Раздел 6 переход к экологически чистому производству

Создание экологически чистых производств связано с экономическими, научно-техническими возможностями металлургии, с социальной обстановкой в обществе. Развитие техногенной цивилизации в XXI веке объективно требует эволюционного процесса перестройки металлургических производств на основе наукоемких технологий и высокоэффективного оборудования.

Лекция 14 Ресурсо-экологические проблемы и развитие черной металлургии

Рынок производства и потребления чугуна и стали в XXI веке существенно изменился. По данным исследований подтверждаются два прогноза:

• наблюдается тенденция отставания индекса производства черных металлов и сплавов от индекса ВВП;

• связь между этими показателями на перспективу остается достаточно тесной.

Колебания в производстве черных металлов в XXI веке связаны с мировыми кризисами. В настоящее время эти процессы определяются более глубокими причинами. Эволюция потребления стали шла параллельно с изменениями в технологических процессах. Резко снизились потери металла, повысилось качество стали, снизился удельный расход сплавов в потребляющих отраслях промышленности. Это во-первых. Во-вторых, сдерживающим фактором развития черной металлургии стала нехватка кокса, а развитие альтернативных технологий не решало этой проблемы. В-третьих, развитие металлургии во многих отраслях тормозится жесткими экологическими ограничениями. В частности, затраты на подавление и улавливание выбросов и сбросов в окружающую среду, на переработку отходов резко снизили рентабельность производства и конкурентоспособность металлургических предприятий.

Расширение производства стали связано с ростом потребления металлических конструкций в строительной индустрии, сочетаемых с бетоном, стеклом и деревом.

Применение в качестве альтернативных заменителей стали цветных металлов, их сплавов, пластических масс и цемента весьма спорно из-за крайне малых объемов их производства (композиционные материалы), высокой стоимости по сравнению со сталью (сплавы цветных металлов), ограниченности областей применения (цемент). Кроме того, каждый потенциальный заменитель благодаря своим свойствам имеет наиболее рациональную область применения. В то же время большинство потребителей конструкционных материалов главное значение придают их механическим (прочность, упругость, деформируемость) и термическим (термостойкость) свойствам и их сочетанию. Именно по этим свойствам сталь превосходит известные потенциальные заменители.

Отметим также, что энергоемкость производства таких заменителей стали, как алюминий и его сплавы, в 5-10 раз, а пластмасс в 3-4 раза больше, чем стали.

Производство цветных металлов и их сплавов значительно более емко по негативному воздействию на окружающую среду, чем производство стали. Химическая промышленность как производитель пластмасс является после транспорта, энергетики и сельского хозяйства одним из наиболее опасных в экологическом отношении производств и заметно опережает в этом отношении черную металлургию. По зарубежным данным коэффициент рециркуляции для черных металлов составляет 55 %, для алюминия - 27 %, пластмасс - 10 %. Цемент, композит, стекловолокно вообще являются материалами одноразового использования.

Развитие ресурсного и энергетического кризисов происходит практически одновременно. К началу XXI века среднее потребление энергии только за последние 35 лет XX века увеличилось почти в 3 раза и превысило 2 т у.т. (тонны условного топлива), а общий рост энергопотребления возрос почти в 10 раз. В такой же степени увеличилась масса загрязняющих веществ в выбросах, сбросах, отходах. Оснащение металлургических предприятий типовыми системами очистки не привело к кардинальному улучшению экологической обстановки. При этом следует иметь в виду, что необходимые затраты на такие системы очистки достигают 50 % от капитальных вложений в строительство объектов металлургии. Например, при удельных энергозатратах на 1 т вводимой мощности для производства проката в размере 3 т у.т./т дополнительные затраты на защиту окружающей среды составляют 1-1,5 т у.т./т проката.

Известно, что невозможно создать экологически чистое производство в среде окружающих его «грязных» производств. Так, если не принять существующую технологию, а заменить «грязное» сырье на качественное по экологическим показателям, то это уже будет значимым рычагом в снижении воздействия на окружающую среду. В топливном балансе российской металлургии доля природного газа не превышает 35 %, а средние удельные выбросы загрязнений в атмосферу составляют 50-60 кг/т у.т. В то же время основным топливом у металлургов Японии является газ (не только природный, а вторичный и искусственный) и средние удельные выбросы составляют 1,5 кг/т у.т.

Это означает, что Россия имеет реальный потенциал снижения энергопотребления свыше 50 %, а по загрязнению окружающей среды снижение оценивается в 30-35 раз.

Приоритетное положение России по ресурсам природного газа позволяет в значительной степени решить проблему энергосбережения и снижения воздействия на окружающую среду.

Однако следует учесть, что природный газ не просто топливо, а после конверсии (реформирования) является восстановителем, который применяют в высокоэффективных процессах прямого получения железа. Не следует забывать и о том, что природный газ является ценнейшим сырьем для химической промышленности. Поэтому необходимо уже сейчас решать проблему газификации ископаемых углей, производства биогаза, конверсионного и электролизного водорода, т.е. проблему возобновляемых источников энергии. Реализация в металлургии возобновляемых источников энергии не всегда возможна «напрямую». Поэтому предполагается их использование для производства электрической энергии с ростом объемов выплавки качественных сплавов в электрических печах. Так, сегодня в России стали в электропечах выплавляется 12,6 млн. т в год, а в Японии, Франции, США, Швеции – в три раза больше.

В соответствии с динамикой и тенденциями в применении энергетических ресурсов России эволюцию металлургии в XXI веке и далее прогнозируют следующим образом:

Этап 1 (до 2050 г.) – период исчерпания запасов нефти, нарастания объемов добычи угля и природного газа, продолжения традиционного развития металлургии с внесением элементов ресурсосберегающих и малоотходных технологий.

Этап 2 (до 2150 г.) – период производства газообразного топлива, стабилизации объемов добычи угля при истощении запасов коксующихся углей. Интенсивная разработка нетрадиционных источников энергии и новых экологически чистых технологий с их применением.

Этап 3 (до 2250 г.) – истощение ископаемых топлив, переход на возобновляемые источники энергии с созданием высокоэффективных электрогазовых и биогазовых технологий. Стабилизация структуры металлургических производств.

На первом этапе усиливаются приоритеты защиты, охраны окружающей среды, материало- и энергосбережения. Их основу составят экологические ограничения на производства по ПДВ и ПДС, ужесточение лимитов на размещение отходов, экологические платежи и штрафы, введение прогрессивной оплаты за перерасход энергии и транспортные расходы и т.д.

Характерной чертой развития металлургии на 1-м этапе является рекуперация и утилизация текущих отходов производства и потребления и переход к разработке техногенных месторождений в промышленных масштабах.

Основными средствами защиты окружающей среды следует считать укрытия металлургических агрегатов, эффективные аспирационные системы, фильтрационную очистку газов, включая установки сорбции вредных и полезных компонентов, полусухие и сухие установки очистки газов от диоксидов серы, фтористых соединений, технологии подавления образования оксидов азота, системы бессточного водоснабжения.

Второй этап является переходным к нетрадиционным источникам энергии, к новым ресурсо- и энергосберегающим технологиям и производствам.

Предполагается, что каменный уголь станет главным ископаемым видом топлива и будет применяться металлургами как в твердом, так и в газифицированном состояниях. Получат развитие производства энергии из нетрадиционных источников (химических, биохимических, ядерных, гелио-, ветро-, гидро- и других). Прогнозируется интенсивное развитие биоэнергетики, основанной на естественных процессах производства биогаза, конкурентоспособного во всех отношениях с природным газом. Экологическая чистота этого процесса не вызывает сомнений.

На третьем этапе металлургия переходит к новым возобновляемым источникам энергии (97-99 %), что радикально изменит технологии и создаст новые структуры производств. Прогнозируется преобладание электрометаллургии, использование газообразных восстановителей, переработка предварительно подготовленного металлического лома высокой чистоты, как основного сырья для производства металлов и сплавов, применение технологий комплексного извлечения ценных компонентов из бедных руд, техногенных месторождений, отходов, включая очистку от загрязняющих компонентов. Перспективными считаются применение жидкостной экстракции, электролитические методы, использование ионообменных смол, биотехнологии.

Лекция 15 Современные и перспективные металлургические производства

В настоящее время в черной металлургии сложилось 3 схемы производства металлов и сплавов:

• Переработка железной руды по схеме «доменная печь-конвертер».

• Переработка железной руды по схеме «прямое получение железа - дуговая сталеплавильная печь».

• Переработка лома черных металлов в дуговой сталеплавильной печи.

Согласно данным мировой статистики средний удельный расход энергии 24 ГДж/т стали. При этом могут быть достигнуты лучшие показатели производства: по схеме 1 – 1,91 ГДж/т, по схеме 2 - 18,55 ГДж/т, по схеме 3 - 5 ГДж/т стали. Теоретически минимальный расход энергии составляет соответственно 6,6, 6,1 и 1,5 ГДж/т стали, т.е. ресурсы энергосбережения по этим схемам составляют более 50 %.

Опыт показывает, что для снижения расхода энергии по любой из вышеприведенных схем производства стали следует: снизить температуру процессов, сократить число стадий температурных изменений (нагрев-охлаждение), максимально использовать избыточное тепло и химическую энергию технологических паров, материалов и переделов.

Рассмотрим некоторые переделы, которые с экологической точки зрения являются проблемными.

1. Производство кокса

В настоящее время в мировой металлургии средний удельный расход кокса составляет 450 кг/т чугуна. Для его снижения необходимо увеличить количество вдуваемого в доменную печь пылеугольного топлива. Этот показатель составляет 30 кг/т чугуна, но по некоторым доменным цехам он превышает 200 кг/т чугуна, что обеспечивает снижение мирового потребления кокса на 70 млн. т/год.

При производстве кокса следует переходить к новым технологиям, которые апробированы в ряде стран. В США работают батареи без улавливания химических продуктов коксования. Образующиеся газы и смолы полностью сжигаются с утилизацией тепловой энергии, печи работают с постоянным разрежением, обеспечивают высокую производительность и высокие экологические характеристики. Получаемый кокс имеет качество выше среднемировых показателей.

2. Производство первичного металла

Данное производство является основой для всех металлургических переделов. Очевидно, что на его базе будут развиваться технологии производства металлов и сплавов с заданными свойствами. В табл. 6.1 приведены элементы экобалансов различных способов производства первичного металла. Они позволяют на основе имеющихся фактических данных и прогнозов о состоянии материальных и энергетических ресурсов определить основные направления и пути развития металлургии в XXI веке.

В странах с наиболее совершенной металлургией перспективы того или иного процесса определяются оценкой жизненного цикла продукции на основе анализа экобалансов. По таким оценкам доменная печь относится к агрегатам, отвечающим основным требованиям металлургического процесса на перспективу (экономическим и экологическим).

В настоящее время считают, что наиболее эффективной является работа печи с вдуванием дополнительного топлива и обогащением дутья кислородом. Так, в Японии на печи объемом 3223 м³ при вдувании угольной пыли в количестве 266 кг/т чугуна расход кокса составил 289 кг/т чугуна (средний мировой показатель 450 кг/т чугуна!).

Весьма перспективной является технология работы доменной печи «на шлаке». В этом режиме основным показателем является качество шлака (состав, плотность, поверхностные свойства и т.д.), являющегося основным потребительным продуктом.

Одним из интересных направлений использования доменных печей является их работа в качестве установок для газификации твердого топлива с получением очищенного топливного газа, для переработки и обезвреживания токсических отходов, получения полиметаллических лигатур.

Накоплен достаточно позитивный опыт создания небольших доменных печей объемом от 300 до 1400 м³ для получения сырья для дуговых сталеплавильных печей. Данные печи весьма компактны: не имеют башенной стальной конструкции, оборудованы медными холодильниками, конусным засыпным аппаратом с вертикальным подъемником шихты, двумя воздухонагревателями, имеют мини-литейный и рудный дворы. Так, печь объемом 1373 м³ производительностью 2825 т/сутки занимает площадь 115 143 м².

Накопленный опыт достаточен, чтобы его можно было бы применять в других странах. Доменные печи небольшого объема могут быть успешно использованы для переработки шлаков медеплавильного производства с получением медистых чугунов и лигатур, отходов хроматного производства с получением феррохрома, отходов золошлаковых отвалов с получением лигатур сложного состава для других целей.

При выполнении своих основных функций доменная печь выполняет и дополнительные функции (например, утилизация бытовых отходов, обезвреживание токсических отходов).

Эта функция печи наряду с металлургической (получение металла и шлака) и энергетической (газификация твердого топлива) со временем обретет самостоятельный статус санитарно-экологической функции.

Вторым направлением производства первичного металла является бескоксовая металлургия получения губчатого железа. В настоящее время развиваются следующие процессы жидкофазного восстановления:

• переработка в печах с вращающимся подом сырых рудоугольных окатышей или брикетов (процессы FASTMELT, ROMELT, REDSMELT, COMET, INMETCO);

• металлизация окатышей в шахтных реакторах с самореформингом природного газа (Midrex, HYL, Ghaem);

• металлизация железорудного сырья во вращающихся трубчатых печах с угольным восстановителем (процессы Basset, SL/RN, DRC и др.);

• металлизация дисперсного железорудного сырья при взаимодействии с измельченными углями в реакторах со взвешенным слоем (процессы FINMET, Circoter, Iron Carbide).

Получаемое губчатое железо преимущественно перерабатывается в дуговых сталеплавильных печах. Но в настоящее время губчатое железо находит и иное применение. Так, его использование в качестве охладительной добавки в кислородных конвертерах позволяет снизить расход железной руды и увеличить производительность. Применение губчатого железа в качестве компонента шихты позволяет сократить расход кокса и повысить производительность доменной печи.

Из рассматриваемых способов производства несомненные преимущества имеет твердофазное восстановление железа.

Однако такие недостатки данного способа, как использование богатых или легкообогатимых чистых по примесям руд, использование наиболее ценных видов топлива – природного газа и продуктов нефтепереработки, и, наконец, предпочтительная переработка металлизованного сырья в электросталеплавильных агрегатах, скорее всего, будут способствовать тому, что методы твердофазного восстановления будут развиваться ограниченно, а суммарная доля мирового производства металла этим способом не превысит 5-10 %.

В случае плавки подготовленного (обогащенного и окускованного) железорудного сырья перспективно использовать жидкофазное восстановление в одном агрегате и технологию «восстановление-плавление». Но в этом случае возникают серьезные экологические ограничения. Поэтому наиболее перспективно строительство «мини-предприятий», так как достигаемое снижение «удельных» (на единицу площади территории) выбросов в окружающую среду сделает возможной более легкую адаптацию окружающей природной среды к воздействию техносферы и будет способствовать повышению устойчивости окружающих экосистем.

3. Прямое получение железа

Доля производства железа прямым восстановлением к 2015 году по предварительным оценкам достигнет 75 млн. т/год. В настоящее время основными процессами являются технологии Midrex и Hyl, которые используют в качестве восстановителя окатышей продукты реформирования природного или попутного газов. Данные технологии интенсивно развиваются в странах, имеющих достаточные ресурсы газа, нефти, искусственных газов. В остальных странах такое производство неэффективно, а использование твердых восстановителей не оправдало себя из-за несовершенства технологий.

4. Поставки металлического лома

Общая потребность стран в металлошихте возрастает значительно быстрее, чем объемы образующегося лома, окалины, уловленной пыли и др. Причем с увеличением оборота металлических отходов содержание примесей в них растет, что ведет к накоплению невостребованного лома у поставщиков. Поэтому основной задачей является создание и реализация технологий подготовки металлических отходов к переработке: классификация, обезвреживание, пакетирование и др. способы подготовки.

5. Производство стали и ферросплавов

Мартеновское производство стали практически полностью исчезло; его доля не превышает 4 % общего производства стали.

Конвертерное производство еще долго сохранит доминирующее положение, и комбинированная продувка жидкого чугуна составит основу всех технологий. Существенными проблемами для конвертеров является использование конвертерных газов для подогрева лома и сыпучих, а также повышение доли лома в шихте. Поскольку требования к высококачественной стали существенно возрастают, то получить ее в конвертере невозможно. В перспективе конвертер будут использовать только для первичного обезуглероживания чугуна (до 0,03-0,05 % С). Ультраглубокую (до 0,01 % С) декарбонизацию, десульфуризацию, дегазацию и рафинирование стали будут приводить в агрегатах внепечной обработки стали (АКОС) типа «печь-ковш».

Сохранение в XXI веке доменного производства предопределяет и сохранение конвертерного передела как самого экономичного способа получения стали из чугуна . Снижения конвертерного производства стали не произойдет, но его доля будет уменьшаться в связи с ростом производства стали в электропечах.

Перспективы развития сталеплавильного производства непосредственно связаны с тем обстоятельством, что в современных условиях энергетическая экономичность промышленных процессов, и в том числе при выплавке стали, является одним из важнейших показателей производства. Следует также отметить, что расход энергии на выплавку стали и объемы вредных выбросов в окружающую среду взаимосвязаны: чем больше энергетические затраты на процесс, тем значительнее загрязнение окружающей среды. Электросталеплавильный процесс при 100 % лома в шихте – наиболее эффективен по энергозатратам.

В ближайшем будущем проблема значительного повышения качества массовых сортов стали, а на ее основе снижения металлоемкости и улучшения потребительских свойств металлопродукции, в связи с уменьшением производства металла будет приобретать все большую значимость. Среди многих методов воздействия на качество стали традиционно самым распространенным остается ее обработка ферросплавами (рафинирование, легирование, раскисление, модифицирование), позволяющими воздействовать на прочностные и пластические свойства металла, ее чистоту по неметаллическим включениям (сере, фосфору, газам), на однородность и на будущую структуру.

В последние годы широкое развитие получили способы микролегирования и модифицирования, которые позволяют не только высокоэффективно улучшать качество металла, но и экономить ферросплавы, поскольку они вводятся в малых количествах (0,05-0,2 %).

В области ферросплавного производства перспективные направления развития коснутся сырья, его подготовки для плавильных агрегатов, технологии выплавки и разливки с учетом, в первую очередь, их воздействия на окружающую среду.

Должны измениться взгляды на рудное сырье ферросплавного производства. Наряду с применением богатых и чистых по примесям руд, запасы которых быстро сокращаются, все большее применение будут находить нетрадиционные виды сырья.

Парк плавильных агрегатов для получения ферросплавов также должен значительно видоизмениться. В дуговых рудовосстановительных печах следует выплавлять только те ферросплавы, которые невозможно или невыгодно получать в других агрегатах из-за высокой стоимости электроэнергии и значительного загрязнения окружающей среды при их получении. Это ферросилиций всех марок, силикомарганец, силикохром, силикокальций и т.д. Такие ферросплавы, как углеродистый ферромарганец, углеродистый феррохром, целесообразно выплавлять в более экологически чистых агрегатах – доменных печах.

Должны измениться конструкции электропечей. На смену полузакрытым (или «укрытым») рудовосстановительным электропечам, которыми в настоящее время оснащены российские предприятия, должны придти полностью закрытые герметичные печи с уплотнением для электродов в своде, затворами для подачи шихты.

Широкое применение должны найти конструкции электропечей, позволяющие раздельно и полно выпускать из печи либо шлак, либо металл, оставляя для дальнейшей переработки нужный расплав.

Значительную экономию электроэнергии и увеличение производительности агрегатов может дать технология с предварительным подогревом шихтовых материалов. Промышленные опыты получения ферромарганца, феррохрома в рудовосстановительных электропечах показывают, что предварительный подогрев шихты дешевым топливом с подачей ее на колошник при 800-1000 ºС позволяет экономить 20-25 % электроэнергии, повышая соответственно производительность печи.

6. Непрерывная разливка стали

Доля стали, разливаемой на УНРС в большей части развитых стран мира достигла 95-97 % (в 1998 г. Россия – 51,7, США – 95,3, Япония – 96,9, Тайвань, Иран, Венесуэла, Португалия – 100%). Классические сортовые и слябовые УНРС в ближайшие 10-15 лет будут мало отличаться от эксплуатируемых в настоящее время и ввод их в эксплуатацию не прекратится. Но при этом значительно возрастет объем прямой прокатки заготовок на компактных линиях производства полос и листов из отливаемых тонких слябов. Создание таких компактных мини-заводов с литейно-прокатным комплексом позволяет получить уникальные технико-экономические и экологические показатели. Такой завод легко вписывается в структуру интегрированного металлургического комплекса, где совмещается УНРС с работающими широкополосными станами. При этом доменные печи и конвертера заменяют на ДСП, модернизируют УНРС и нагревательные печи. Это значительно дешевле строительства нового завода (в 3-5 раз меньше удельных капитальных затрат на строительство традиционного мини-завода). Сроки окупаемости капитальных вложений не более 1,5-2 лет.

6. Прокатное производство

По прогнозам в обозримом будущем главной технологической схемой производства листовой продукции станет производство с использованием разнообразных методов литья с увеличением доли непрерывных процессов: непрерывная разливка – горячая прокатка, травление – холодная прокатка, холодная прокатка – термообработка и других, объединяющих ряд сложных технологических процессов.

В начале XXI века наметилась тенденция перехода части рынка от холоднокатаного стального листа к горячекатаному. Так, холоднокатаные листы толщиной 1-1,5 мм уже в настоящее время можно заменить горячекатаными толщиной 1,3-1,5 мм, что позволит в Европе, по прогнозам, за 10-15 лет довести замену до 50 %.

Другим перспективным направлением является ферритная прокатка. При наличии относительно небольшого содержания в стали примесей уровень качества и механические свойства полос толщиной 1-2 мм сопоставимы с качеством и свойствами холоднокатаной стали. Ферритная прокатка стали открывает большие перспективы в области горячего цинкования непосредственно горячекатаного тонкого и особо тонкого листа.

При производстве холоднокатаной полосы широкое распространение получают процессы непрерывной и бесконечной прокатки на агрегатах, совмещающих разнообразные операции травления, холодной прокатки, термообработки и отделки.

В производстве листов существенно возрастет доля проката с разнообразными покрытиями (полимерными, металлическими, комбинированными) с увеличением этой доли до 60-80 %.

Лекция 16 Оперативные мероприятия по снижению негативного воздействия на окружающую среду

Создание экологически чистого производства начинается с мероприятий, обеспечивающих уже сегодня повышение уровня экологической безопасности.

Предотвращение и сокращение выбросов вредных веществ в процессе металлургического производства являются наиболее надежными способами защиты окружающей среды.

Основными технологическими направлениями, способствующими уменьшению выделения вредных веществ, являются:

1. Переход от аглофабрик к фабрикам окомкования позволяет уменьшить в 2,7 раза количество выбросов в расчете на 1 т сырья для доменных печей вследствие того, что в процессе окомкования и обжига образуется значительно меньше пыли, оксидов азота и оксида углерода, чем при агломерации.

2. В коксохимическом производстве перевод коксовых батарей на работу с термоподготовленной шихтой, а также использование взамен коксовых батарей установок для получения формованного кокса позволяют уменьшить выброс загрязняющих веществ на 10-15 %.

3. Применение агрегатов большой единичной мощности (до определенного предела). В мощных печах наблюдается заметное уменьшение выбросов на единицу продукции. Например, увеличение объема доменных печей с 1719 до 5000 м³ позволяет сократить выбросы вредных веществ на 1 т чугуна по источникам загрязнения газа приблизительно в три раза.

4. В сталеплавильном производстве применение конвертеров емкостью 300-400 т вместо конвертеров емкостью 100-130 т позволяет в несколько раз сократить удельное количество неорганизованных выделений при разливке стали. Организация выплавки стали в кислородных конвертерах без доступа балластного воздуха уменьшает объем дымовыделений и сокращает в 80 раз выбросы оксидов азота в расчете на 1 т стали.

5. В прокатном производстве внедрение взамен нагревательных колодцев и слябингов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и машин огневой зачистки металла (МОЗ) позволяет сократить количество вредных выделений в атмосферу прокатных цехов на 10 % за счет исключения из технологической цепочки ряда пылегазовыделяющих агрегатов и снижения расхода сжигаемого топлива и т.д. Достигается существенная экономия ресурсов за счет снижения объемов отходов металла на 12-14 % и сокращения удельного расхода топлива на 20-40 кг у т./ т проката.

6. Применение материалов повышенной стойкости, способствующих уменьшению валового выброса вредных веществ. Так, применение обезвоженной леточной массы в доменных печах приводит к тому, что выпуск чугуна из доменной печи проходит практически без газовыделений.

7. Использование компоновочных решений, позволяющих локализовать зоны выделения вредных веществ. Так, применение взамен открытой внепечной грануляции шлаков закрытой установки позволяет снизить приземные концентрации пылегазовыделения до санитарных норм.

Перечисленные примеры решений не исчерпывают всех возможностей сокращения выбросов в окружающую среду.

Для снижения объемов вредных выбросов необходимо проводить организационно-технические мероприятия, такие как, например:

При производстве агломерата следует:

- производить увлажнение при перегрузке руды на рудном дворе для уменьшения пылевыделения;

- уменьшать содержание серы в аглошихте путем использования резервов малосернистых углей и руд для уменьшения содержания сернистого ангидрида в агломерационных газах;

- оптимизировать режим эксплуатации агломашин для уменьшения выхода сернистого ангидрида и оксида углерода с аглогазами.

При производстве кокса следует:

- проводить снижение разовой загрузки коксовых батарей и удлинение времени коксования;

- внедрять технологии сухого тушения кокса.

При производстве чугуна следует:

- снижать избыточное давление на колошнике при использовании засыпного аппарата типа «воронка - конус», например, до 40 кПа, или установить герметичный засыпной аппарат для уменьшения выброса колошникового газа;

- заменять мокрую систему грануляции шлака в гранбассейне на установку припечной грануляции для уменьшения выбросов вредных веществ.

При производстве конвертерной стали:

- обеспечивать оптимальную интенсивность кислородной продувки с целью недопущения выбросов пыли;

- переходить на режим с частичным дожиганием конвертерных газов в котле – охладителе для уменьшения выбросов СО.

При производстве электростали следует:

- снижать интенсивность продувки ванны кислородом для уменьшения выбросов пыли.

В прокатных цехах для уменьшения выбросов следует оптимизировать распределение тепловой мощности в нагревательных печах, устанавливать автоматизированные горелки двухступенчатого сжигания топлива в широком диапазоне регулирования, что обеспечит дополнительную экономию топлива.

В производстве огнеупоров для экономии ресурсов, уменьшения выбросов загрязняющих веществ необходимо использовать в технологиях производства огнеупорный лом.

При выработке пара и электроэнергии для уменьшения выбросов пыли, SO₂ и NO_x с дымовыми газами котельных целесообразно осуществлять следующие мероприятия:

- замена твердого, пылевидного и жидкого топлива газообразным (очищенным доменным, конвертерным, ферросплавным, коксовым газами);

- использование автоматизированных устройств двухстадийного сжигания топлива;

- отключение части маломощных котельных агрегатов.

Общими мероприятиями для всех переделов являются: максимальное использование энергоресурсов для подогрева газов, шихтовых и других материалов; установка аэродинамической защиты технологических отверстий и проемов печей и агрегатов.

К числу организационных временных мероприятий по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу относятся также:

- усиление контроля за выполнением технологических инструкций на основных производствах;

- усиление контроля за работой газоочистных установок;

- прекращение «залповых» выбросов вредных веществ в атмосферу;

- увлажнение материалов при их транспортировке и в местах пересыпки для уменьшения пылевыделения;

- поливка автотрасс с целью уменьшения пылевыделений;

- сокращение перевозок на автомобильном транспорте.

Малозатратные мероприятия включают различные действия в области охраны окружающей среды на предприятиях, в том числе рекомендуемые стандартами ГОСТ-Р-ИСО 14000, определяющими систему управления качеством окружающей среды. К ним можно отнести совершенствование эксплуатации оборудования, улучшение технологической дисциплины, подготовку кадров, внутрипроизводственный контроль и инспектирование, формирование и реализацию целенаправленной экологической политики предприятия, взаимодействие с контрагентами и т.д.

Актуальными остаются проблемы обмена опытом, координации деятельности предприятий – природопользователей и природоохранных организаций, внедрение и пропаганда инициатив предприятий в области охраны окружающей среды и рационального природопользования.

Малозатратные мероприятия можно разделить на организационные и технические, а по времени на краткосрочные (1-2 года) и перспективные.

К организационным относятся такие мероприятия, которые не связаны с изменением технологий и производственного оборудования, конструкций и агрегатов, а предусматривают совершенствование нормативно-технической документации, контроля и учета, организации и управления производством, методов оценки загрязнения окружающей среды, обмен опытом и учебу персонала.

К малозатратным организационным мероприятиям можно отнести обязательное включение в технологические инструкции, например по выплавке и разливке стали, чугуна, получению агломерата, пункты, предусматривающие не только требования по охране окружающей среды (ООС) в технологическом процессе, но и контроль за их исполнением.

Это должно повысить ответственность каждого работника, поскольку станет его должностной обязанностью.

Целесообразно наладить своевременный постоянный учет и нормирование источников выбросов и стоков предприятий, разработку и выполнение графиков планового контроля выбросов на источниках их образования и выделения с целью соблюдения нормативов.

Одним из важных звеньев охраны окружающей среды является система контроля самой среды и выбросов промышленных предприятий. Эта система включает наблюдение за состоянием среды и прогноз изменений, выявление и оценку источников загрязнения, предупреждение появления повышенных загрязнений.

Значительным резервом как улучшения экологической обстановки на предприятии, так и снижения себестоимости продукции является использование в производственном цикле (в сталеплавильном, доменном, ферросплавном переделе) топлива, сырья, флюсов с минимальным содержанием веществ, способных при переработке дать соединения, загрязняющие атмосферу, водные источники, почву.

Важным фактором, позволяющим улучшить природоохранную деятельность предприятий, может стать точное соблюдение регламента технологических режимов основного и вспомогательного оборудования, агрегатов; обеспечение текущих плановых ремонтов оборудования, устранение неорганизованных выбросов и утечек, исключение аварийных выбросов.

Как показывает практика работы металлургических предприятий, принести эффект по ООС могут простые организационные малозатратные мероприятия, к которым относятся сокращение времени планово-предупредительных ремонтов газо- и водоочистительного оборудования; составление графика и осуществление оптимизации передвижения автотранспорта по территории предприятия; сокращение времени хранения запасов материалов и сырья на складах, сокращение числа перевалочных операций, что позволит сократить площади, занятые материалами, снизив пылевыделение из материалов, особенно сыпучих.

На каждом предприятии необходимы внедрение системы управления охраны окружающей среды, экологического аудита, разработка планов действий по ООС.

Необходим также переход к способу охраны окружающей среды, при котором эта среда становится объектом планирования и управления, а следовательно, организованного, сознательного общественного воздействия.

Немаловажную роль в охране окружающей среды играют банки природоохранных технологий (ПОТ). В основу эффективной работы банков ПОТ заложено:

• совместное наполнение и ведение банка;

• территориальный охват предметного поля банка;

• разделение информации о природоохранных технологиях на открытую и конфиденциальную части;

• открытое сотрудничество всех заинтересованных сторон;

• развитие организационно-технического обеспечения деятельности участников банка.

Это позволяет быстро наполнять информационную базу из других банков, резко расширять сферу информационного охвата и извлекать коммерческие выгоды как за счет прямой продажи своей конфиденциальной информации, так и за счет получения комиссионных за содействие в купле – продаже той или иной технологии.

К важным мероприятиям по ООС следует отнести внедрение методов оценки риска населения и создание методов определения и оценки качества окружающей среды, которые предусматривают:

• организацию экологического контроля и мониторинга на предприятии и в зоне его влияния на окружающую среду;

• оценку воздействия загрязнения на окружающую среду;

• оценку критериев качества природной среды;

• сопоставление показателей среды с санитарно-гигиеническими нормативами;

• принятие решений о необходимости природоохранных мероприятий.

Наряду с организационными, важное значение имеют технологические мероприятия, позволяющие значительно снизить объемы загрязнений за счет оптимизации температурных и газодинамических условий процессов в металлургии.

Следует уделять внимание хорошо известным у производственников простым малозатратным мероприятиям, которые позволяют получать значительный эффект за счет экономии затрат предприятий на оплату воды, тепла, топлива, электроэнергии, но по разным причинам и без причин слабо применяются.

Для снижения пылевыделения, например, целесообразно использовать переход на прогрессивные сухие методы пылеулавливания с использованием высокоэффективных конических циклонов типа СДК-ЦН-33, СЦН-40 и т.п.; применять двухступенчатые схемы (циклон - рукавный фильтр) пылеулавливания в вентиляционных системах с возвратом очищенного воздуха в производственные помещения; производить увлажнение сыпучих материалов в процессе обработки, в том числе с применением полимеров и поверхностно-активных веществ, если это возможно по условиям технологического процесса; применять влажную уборку производственных помещений и, если допускается правилами техники безопасности, использовать пылеуборочные машины и пылесосы, а также беспылевую разгрузку сухих пылеулавливателей с применением замкнутых систем пневмотранспорта.

Для снижения водопотребления предприятиями металлургии рекомендуется применение некапиталоемких мероприятий: сооружение замкнутых водооборотных систем с последующим переходом на бессточное водоснабжение, как это делается уже за рубежом, с использованием очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения; замена воды в системах охлаждения металлургических печей, прокатных станов с использованием новых схем воздушного охлаждения, более широкое применение испарительного охлаждения, а также охлаждения высокотемпературных мест агрегатов горячей химически очищенной водой; замена свежей технической воды на воду условно чистого стока (дождевой канализации) в местах, где нет необходимости в воде повышенной степени очистки, например в цехе углеподготовки и при тушении кокса, а также замена питьевой воды на техническую в тех местах, где это позволяют санитарные нормы. Кроме того, это может быть принятие комплекса мер по снижению потребления питьевой воды, который может включать в себя установку счетчиков воды, замену питьевых фонтанчиков на сатураторы, установку в бытовых корпусах педальных душевых и т.д.

Реализация рассмотренных выше мероприятий является актуальной задачей сегодняшнего дня для металлургии России, основанной на традиционных производствах.

Лекция 17 Обезвреживание выбросов в металлургии. Абсорбционные и хемосорбционные методы очистки газов

Задача экологически чистого производства состоит в максимальном снижении объемов рассеиваемых в атмосферу вредных веществ на основе их подавления, улавливания, обезвреживания и утилизации твердых, газообразных и жидкофазных компонентов, образующихся в процессе обработки технологических и вентиляционных газов.

Для улавливания примесей используются системы газоочисток, включающие устройства селективного и комплексного улавливания примесей, а в последние годы и специализированные реакторы, позволяющие утилизировать полезные компоненты из отходящих газов.

Пыли, уловленные в газоочистных установках, могут использоваться в различных целях. К ним относятся:

• использованные пыли в качестве целевого продукта;

• возврат в производство, в переделах которого образуется данный вид пыли (производственный рециклинг);

• переработка пыли в другом производстве для получения товарного продукта (глобальный рециклинг);

• утилизация пыли в строительных целях или для восстановления природных ландшафтов;

• переработка пыли с целью извлечения ценных компонентов (глобальный рециклинг);

• использование в сельском хозяйстве, в том числе в качестве компонентов удобрений;

• утилизация в процессах, где используются физико-химические свойства пылей.

Наибольшую проблему составляет очистка газов от газообразных и жидкофазных примесей, многие из которых представляют высокую опасность для человека и окружающей среды. Для обезвреживания и утилизации таких примесей применяются абсорбционные, адсорбционные методы, методы каталитической и термической очистки газов. Методы имеют определенные достоинства и недостатки, как с точки зрения эффективности улавливания и обезвреживания, так и по экономическим показателям и потребительным характеристикам получаемых при обработке продуктов.

Очистка газов от диоксида серы

Технологические газы, содержащие достаточно большое количество SO₂ , используются металлургами для производства серной кислоты и элементарной серы. При относительно низких концентрациях SO₂ в газах обезвреживание осуществляется хемосорбционными методами. Для абсорбции используют воду, водные растворы и суспензии щелочных и щелочноземельных металлов. Растворимость SO₂ в воде низкая, поэтому используются абсорберы с большими объемами и со значительным расходом воды. Достоинством известковых и известняковых методов является простота технологической схемы, низкие эксплуатационные затраты и дешевизна сорбента, в качестве которого можно применять известняки, мел, доломиты, мергели. Для очистки применяют нерекуперационные и рекуперационные методы. Первые из них основаны на обработке газов в абсорбере суспензией известняка с последующей доочисткой шламовых вод свежим известняком.

В рекуперационных методах хемосорбент регенерируют и повторно используют для очистки, а извлекаемый компонент перерабатывается в товарный продукт (серная кислота, сера, сульфаты).

Очистка газов от сероводорода, сероуглерода и меркантамов

Технологические и топочные газы, содержащие сероводород, обладают высокой коррозионной активностью. Для очистки применяют хемосорбционные методы: вакуум-карбонатные, фосфатные, мышьяково-щелочные, железо-содовые, щелочно-гидрохиноновые, этаноламиновые.

При вакуум-карбонатной очистке сероводород поглощается из газов водным раствором карбоната натрия или калия. Образующийся раствор регенерируется при нагреве под вакуумом, охлаждается и снова возвращается в процесс абсорбции. При охлаждении пары сероводорода и воды проходят через конденсатор-холодильник, где конденсируется значительная часть воды. После этого пары поступают в холодильник и затем в печь для сжигания сероводорода.

Для абсорбции сероводорода фосфатным методом применяют растворы, содержащие 40-50 % фосфата калия. Из раствора сероводород удаляют кипячением при 107-115^о С. Достоинством процесса является селективность раствора к сероводороду в присутствии SO₂ .

Мышьяково-щелочные методы в зависимости от абсорбента делятся на мышьяково-содовый и мышьяково-аммиачный. В первом методе оксид мышьяка As₂O₃ растворяют в растворе Na₂CO₃. Образование поглотительного раствора происходит в процессе взаимодействия с сероводородом с образованием раствора оксисульфомышьяково-натриевой соли. При ее регенерации кислородом воздуха в результате окисления образуется сера, которую отделяют в вакуум-фильтре, а раствор возвращают в абсорбер на улавливание сероводорода.

В мышьяково-аммиачном методе сероводород абсорбируется щелочным раствором, содержащим карбонат натрия, эквимолекулярное количество ванадата натрия-аммония и антрахинон–2,6–2,7-дисульфоната (АДА) с добавкой натрий-калиевой соли винной кислоты для исключения выпадения ванадата в осадок. В процессе образуется сера, ванадат рекуперируется при взаимодействии с АДА, а затем окисляется кислородом воздуха. Сера отделяется в вакуум-фильтре, а раствор возвращается в абсорбер на улавливание сероводорода.

В железо-содовом методе для поглощения используют взвесь гидроксидов двух- и трехвалентного железа. Суспензию приготавливают смешением

10 %-го раствора Na₂CO₃ с 18 %-м раствором железного купороса. В процессе абсорбции сероводорода образующийся раствор содержит серу и FeS, поэтому его регенерируют, окисляя кислородом воздуха. При регенерации до 70 % поглощенного H₂S переходит в элементарную серу, а остальной раствор окисляется до тиосульфата натрия.

Сущность щелочно-гидрохинонового метода заключается в поглощении сероводорода щелочными растворами гидрохинона.

При регенерации растворов выделяются элементарная сера и тиосульфат натрия. Гидрохинон в процессе является катализатором.

При абсорбции этаноламинами сероводород и диоксид углерода поглощаются растворами моноэтаноламина или триэтаноламина. Преимущественно используют 15-20 %-й водный раствор моноэтаноламина, поскольку он обладает большой поглотительной способностью, реакционной способностью и легко регенерируется. Поглощение H₂S идет интенсивно при температурах 25-40^о С. При повышении температуры до 150^о С из раствора выделяются сероводород и диоксид углерода.

Очистка газов от оксидов азота

На практике в отходящих газах металлургических переделов содержатся преимущественно NO и NO₂. Для них характерна низкая химическая активность и растворимость, что существенно усложняет применение абсорбционных методов. Имеется несколько путей решения этой проблемы: 1) полное окисление NO в NO₂ в газовой фазе; 2) частичное окисление NO в NO₂ с образованием эквимолекулярной смеси NO и NO₂; 3) использование селективных абсорбентов; 4) окисление в жидкой фазе или использование жидкофазных катализаторов абсорбции с переводом NO в химически активные соединения.

При гомогенном окислении NO в газовой фазе процесс требует подачи кислорода. В качестве жидких окислителей по активности предпочтительны растворы KB₂O₃, HNO₃, KMnO₄, H₂O₂. Для абсорбции используют воду, растворы щелочей и селективные сорбенты, кислоты и окислители. При абсорбции водой в газовую фазу выделяется часть оксида азота. Поэтому для его улавливания в процесс вводится разбавленный раствор пероксида водорода с получением азотной кислоты. Если в реакторе обеспечить циркуляцию HNO₃, то физическая абсорбция оксидов азота увеличивается, особенно, если в процессе используется катализатор.

При абсорбции оксидов азота щелочами используют растворы щелочей и солей.

Для очистки газов от NO₂ при отсутствии в газовой фазе O₂ применяют селективные сорбенты, такие как растворы FeSO₄, FeCl₂, N₂S₂O₃, NaHCO₃. Раствор FeSO₄ наиболее доступен и эффективен. Образующиеся при его взаимодействии с NO₂ комплексы при нагреве до 95-100^о С практически полностью распадаются и NO выделяется в чистом виде, а восстановленный раствор возвращается в процесс очистки от NO₂.

Очистка от галогенов и их соединений

В металлургии в достаточно больших количествах выделяются фторосодержащие газы, особенно при электролитическом получении алюминия. Для абсорбции фтористых газов можно использовать воду, водные растворы щелочей, солей и некоторые водные суспензии.

При абсорбции водой HF и SiF₄ хорошо растворяются и степень их улавливания достигает 90-95 %. Получаемые растворы кислот (HF и H₂SiF₆) концентрируются для получения потребительных продуктов.

Для абсорбции фтористых газов можно использовать раствор поташа, насыщенный фторидом натрия. Образующийся осадок NaF является товарным продуктом, а маточный раствор возвращают на абсорбцию фтористых газов.

Во вторалюминатном способе фторид водорода улавливают в водном растворе, содержащем 0,5-6,0 % AlF₃. Образующаяся фторалюминиевая кислота частично нейтрализуется гидроксидом алюминия с получением AlF₃, возвращаемого в процесс абсорбции, а вторая часть кислоты перерабатывается в криолит Na₃AlF₆.

Очистка газов от хлора и его соединений

В металлургии наибольшее количество хлоросодержащих газов образуется в таких процессах, как электролитическое производство магния из его хлоридов, получение методом хлорирующего обжига цветных металлов и др.

Для абсорбции хлоросодержащих газов используют воду, водные растворы щелочей и органических веществ, водные суспензии и органические растворители. Наибольшее практическое применение нашли растворы NaOH и водная суспензия Ca(OH)₂. При обработке известковым молоком образуются хлорид и хлорат кальция, которые можно использовать для обеззараживания сточных вод, но степень очистки недостаточна, а степень использования абсорбента относительно низкая.

Применение водных растворов NaOH, Ca(OH)₂ для абсорбции HCl позволяет рекуперировать хлорид водорода с получением ряда ценных продуктов (CaCl₂, FeCl₃, ZnCl₂, BaCl₂, NaCl).

Эффективными сорбентами хлора являются тетрахлориды углерода (CCl₄), титана (TiCl₄), хлориды серы.

На ряде предприятий цветной металлургии для очистки газов от хлора используют раствор хлорида железа FeCl₂, который при абсорбции Cl₂ переходит в FeCl₃, являющийся товарным продуктом.

Очистка от оксида углерода

Оксид углерода является составной частью практически всех технологических газов, образующихся в процессах производства металлов и сплавов.

Для очистки газов от СО используют абсорбцию или промывку газа жидким азотом. Последний способ металлургии не применяется из-за высоких затрат.

Медно-аммиачная очистка проводится карбонатными, формиатными или ацетатными растворами, при взаимодействии с которыми оксид углерода образует комплексное медно-аммиачное соединение. Образующийся раствор имеет слабощелочной характер, поэтому одновременно поглощается диоксид углерода.

При наличии в очищаемом газе кислорода и больших количеств диоксида углерода применяют абсорбцию оксида углерода медь-алюминий-хлоридными растворами. Эти растворы образуются из смешанной соли тетрахлорида меди и алюминия в различных ароматических углеводородах.

Лекция 18 Обезвреживание выбросов в металлургии. Адсорбционные методы очистки газов. Каталитическая и термическая очистка газов

Данные методы применяют в случае относительно невысоких концентраций в отходящих газах газообразных и парообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов они позволяют проводить очистку при повышенных температурах.

Целевой продукт, находящийся в очищаемом газе, называется адсорбтивом, этот же компонент в адсорбтированном состоянии называют адсорбатом.

В качестве адсорбентов используют синтетические или естественные пористые материалы с высокоразвитой поверхностью.

Пористые адсорбенты для промышленных целей представлены активными углями, силикагелями, алюмогелями (активный оксид алюминия), цеолитами и ионитами. Иониты являются перспективными сорбентами, но пока не нашли промышленного применения в металлургии.

Активные угли плохо сорбируют полярные вещества (например, воду). Поэтому они применимы для очистки газов с различной влажностью. Активные угли, производимые из естественных материалов (торф, каменноугольная смола и др.), являются горючими и имеют невысокую механическую прочность. Поэтому на их смену приходят нетрадиционные углеродные адсорбенты из полимерных материалов, молекулярно-ситовые активные угли, активированные углеродные волокна.

Силикагели представляют гидратированные аморфные кремнеземы (SiO₂ nH₂O), которые являются реакционноспособными соединениями переменного состава.

По характеру пористой структуры силикагели классифицируют на крупно-, средне- и мелкопористые. Силикагели служат для поглощения полярных веществ. Они негорючи, характеризуются низкой температурой регенерации (100-200^о С) и механически прочны.

Алюмогели (Al₂O₃ nH₂O) получают прокаливанием различных гидроксидов алюминия. В отличие от силикагелей алюмогели стойки к воздействию капельной влаги, поэтому их используют для улавливания полярных органических соединений и осушки газов.

Цеолиты представляют собой алюмосиликаты, содержащие щелочные и щелочно-земельные металлы. Поглощение примесей цеолитами происходит в основном в их адсорбционных полостях.

Цеолиты получают при разработке природных месторождений или синтетическим путем. Серийно выпускаемые марки цеолитов ориентированы на определенные компоненты адсорбируемых примесей, pH среды. Из природных цеолитов применяют клиноптилотит, морденит и эрионит. Ограничением для их использования в естественных формах является наличие в них примесей и сопутствующих пород. Цеолиты обладают значительной сорбционной способностью к парам воды, достаточно активны к поглощению примесей при температурах 150-200^о С, у них предельные величины адсорбции ниже, чем у силикагелей и алюмогелей.

Очистка газов от оксидов азота

В промышленной практике использование адсорбентов для очистки отходящих газов от оксидов азота весьма ограничено. Это связано с целым рядом причин как технологического, так и экономического характера. Для денитрификации отходящих газов можно использовать минеральные сорбенты (торф, бурые угли, фосфатное сырье, лигнин). Но при этом твердые продукты газоочистки не подлежат регенерации и могут использоваться как органоминеральные удобрения или промышленные реагенты. Эксплуатационные расходы на такие процессы достаточно велики и не всегда оправданы.

Очистка газов от диоксида серы

Недостатки абсорбционных методов очистки газов от диоксида серы привели к разработке процессов, основанных на использовании твердых хемосорбентов, вводимых в пылевидной форме в поток очищаемого газа. В качестве хемосорбентов используют известняк, доломит, известь с добавками неорганических солей (оксихлорида меди, оксида магния и других оксидов металлов) в качестве активаторов хемосорбции.

К сухим методам очистки газов от SO₂ относят каталитическое окисление и поглощение диоксида серы адсорбентами, в качестве которых применяют углеродные поглотители (активные угли и полукоксы). Отдельные разновидности этих процессов позволяют наряду с SO₂ извлекать из отходящих газов оксиды азота.

Как эффективные поглотители SO₂ хорошо зарекомендовали себя кислостойкие цеолиты, в том числе природные. Они способны поглощать значительные количества диоксида серы при низких его концентрациях в отходящих газах и при повышенных температурах.

Общим сдерживающим фактором массового применения адсорбционных методов наряду с повышенными затратами тепла на регенерацию адсорбентов являются высокие капитальные затраты на оборудование, работающее при повышенных температурах в коррозионно-активных средах.

Очистка от галогенов и их соединений

Наиболее доступными твердыми хемосорбентами фторида водорода являются известняк, алюмогели, нефелиновые сиениты, фторид натрия. Процесс имеет достаточно простое аппаратурное оформление. В адсорбер загружается слой сорбента (например, куски известняка фракции 6-40 мм). При температуре более 350^о С HF реагирует с адсорбентом с образованием на поверхности кусков рыхлой оболочки фторида кальция. Насыщенный поглотитель подвергается грохочению. Остающийся на решетке сита «бедный» адсорбент (20-40 % CaF₂) повторно используют в адсорбере, а «богатый» подрешетный адсорбент (80-95 % CaF₂) является товарным флюоритом. Эффективность очистки газов от HF составляет 95 %.

Очистка газов от хлора и хлорида водорода

В качестве адсорбентов промышленного применения можно использовать хлороксид железа и хлорид закисной меди в смеси с оксидом магния, сульфаты и фосфаты меди, свинца, кадмия, образующие комплексы с двумя молекулами HCl, некоторые органические полимерные материалы, промышленные отходы. Среди последних наибольший интерес представляют доменные и сталеплавильные шлаки и пыли, продукты щелочной обработки бокситов, оксид алюминия, золы от сжигания городского мусора, некоторые виды глин в отходах добычи руд (в том числе цеолиты).

Данные адсорбенты можно использовать для обработки газов с относительно низким содержанием HCl в широком интервале температур.

Продукты регенерации поглотителя HCl, а также восстановленного Cl₂ обладают потребительными свойствами. Ограничением в массовом применении этих адсорбентов являются достаточно значительные затраты на процесс их регенерации.

Очистка газов от сероводорода и сероорганических соединений

Процесс очистки газов от H₂S гидрооксидом железа используется металлургами много лет. Реакция поглощения происходит с образованием Fe₂S₃ и небольших количеств FeS. Последующее окисление кислородом сульфидной серы приводит к образованию гидрооксида железа и элементарной серы.

В последние годы значительный интерес проявляется к использованию красных шламов влажностью 50-55 %, содержащих 45-48 % Fe₂O₃ (на сухое вещество). Эти отходы производства глинозема из бокситов накоплены в больших количествах, практически не перерабатываются, образуя техногенные месторождения весьма ценных веществ, в том числе редких и рассеянных элементов.

Активные угли являются эффективными поглотителями H₂S, но их применение оправдано для очистки газов с содержанием сероводорода до 5 г/м³, поскольку процесс идет с интенсивными тепловыделениями, т.е. связан с риском возгорания угля и взрыва.

Синтетические цеолиты дают оптимальные результаты при очистке газов, содержащих до 2 % H₂S, но их применение ограничивается высокой стоимостью.

Для промышленной очистки газов от сероорганических соединений (CS₂, COS, тиофены, меркантаны, тиоэфиры) применяют как хемосорбционные, так и адсорбционные методы. Большинство хемосорбционных методов основано на использовании сорбентов, получаемых из оксидов меди, цинка, железа. Процесс ведется при 200-400^о С с получением достаточно устойчивых соединений, которые регенерируются с выделением поглотителя и улавливаемого продукта. Адсорбционные методы основаны на использовании активных углей и цеолитов. Активные угли хорошо сорбируют сероуглерод и тиофены при компактной температуре, но слабо активны к поглощению серооксида углерода и дисульфидов. Синтетические цеолиты хорошо адсорбируют тиофены, но менее активны к другим сероорганическим соединениям, чем активные угли. Отметим, что адсорбционные методы характеризуются возможностью регенерации и многократного использования адсорбентов.

Очистка газов от паров ртути

В отходящих газах предприятий цветной металлургии ртуть и ее соединения находятся в виде паров и аэрозолей, входят в состав некоторых пылей в адсорбированной или растворенной формах. Эти различия определяют значительное число предложенных методов очистки, которые условно делят на физические (конденсационные, абсорбционные, адсорбционные) и химические (хемосорбционные, газофазные). Для предварительной очистки в практике применяют физические методы, а глубокую очистку проводят индивидуальными или комбинированными химическими методами.

Хемосорбционные жидкостные методы используют при необходимости удаления из концентрированных газов сложного состава наряду со ртутью некоторых других компонентов. При необходимости глубокой демеркуризации значительных объемов отходящих газов наиболее часто используются адсорбционные методы.

Используемые для извлечения ртути из отходящих газов активные угли предварительно модифицируют обработкой различными сульфатирующими, сульфидирующими, галлоидирующими добавками (серной кислотой, хлоридами железа, серой, сульфидами металлов и др.).

Для очистки можно использовать и другие адсорбенты (силикагели, цеолиты, глинозем) и вещества с большой поверхностью контакта (пемза, оксид магния, кремнезем), различные волокнистые материалы.

Суть каталитических процессов заключается в реализации химических взаимодействий, приводящих к конверсии вредных примесей в безопасные продукты в присутствии катализаторов. Процесс проходит на границе раздела фаз конвертируемой готовой смеси и катализатора. При этом активность катализатора определяется совокупностью физико-химических свойств как самого катализатора, так и конвертируемого газа.

Твердофазная очистка газов от оксидов азота

Для обезвреживания оксидов азота применяют высокотемпературное каталитическое восстановление и разложение гетерогенными восстановителями.

Процесс высокотемпературного каталитического восстановления происходит при контакте нитрозных газов с газами-восстановителями в присутствии катализатора (палладий, рутений, платина, родий – сильные катализаторы; пористые материалы или непористые материалы, включающие оксид алюминия, силикагели, металлические ленты и др.) – менее эффективные, но более дешевые катализаторы.

Восстановителями являются метан, природный, коксовый газы, оксид углерода, водород или азотно-водородная смесь.

Процессы высокотемпературного каталитического восстановления обеспечивают высокую степень очистки от NO_x, но они требуют затрат на очистку конвертированных газов от оксида углерода (0,1-0,15 % объемных) и применимы для нейтрализации газов, содержащих до 0,5 % NO_x и до 4-5 % О₂.

Селективное каталитическое восстановление оксидов азота

Этот процесс выгодно отличается от высокотемпературного тем, что используется в основном избирательно. Восстановитель (как правило, аммиак) реагирует преимущественно с NO_x и почти не взаимодействует с находящимся в нитрозных газах кислородом. В результате реакций образуются азот и вода, а температура процесса в зоне катализа не превышает 180-360^о.

В качестве эффективных катализаторов при восстановлении нитрозных газов аммиаком, содержащих до 30 % NO_x, используют цеолиты. Селективное каталитическое восстановление NO_x можно применять для очистки нитрозных газов, содержащих пыль и SO₂.

При высоких температурах (500-1300^о С) дефиксация азота может быть проведена на твердых углеродсодержащих материалах (уголь, кокс, графит). В таких процессах углерод выполняет функции как катализатора, так и топлива.

Представляет интерес процесс разложения NO_x с использованием гомогенных и гетерогенных восстановителей, в качестве которых применяют горючие газы и аммиак. При обработке небольших объемов слабоокисленных отходящих газов проводят гомогенное восстановление природным газом. Подогретые до 400^о С газы вводят в реактор, где сжигается природный газ. При температуре 1000-1100^о С происходит полное разложение NO_x. Данный метод экономически более выгоден, чем каталитические и щелочные методы. Для обработки больших объемов высокоокисленных отходящих газов с относительно небольшими концентрациями NO_x в качестве гомогенного восстановителя используют аммиак. Это позволяет разлагать NO_x при невысоких температурах с проведением экзотермических реакций образования NH₄NO₂ и NH₄NO₃ с последующим их распадом на азот, воду и кислород.

При более низких температурах разложение NO_x ведется на основе восстановительного метода обезвреживания нитрозных газов органическими соединениями угольной кислоты - в виде водных растворов или растворов в азотной, серной или фосфорной кислотах.

Каталитическая очистка газов от диоксида серы

Применяют две технологии обработки отходящих газов. Первая из них основана на окислении SO₂ и SO₃ нитрозными газами, содержащими NO₂. В процессе взаимодействия образуется серная кислота и NO. Затем NO окисляется до N₂O₃ вводимым в реактор кислородом воздуха, а пары H₂SO₄ и N₂O₃ обрабатываются 80 %-ной серной кислотой, что приводит к образованию нитрозилсерной кислоты. Последнюю продувают воздухом с выделением NO₂ с образованием H₂SO₄. Серную кислоту возвращают на отмывку отходящих газов, а ее избыток выделяют в качестве товарного продукта.

Второй метод основан на улавливании SO₂ из очищенного от твердых примесей отходящего газа в реакторе при температуре 450^о С. Газы взаимодействуют в присутствии ванадиевого катализатора с кислородом с образованием SO₃. После этого их охлаждают до 230^о С, промывают в абсорбере серной кислотой, а образующийся сернокислотный туман улавливают на волокнистом фильтре. Получаемым продуктом является 80 %-ная серная кислота.

Каталитическая очистка от органических веществ

Присутствующие в отходящих газах пары органических соединений в большинстве случаев подвергают деструктивной каталитической очистке. Для этого используют катализаторы на основе меди, хрома, кобальта, марганца, платины, палладия, никеля и других металлов. В ряде случаев возможно применение природных бокситов и цеолитов.

Катализаторы наносят на листы, сетки, ленты, спирали из нержавеющей стали или на керамические пористые изделия (чаще всего из оксида алюминия). Так, для очистки газов от сероорганических соединений они сначала окисляются, а затем гидратируются в присутствии катализатора при температурах 300-500^о С в атмосфере водорода и водяных паров. Образующийся сероводород адсорбируется, а отработанный поглотитель регенерируется и возвращается в процесс.

Каталитическая очистка от оксида углерода

Данный метод является наиболее рациональным для очистки газов от СО. Для окисления примеси используют марганцевые, медно-хромовые катализаторы и металлы платиновой группы.

Используемые для обезвреживания СО катализаторы должны обеспечивать при 220-240^о С степень конверсии оксида углерода не менее 80 % в условиях больших количеств сильно запыленных потоков и быть устойчивыми к присутствующим в отходящих газах каталитическим ядам.

Высокотемпературное обезвреживание газов

Отходящие газы многих металлургических переделов содержат токсичные горючие компоненты. Поэтому сжигание таких примесей с получением менее опасных веществ является широко применяемым способом обезвреживания. Для высокотемпературных газов этот процесс реализуется подачей в отходящие газы кислорода воздуха. Если температура газов ниже предела воспламенения горючих примесей, то применяют дожигание таких примесей с использованием горелочных устройств. Естественно, что при высоком содержании горючих компонентов в технологическом газе он используется в качестве топлива для производства энергии.