Рециклинг отходов металлургической промышленности как способ сбережения природных ресурсов и снижения экологической напряженности

Фундаментальные и прикладные исследования по приоритетным направлениям развития науки и

техники

УДК 542.86; 691.5

П.С. Романов, И.П. Романова

РЕЦИКЛИНГ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ КАК СПОСОБ СБЕРЕЖЕНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И СНИЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

НАПРЯЖЕННОСТИ

Московский государственный машиностроительный университет, Национальный исследовательский Московский государственный

строительный университет

Аннотация: В статье проводится анализ проблемных вопросов, связанных с утилизацией отходов металлургической промышленности. Описаны возможные пути переработки и применения их в качестве вторичного сырья для металлургической промышленности и строительной индустрии.

Ключевые слова: металлургическая промышленность, шлаки, экология, отходы.

P.S. Romanov, I.P. Romanovа

METALS INDUSTRY WASTE RECYCLING AS A WAY OF PRESERVATION OF NATURAL RESOURCES AND REDUCE ENVIRONMENTAL STRESS

Moscow State University of Mechanical Engineering, Moscow state university of civil engineering

Abstract. The article deals with the problematic issues related to the utilization of waste iron and steel industry. Theapplication capabilities of converter slag as raw material for the steel and construction industry are described. Keywords: waste iron and steel industry, slags, ecology, waste.

Активная индустриализация привела к возникновению промышленных гиган-

тов в добывающих отраслях и отраслях первичной переработки (каменноугольная, металлургическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная промышленность). Быстрые темпы роста промышленного производства имели не только положительные последствия, такие как повышение благосостояния и уровня жизни населения, но и массу отрицательных - разрушение природных экосистем, загрязнение окружающей среды промышленными выбросами, истощение запасов полезных ископаемых [1-3]. За последние два столетия колоссальное количество техногенных отходов было накоплено в шламонакопителях, хвостохра-нилищах, золошлакоотвалах предприятий, на полигонах, в виде отвалов пустой породы [4-7].

Только в России более 1 миллиона гектар земельных ресурсов занято отходами металлургического производства, а значит выведено из оборота. При этом в большинстве стран не только нет тенденции к сокращению образова-нияотходов в обозримом будущем, но и наблюдаются быстрые темпы роста количества отходов. Например, в России за последние десять лет количество отходов, вырабатываемых промышленными предприятиями, возросло почти в два раза - с 3,5 миллиарда тонн до 6 миллиардов тонн в год. Причем, большая часть (порядка 90%) приходится на отходы добывающей промышленности, в которой получение целевого продукта требует переработки большого количества сырья. Так, при добыче ископаемого топлива образуется до 80% неиспользуемых материалов, минерального строительного сырья - около 20%. Для производства одной тонны стали требуется до десяти тонн природных ресурсов, а для получения 1 тонны меди, никеля, олова необходимо переработать от ста до трехсот тонн руды. Таким образом, кроме целевого продукта предприятие производит в качестве отходов шлаки, керамический лом, окалину, шламы, хвосты, пульпу и пыль,

причем подвергается переработке из них не более 30% [8].

Одной из самых «грязных» отраслей промышленности является черная металлургия, занимающая второе место по количеству выбросов вредных веществ (в основном оксидов азота) в атмосферу [9]. В городах, где расположены крупные предприятия отрасли, систематически отмечается многократное (10-155 ПДК) превышение допустимых концентраций вредных примесей, в том числе высокого класса опасности, например, в Магнитогорске - этилбензола и диоксида азота, а в Новокузнецке - диоксида азота. Значительный вред наносится так же поверхностным и подземными водам. Ежегодно в России предприятия металлургической отрасли производят сброс не менее 1 млн. м сточных вод, из которых 85% загрязнены соединениями железа и тяжелых металлов, хлоридами, сульфатами и нит-ртами. Помимо химического загрязнения, сточные воды вызывают тепловое загрязнение природных экосистем - температура сточных вод составляет порядка 50 °С. Но самой большой проблемой является огромное количество отходов, для хранения которых отчуждаются большие площади (в России свыше 1300 км ) земель, в том числе и плодородных. Помимо почвы под самими отвалами, золо- и шламона-копителями, из оборота из-за загрязнения токсичными веществами выбывают так же земли в радиусе 200 км от места захоронения металлургических отходов [1011].

Помимо экологических проблем, связанных с накоплением отходов, в ближайшее время многие страны столкнутся еще и с проблемой исчерпания природных ресурсов. Поэтому использование техногенных отходов в качестве вторичного сырья становится особенно актуальным [12-14]. Особый интерес представляют отходы металлургического производства. Богатые (с содержанием железа более 60%) и удобные для разработки месторождения Приднепровья и Урала уже практически выработаны, основная масса используемой в настоящее время желез-

ной руды поступает из Карелии, Мурманской области и Курской магнитной аномалии (с содержанием железа 30-40 %). Масса отходов, получаемых при переработке небогатых руд, огромна, химический состав отходов колеблется в очень широких пределах, а содержание железа в них может достигать 15 -20%.

Наиболее широкое применение нашли доменные гранулированные шлаки, которые достаточно полно вовлечены в производство строительных материалов и изделий (производство цемента, местных и шлакощелочных вяжущих заполнителей бетонов, шлакоще-лочной пемзы, минеральной шлаковой ваты, шлакоситаллов, щебня и песка). Применение доменных шлаков при производстве портландцемента и других строительных материалов позволяет экономить первичные минеральные ресурсы (песок, известь, глину, щебень), клинкерный цемент и снизить топливно-энергетические затраты про-

изводства почти в 2 раза. В то же время, малоиспользуемыми являются такие грубо-, микро- и нанодисперсные отходы как конвертерные шлаки, металлургические шламы, пыли и другие твердые побочные технологические продукты, являющиеся потенциально полезными для применения их в стройиндустрии.

Из всего многообразия отходов, по-чаемых в металлургическом производстве, основной объем (около 80% от общего количества твердых промышленных отходов) составляют шлаки. В России, в шлаковых отвалах накоплено 800 лионов тонн шлаков черной и цветной металлургии. Ежегодно образуется более 95 миллионов тонн шлаков, в том числе около 79 миллионов тонн шлаков ного, сталеплавильного, литейного и ферросплавного производств. Динамика накопления отходов на шлаковом отвале ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» показана на рис. 1.

Рисунок 1 - Динамика накопления отходов на шлаковом отвале

Полноценное использование шлаков позволит организовать практически безотходное металлургическое производство, поэтому весьма актуальной является задача разработки способов переработки шлаков с максимальным извлечением металла и эффективным использованием силикатной части [1516]. При решении проблемы утилиза-

ции малоиспользуемых на сегодняшний день отходов металлургии ставятся две взаимосвязанные задачи: предотвращение негативного воздействия отходов на окружающую среду и обеспечение стройиндустрии и промышленности по производству строительных материалов и изделий вторичным сырьем [17].

Основу конвертерных шлаков состав-

ляют оксиды кремния SiО2 (7 - 18%), кальция СаО (40 - 55%), алюминия А12О3 (2 - 6%), железа FeО + Fe2Оз(12 -28%), марганца MnO (13 - 14%) и магния MgO (6 - 10%), составляющие в сумме 90-98%. Химический состав конвертерных шлаков качественно практически идентичен составу портландце-

ментного клинкера. На фазовой диаграмме системы СаО - Al2О3 - SiO2 область доменных шлаков граничит с областью портландцемента (рис. 2), что дает возможность возможность производства цементов высокого качества при расплаве шихты включающей доменные шлаки.

Рисунок 2 - Положение примерных областей фигуративных точек составов доменных основных

В настоящее время в России ведутся разработки в области рационального использования и утилизации конвертерных шлаков и других малоисполь-зуемых отходов металлургического производства. В частности, ЗАО «Ли-пецкметаллургпроект» совместно с Липецким государственным техническим университетом предложили две технологические схемы для полноценного использования конвертерных шлаков. Первая схема представляет собой технические решения по увеличению доли конвертерных шлаков в шихте подаваемой в цементную печь на обжиг и

спекание путем подачи шлака во вращающуюся печь в обход горловины (при способе производства реализованном на ЗАО «Липецкцемент» на данный момент увеличить долю шлаков в шихте не возможно в связи с наличием в шлаке легкоплавких соединений и зарастанием загрузочной горловины печи). При реализации данной технологической схемы ЗАО «Липецкцемент» имеет возможность использовать в качестве шихтовых материалов более чем в 4,0 раза большее количество конвертерных шлаков[18].

Вторая предложенная технологическая схема - это утилизация физического теп-

ла жидких металлургических шлаков с получением цементного клинкера. Предполагается получать цементный клинкер непосредственно из огненных, жидкотекучих шлаков, что позволит значительно уменьшить энергозатраты на нагревание шихтовых материалов (жидкотекущие шлаки необходимо нагреть до 1500 - 1550°С с 1250 - 1350°С, а не с 20°С как при обычном способе производства). Кроме того, использование огненного шлака непосредственно после получения позволяет избежать длительной процедуры его охлаждения

и грануляции в шлаковых ямах, а значит сэкономить 1-3 м3 воды для охлаждения и избежать значительного выброса в атмосферу сероводорода и серного ангидрида, образующихся при взаимодействии шлака с водой.

Таким образом, разработка рациональной и экономически выгодной технологической схемы переработки конвертерного шлака, позволит решить блему переработки накопленных отходов и обеспечить вторичным сырьем металлургическую и строительную промышленность.

Библиографический список

1. Бородкина Т.А., Ткачёва Е.И. Состояние и охрана атмосферного воздуха в Каменском районе Воронежской области // Территория науки. 2014. Т 5. № 5. С. 75-77.

2. Евсюкова А.Ю., Бородкина Т.А. Основные источники загрязнения воды в Воронежской области // Территория науки. 2014. Т 1. № 1. С. 103-106.

3. Мухина И.В., Бородкина Т.А. Разрушение озонового слоя // Территория науки.

2014. Т 1. № 1. С. 107-109.

4. Баутин В.М., Мычка С.Ю. Направления развития системы переработки отходов промышленно-производственных подсистем АПК // Территория науки. 2015. № 6. С. 9195.

5. Варгузина М.С., Бородкина Т.А. Основные источники загрязнения атмосферного воздуха в Воронежской области // Территория науки. 2014. Т 1. № 1. С. 110-119.

6. Маматалиева Ф.Т. Экологические проблемы кирпичного производства и пути их решения (на примере АО «Ош Ак-Таш») // Синергия. 2015. № 1. С. 79-84.

7. Романова И.П., Бегунов О.Б. Использование отходов металлургической промышленности в строительной индустрии как способ сбережения природных ресурсов и снижения экологической напряженности // Территория науки. 2016. № 2.

8. Галкина О.А. Повышение эффективности бетонов для монолитных полов полимерными добавками // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Московский государственный строительный университет. Москва, 2004.

9. Шаталов М.А., Ахмедов А.Э. Совершенствование механизма государственного регулирования металлургического комплекса в условиях нестабильности внешней среды // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2015. № 1. С. 67-73.

10. Гончарова М.А., Копейкин А.В., Крохотин В.В. Оптимизация методики определения минералогического состава конвертерных шлаков //Строительные материалы,

2015, № 1, с. 64-67.

11. Липина А.В. Исследование инновационных технологических методов утилизции серосодержащих отходов и технической серы // Успехи современной науки и образования. 2016. № 2. 73-76

12. Бортников А.В., Самуков А.Д., Шулояков А.Д., Баранов В.Ф. Экономико-математическое моделирование технологии рециклинга отходов переработки горных пород путем производства минеральной ваты // Обогащение руд. 2015. № 6 (360). С. 3540.

13. Дюбанов В.Г., Грудинский П.И., Зиновеев Д.В., Корнеев В.П. Перспективные методы рециклинга железосодержащих техногенных отходов металлургической промыш-

ленности // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2016. № 1. С. 35-40.

14. Калиниченко В.П., Лазуренко В.Н., Ляхов В.П., Старцев В.Ф. Биогеосистемотех-ника как технологическая платформа рециклинга отходов в биосфере // Stredoevropsky Vestnik pro Vedu a Vyzkum. 2015. Т. 65. С. 9.

15. Липунов И.Н., Первова И.Г., Николаев И.В. К вопросу о рециклинге промышленных отходов // Экология и промышленность России. 2015. № 4. С. 24-29.

16. Шванская И.А., Коноваленко Л.Ю., Неменущая Л.А., Парфентьева А.И. Комплексный подход к утилизации и рециклингу отходов // Техника и оборудование для села. 2015. № 1. С. 30-33.

17. Ларсен О.А., Серпухов И.В. Некоторые аспекты применения нанотехнологий в строительстве // Строительство-формирование среды жизнедеятельности. Сборник трудов 14 международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. 2011. с. 549-511.

18. Гончарова М.А. Структурообразование и технология композитов общестроительного и специального назначения на основе малоиспользуемых отходов металлургии // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / ГОУВПО "Воронежский государственный архитектурно-строительный университет". Воронеж, 2012. 341 с.

Информация об авторах:

Information about author:

Романов Петр Сергеевич

Доктор технических наук, профессор, Коломенский институт (филиал) ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», г. Коломна, Росси

Romanov Petr Sergeevich

Doctor of Engineering Science, professor Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Kolomna branch, Kolomna, Russia

Романова Ирина Петровна

Кандидат технических наук, доцент, «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), Россия

Romanovа Irina Petrovna

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor «Moscow state university of civil engineering" (National Research University), Russia