики исследований цинксодержащих отходов и путей их распространения;

2. Комплексной технологии по утилизации цинксодержащих отвальных пылей с целью снижения наносимого ими негативного воздействия на окружающую среду.

3. Модели физических процессов переработки цинк-железосодержащих отходов вельц-процессом;

Лично автором:

- произведен анализ современного состояния проблемы и путей ее решения с использованием методов утилизации отвальных цинксодержащих пылей комбинатов черной металлургии;

- произведен анализ воздействия металлургического комбината ОАО «Северсталь» на окружающую среду, вследствие выбросов и складирования отвальных цинксодержащих пылей;

- осуществлены экспериментальные исследования по определению возможности применения изучаемой технологии для снижения уровня антропогенной нагрузки комбината на окружающую среду;

- проведено математическое эколого-технологическое моделирование применительно к данному району и процессу;

- определена экономическая эффективность предлагаемых мероприятий.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на ряде российских и международных конференциях: 1-ая Международная конференция "Экология и развитие Северо-Запада", 1995 г, МАНЭБ, Санкт-Петербург; Международная научно-практическая студенческая конференция "Экология и регион", 1995 г., Ростовская Государственная Экономическая Академия и Северо-Кавказский отдел Русского Географического общества; 1, 2, 3-я конференции студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение», 1996, 1997, 1998 г, СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург; Международный симпозиум «Проблемы комплексного использования руд», 1996 г., СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург; IV Международный Форум "Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ", 1997 г, Санкт-Петербург; П-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 1997 г, СПГПУ (ТУ), Санкт-Петербург; 1У-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 1999 г, Санкт-Петербург; Конференция «Металлургическая технология и экология, РЭСТЕК - Металлургия 99», 1999 г, Михайловский манеж, Санкт-Петербург. На научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение", СПГГИ (ТУ), 1996, 1997 г. были присуждены соответственно 3-е и 1-е места.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 19 печатных работах, в том числе 5-и научных статьях и 14-и тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Изложена на 177 страницах компьютерного текста, содержит 47 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 99 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Бондарчук, Антон Михайлович

ВЫВОДЫ

1. Предложена математическая модель, описывающая закономерности процесса переработки бедных по цинку железосодержащих пылей и шламов. Результаты расчетов, полученные при проведении математического моделирования вельцпроцесса подтвердили результаты лабораторных исследования и позволили получить уточненные параметры, соответствующие наилучшими технико-экологическими показателями исследованного процесса.

2. Экономическая оценка целесообразности внедрения предлагаемой технологии для переработки отвальных цинк-железосодержащих отходов ОАО

164

Северсталь» показала, что утилизация этих отходов позволит снизить плату за их размещение в золошламонакопителях и отвалах на 1400 тыс. долл. США, и обеспечить срок окупаемости затрат на внедрение технологии в 1,6 года.

3. С целью улучшения экологической обстановки на АО «Северсталь» предложены технико-экологические мероприятия включающие рекомендации по усовершенствованию процессов складирования и утилизации цинксодержащих отходов, оздоровлению состояния компонентов окружающей среды подвергшихся воздействию цинксодержащими соединениями, а также рекомендаций по обеспечению реализации методов контроля за уровнем воздействия цинксодержащих отходов складируемых в золошламонакопителях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой решена актуальная научная и практическая задача снижения уровня воздействия цинк-железосодержащих отвальных материалов комбината черной металлургии АО «Северсталь» на окружающую среду, с разработкой эффективной технологии по их утилизации, позволяющей получать годные к возврату в основное производство железосодержащие окатыши и кондиционный цинковый концентрат.

В результате исследований сделаны следующие научные и практические выводы:

1. Крупными источниками загрязнения окружающей среды токсичными соединениями являются основные производства предприятий черной металлургии: коксохимическое, доменное, мартеновское, конвертерное, а также площадки складирования отходов. Содержание отдельных элементов в отходах колеблется в широких пределах (например, от 1 до 25 % для 7л, и от 30 до 60 % для Ре). Указанные отвальные продукты, содержащие ценные компоненты и вредные примеси, с учетом больших объемов складирования в золошламонакомителях, характеризуются высокой токсичностью, и отрицательным воздействием на окружающую. Например, в золошламонакопителях ОАО «Северсталь» г. Череповец накоплено более 8 млн. тонн цинк-железосодержащих пылей и шламов, в связи с чем представляется целесообразным их использование в качестве вторичных материальных ресурсов

2. Исследование производственной деятельности комбината ОАО «Северсталь» г. Череповец, являющегося одним из наиболее крупных комбинатов черной металлургии России, показало, что складирование в золошламонакопителях и отвалах комбината токсичных отходов 1, 2, 3, 4 классов опасности, а также расположение площадок золошламонакопителей и отвалов в местах с недостаточной естественной защищенностью подземных вод приводит к превышению нормативных показателей по таким элементам как тяжелые металлы (более 10 ПДК), нефтепродукты (более 100 ПДК) и т.д.

3. С учетом характеристик почв (фильтрационная способность - 1-2 м/сут., естественная защищенность - слои суглинков, супесчаных пород и т.д.) череповецкого района и режима питания водных объектов, уровень поступления ионов цинка, входящего в состав отходов складируемых в золошламонакопителях комбината, вследствие его подвижности, приводит к повышению его содержания в водных объектах (реки Шексна и Кошта) до 50100 ПДК и, соответственно, его концентрации в пределах 100-200 ПДК для Шекснинского золошламонакопителя и 50-100 ПДК для золошламонакопителя на реке Кошта.

4. Анализ мирового опыта по применению пиро- и гидрометаллургических процессов для переработки цинк-железосодержащих пылей и шламов, а также изучение состава отходов комбината и технической базы его производств позволил обосновать целесообразность применения процесса вельцевания для переработки бедных по цинку железосодержащих пылей, с определением оптимальных технико-экономических параметров реализации данного процесса.

5. В результате проведенных лабораторных и укрупненно-лабораторных исследований было установлено:

- для переработки бедных по цинку железосодержащих пылей для условий комбината АО «Северсталь» наиболее целесообразным является применения процесса вельцевания;

- подготовка цинк-железосодержащих материалов к вельцеванию включает процессы шихтовки, окатывания и сушки;

- в качестве связующего целесообразно использовать бентонит с расходом 1 % от веса пыли; крупность компонентов шихты при окатывании должна составлять

Л « i/г . . .

U ! Ди IV 1V11VX, температура сушки окатышей - 150 °С; продолжительность сушки - 1,5-2 часа;

- в качестве восстановителя для процесса вельцевания целесообразно использовать коксовую мелочь, расход которой должен составлять 40% от веса пыли, причем около 40-50% восстановителя вводится в окатыши, а остальные 40-50% - на уплотнение шихты и создание восстановительной среды. Показана принципиальная возможность полной или частичной замены коксовой мелочи более дешевым восстановителем - торфом;

- оптимальный температурный интервал процесса вельцевания - 1100-1200°С;

- продолжительность процесса вельц-процесса - 1,5-2,0 часа;

- расход воздуха в лабораторной трубчатой печи - 1,7 - 2 л/мин.

В результате реализации процесса получены железосодержащие материалы (с остаточным содержанием цинка менее 0,1 %), пригодные для дальнейшего использования в основном производстве и кондиционный цинковый концентрат.

6. Предложена математическая модель, описывающая закономерности процесса вельцевания. Результаты расчетов, полученные при проведении математического моделирования вельцпроцесса подтвердили результаты лабораторных исследования и позволили рекомендовать уточненные параметры, соответствующие наилучшими технико-экологическими показателями исследованного процесса.

7. Экономическая оценка целесообразность внедрения предлагаемой технологии для переработки отвальных цинк-железосодержащих отходов ОАО «Северсталь» показала, что срок ее окупаемости составляет 1,6 года.

8. С целью улучшения экологической обстановки на АО «Северсталь» разработаны технико-экологические мероприятия, включающие рекомендации по усовершенствованию процессов складирования и утилизации цинк-железосодержащих отходов, оздоровлению состояния компонентов

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Бондарчук, Антон Михайлович, Санкт-Петербург

1. Абдеев М.А., Юсупова А.И., Пискунов В.М., Колесников A.B. Извлечение ценных компонентов из отвальных продуктов производства тяжелых цветных металлов. М.: Цветметинформация, 1980. 48 с.

2. Абдеев М.А., Колесников A.B. Диффузия, сорбция и фазовые превращения в процессах восстановления металлов. М.: Металлургия, 1981. С. 129-131.

3. Абдеев М.А., Колесников A.B., Ушаков H.H. Вельцевание цинк-свинецсодержащих материалов. М.: Металлургия, 1985. 120 с.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е,В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971. 283 с.

5. Алексеев A.C. Экологические основы рационального использования природных ресурсов. Л.: ЛТАим. С.М. Кирова, 1985.

6. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат. 1987.

7. Андоньев С.М, Филиьев О.В. Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии. 2-е изд., М.: Металлургия, 1979. 192 с.

8. Андоньев С.М. и др. Вредные выбросы от агрегатов черной металлургии и пути их сокращения // В сб.: Очистка водного и воздушного бассейнов на предприятиях черной металлургии / М.: Метелларгия, 1972. №1.

9. Антоненко Л.К., Зотеев ВГ., Коваленко А.И., Костерова Т.К. Основы проектирования, строительства и эксплуатации хвовтохранилищ большой емкости // Горный журнал, 1990. №11.

10. Бахирева Л.В., Жигалин А.Д., Карагодина М.В. Рациональное использование и охрана окружающей среды городов. М.: Наука, 1989.

11. Бондарчук A.M. Инновационная технология переработки цинк-содержащих отходов черной металлургии // Сборник трудов Молодых ученых СПГГИ (ТУ) / СПГГИ (ТУ), 1999. Вып. 3. С.45 48.

12. Бересневич П.В., Кузьменко П.К., Неженцева Н.Г. Охрана окружающей среды при эксплуатации хвостохранилищ. М.: Недра, 1993. 128 с.

13. Будыко М.И., Голицин Г.С., Израэль Ю.А. Глобальные климатические катастрофы. М.: Наука, 1978. 158 с.

14. Важенин И.Г. Методические рекомендации по обследованию и картографированию почвенного покрова по уровням загрязненностипромышленными выбросами. М.: Недра, 1987.

15. Воздействие металлургических производств на лесные экосистемы Кольского полуострова / Под общей редакцией к.ф-м.н. В.В. Сычева. Санкт-Петербург, 1995. 252 с.

16. Вторичные материальные ресурсы черной металлургии. М.: Экономика, 1986. 343 с. Т2.

17. Галимов М.Д., Окунев А.И., Лотош В.Е. и др. Переработка пылей и шламов доменного производства с извлечением железа и цинка // Черная металлургия: Бюл. ин-та "Черметинформация", 1980. Вып. 4. С. 35-36.

18. Гальперин A.M., Феретел В. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. М.: МГГУ, 1997.

19. Гарина И.М. Производство металлизированных окатышей для доменной плавки за рубежом // Бюлл. инст-та "Черметинформация", 1979. Вып. 18.

20. Гиммельфраб А.И., Ярхо E.H., Левин М.Я., Сладковская Т.Н. Утилизация шламов и пыли, содержащих цветные металлы // Сб. науч. тр. «Проектирование предприятий черной металлургии» М.: Гипромез, 1980. Вып.16. С. 30-34.

21. Гордон Я.М. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1993. 370 с.

22. Демин A.M., Евсеев Б.Н., Мотов Ю.И. Формирование отвалов в железорудной промышленности. Обзорная информация. М.: Черметинформация, 1986. Вып. 5. С. 21 37.

23. Диев Н.П., Гофман И.П. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургииздат, 1961.406 с.

24. Диомедовский Д.А. Металлургические печи. М.: Металлургия, 1970. 702 с.

25. Есин O.A., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. М.: Металлургия, 1962. 671 с. 4.1.

26. Зайцев В .Я., Маргулис Е.В. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1985. 263 с.

27. Иванов Б. А., Щербаков В. А., Батов С.И. Методика инженерно-экологических изысканий. Отчет по НИР фонды ЛГИ, 1988. 150 с.

28. Иванов Н.И., Литвинов В.К., Шутикова В.Ф., Агапитов Е.Б. Высокотемпературные процессы переработки шламов металлургического производства // Черная Металлугия: Бюлл. ин-та "Черметинформация", 1989. Вып. 6. С. 20-28.

29. Извлечение цинка из пыли доменных печей, уловленной на фильтрах (Zeiler Н.) Stahl und Eisen, 1955, № 15.

30. Извлечение свинца и цинка из шламов доменных газов. Continental Stahlmarket, 1979, Bd 29, №2, М.: ЦНИИЧерметинформация, 1979. Перевод № 10874.

31. Иксанова Е.И. Подготовка к использованию железосодержащих шламов и пыли за рубежом // Бюлл. Черная металлургия. Цничерметинформ, 1980. Вып. 13.

32. Использование железосодержащих отходов металлургического производства в товарном цикле. Практика и тенденции. N.G. West. Iron and Steel International. June 1976.

33. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1973. 317 с.

34. Колобов Г.А. и др. Сбор и обработка вторичного сырья цветных металлов.

35. М.: Металлургия, 1993. 290 с.

36. Коссек Г. Переработка побочных продуктов металлургического производства способом вельцевания // Черные металлы, 1976. № 10.

37. Лакерник М.М., Мазарчук Э.Н., Петкер С.Я., Шабалина Р.И. Переработка шлаков цветной металлургии. М.: Металлургия, 1977. 258 с.

38. Лакерник М.М., Пахомова Г.Н. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1969. 488 с.

39. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1989. 446 с.

40. Лиходневский В.А. Учет факторов взаимозаменяемости при обосновании цен на железосодержащие шламы // Сталь, 1979. №3. С. 228-231.

41. Майер Г. Переработка пыли и шлама из газоочисток доменных и конвертерных цехов во вращающейся печи // Черные металлы, 1976. № 10.

42. Майер Г., Ветцель Р. Переработка металлургических пылей и шламов. Technische Mitteilungen Krimp Werksberichte, 1972. Bd 30. HI. Уралмеханобр, 1979. Свердловск. Перевод № 8647/1.

43. Максименко Ю.Л., Глухарев В.А. Природоохранные нормы и правила проектирования. Справочник. М.: Стройиздат, 1990.

44. Малинина М.С., Мотузова Г.В. Исследование почвенного раствора в целях экологического мониторинга. Проблемы экологического мониторинга и моделирование экосистем. 1992. Т. 14. с. 40-49.

45. Мачек Г., Реллермейер Г.Р., Коссек Г., Сербент Г. Опыты по переработке отходов металлургического производства способом вельцевания // Черные металлы, 1976. № 24. С. 8-13.

46. Международное законодательство по охране природы: Справочно-методическое пособие. Ленкомэкология, 1995. 250 с.

47. Международные правовые акты: Справочник. Ленкомэкология, 1994. 301 с.

48. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растеневодства. М.: ЦИНАО, 1989.

49. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения городовхимическими элементами. М.: АН СССР, 1982.

50. Мироненко В.А., Мольский Е.В., Румынии В.Г. Изучение загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах. М.: Недра, 1988.

51. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971.

52. Николаев В.А., Зюганов В.В. и др. Анализ экологического состояния района металлургического предприятия // Металлург, 1995. № 2.

53. Одум Ю. Экология. М.: Мир, 1986.

54. Олейников А.Г., Дурова P.A. Рекультивация хвостохранилищ предприятий цветной металлургии // Цветная металлургия, 1989. № 3.

55. Оценка влияния Череповецкого металлургического комбината на загрязнение подземных вод. Отчет АП «Ленгипроводхоз», 1992 г.

56. Переработка отходов производства черной металлургии. Материал фирмы "Интгор", ФРГ. М.: ЦНИИЧерметинформация, 1978. Перевод № 10564.

57. Погорелый А.Д. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1964. 286 с.

58. Подготовка к использованию железосодержащих шламов и пыли за рубежом // Бюлл. Черная металлургия. ЦНИИЧерметинформация, 1980. №13 (873).

59. Равич М.Б. Топливо и эффективность его использования. М.: Наука, 1971. 358 с.

60. Рекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности. М.: ВОДГЕО, 1986.

61. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186-89. М.: Гидрометеоиздат, Минздрав СССР, 1991. 693 с.

62. Проблемы качества городской среды. Сб. научн. тр. под ред. Лепко Г.М., Бочкаревой Т.В. М.: Недра, 1989.

63. Рышка Э. Защита воздушного бассейна от выбросов предприятий черной металлургии. Пер. с польского. М.: Металлургия, 1979. 240 с.

64. Саец Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды. М.: Недра , 1990.

65. Селезнев Л.П., Семенов Г.А. Проблемы повышения эффективности производства вторичных цветных металлов. М.: Металлургия, 1987. 128 с.

66. Симкин Б.А., Бебчук Б.Ц., Хохряков A.B. Оценка последствия техногенного воздействия горного производства на окружающую среду // Горный журнал, 1989. № 5.

67. Ситтиг М. Извлечение металлов и неорганических соединений из отходов. М.: Металлургия, 1985. 407 с.

68. Сквайре Дж. Практическая физика. Пер. с англ. М.: Мир, 1971. 246 с.

69. Снурников А.П. Комплексное использование сырья в цветной металлургии.

70. M.: Металлургия, 1977. 272 с.

71. Сиурииков А.П. Комплексное использование минеральных ресурсов в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1986.

72. Степанов Б.Я., Постовалов И.П., Геладзе Ю.Н. и др. Утилизация тонко дисперсных железосодержащих шламов // Черная металлургия: Бюл. инта "Черметинформация", 1983. Вып. 12. С. 45-47.

73. Сугасава К., Ямада Я., Ватанабе О. и др. Прямое восстановление пылей металлургического производства // Бюл. ин-та "Черметинформация", 1976. №24. С. 13-17.

74. Такежанов С.Т., Абдеев М.А., Юсупова А.И. и др. Комплексная переработка твердых шлаков свинцевой шахтной плавки. М.: Цветметинформация, 1975. 40 с.

75. Теория и практика прямого получения железа. М.: Наука, 1986.

76. Терехов Л.Г., Ящукова С.П. Планирование природоохранной деятельности. М.: Недра, 1984.

77. Фалленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в химическую экологию. Перевод с немецкого. М.: Мир, 1997. 203 с.

78. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. Пер. с немецкого. М.: Мир, 1977. 552 с.

79. Худяков И.Ф. Дорошкевич А.П., Карелов C.B. Металлургрия вторичных тяжелых цветных металлов. М.: Металлургия, 1987.

80. Черепанов К.А. и др. Утилизация вторичных материальных ресурсов в металлургии. М.: Металлургия, 1994. 222 с.

81. Чистобаев А.И. Рафиков С.А., Флоринская Т.М. Методологические разработки экологической программы СПб и С-3 России. / Под ред. Фролова А.К. Санкт-Петербург, 1996. 111 с.

82. Шиврин Г.Н. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1982. 392 с.

83. Шицкова А.П., Новиков Ю.В., Климкина Н.В., Гильденскольд P.C.,1.l

84. Шаприцкий B.H. Охрана окружающей среды от загрязнения предприятиями черной металлургии. М.: Металлургия, 1982. 208 с.

85. Kossek G., Lommert Н., Serbent Н. Erzmetali, 1979. V.32, № 76. P. 21-26.

86. Lead preserving the global environment: The challenge of shared leadship, New York, London. W.W. Norton, 1991.

87. Mathematical modelling of the calcination process in the rotary kiln. Angel Columbie Navarro. 1999.

88. Tijonov O.N. Mathematical model for calcination of oxidised nickel minerals in rotary kiln. Minerya у Geologia, 1989.

89. Watbmison A.P. and Brimacombe J.K. Heat Transfer in a Direct-Fired Rotary Kiln. Part I, II. Metallurgical Transaction B, 1978. Vol №6.