Введение.
Доменная плавка как процесс и доменная печь как агрегат сформировались в конце средневековья и последние 500-600 лет не изменили своей сущности, сохранив следующие особенности: непрерывный характер процесса, шахтный принцип конструкции, противоточное движение шихты и газа (шихта движется вниз, а нагретые газы и продукты сгорания поднимаются вверх), наличие в одном агрегате зон твердого, пластичного и жидкого состояния, значительный диапазон температур (от 20 до 3500 °С).
Температура в нижней зоне может достигать 2400°С. При такой температуре сгорает все органическое и химическое с образованием летучих оксидов и газов. Но домна устроена так, что ни те ни другие в атмосферу не попадают. Стало быть, домна, что бы в ней ни сжигалось, окружающую среду не загрязняет и представляется идеальным "котлом" для сжигания и полного уничтожения и твердых, и жидких отравляющих веществ.
Нужно сказать, что идея сжигания отравляющих веществ не нова. В девяностые годы только в России запатентованы десятки разных способов и устройств. Например, предлагалось сжигать ОВ в отработанных нефтяных и газовых скважинах, подавая в них вместе с отравой горючее и окислитель, при том под солидным давлением. Способ экологически чист, но требуются глубокие и, главное, прочные скважины. Кроме того, заполнить скважину твердыми ОВ весьма проблематично. Вот и получается, что нет для этого дела ничего лучше домны.
Отходы народного хозяйства в доменной плавке.
До недавнего времени достаточно молодая отрасль переработки твердых бытовых отходов и отсчитывающая не одно тысячелетие черная металлургия сосуществовали параллельно и не пересекались. Стремительное развитие первой привело к появлению новых технологий и новых материалов из вторичных ресурсов, зачастую эффективно заменяющих традиционные. В настоящее время существует множество технических возможностей переработать отходы бумаги, полимеров, резины и т.д.
На начало 1999 года на предприятиях различных отраслей промышленности накопилось около 1500 млн. тонн токсичных отходов производства и потребления. Ежегодно на предприятиях Российской Федерации образуется около 90 млн. тонн токсичных промышленных отходов (ПО), из которых 87 млн. тонн относятся к III и IV классам опасности. Количество отходов потребления, или твердых бытовых отходов (ТБО), ежегодно возрастает в России на 30 млн. тонн.
В 1999 году предприятиями использовано в собственном производстве около 40 млн. тонн (40%) и полностью обезврежено 9 млн. тонн (10%) от общего количества образовавшихся за год отходов. Остальные отходы переданы на полигоны для захоронения.
Развитие черной металлургии всегда было тесно связано с использованием собственных отходов или отходов смежных отраслей. Металлургия является отраслью, полностью перерабатывающей отходы потребления из черных металлов, замыкая таким образом их жизненный цикл. Как отмечает профессор Московского института стали и сплавов Ю.С. Юсфин, «с переработки стального лома в мартеновских печах, конвертерах, а затем и в электропечах началась эра промышленного рециклинга».
В последние годы вовлечение металлургических агрегатов в переработку различных видов отходов наблюдается во всем мире. Металлурги разных стран мира, начиная со второй половины ХХ века, предлагают и успешно реализуют идеи утилизации в высокотемпературных металлургических агрегатах различных горючих компонентов ТБО. Это обусловлено тем, что ни один мусоросжигатель не может конкурировать с такими высокотемпературными металлургическими агрегатами как кислородный конвертер или доменная печь по условиям обезвреживания токсичных отходов, включающим температуру до 2500 – 2700 °С, активную окислительную или восстановительную атмосферу, интенсивный тепло – и массообмен, наличие высокоактивных основных шлаков, связывающих негорючий остаток от сжигания отходов и переводящий его в остеклованный шлак. В таких условиях практически невозможно образование диоксинов. Диокси́ны — это группа полихлорированных полициклических соединений, состоит из сотен веществ близкого строения, одно из самых токсичных синтетических соединений. Кроме этого, мощные металлургические агрегаты оснащены полным набором оборудования для улавливания и очистки выделяющихся газов, а также имеют замкнутую систему водоснабжения.
Наиболее перспективным считается использование пластмассовых отходов (кроме ПВХ) в доменном производстве. Отходы пластмасс проявляют восстановительные свойства и при этом не образуются диоксины. Смешанные отходы пластмасс используются при выплавке стали путем вдувания отходов в доменные печи, т.е. происходит вдувание твердых гранулированных или измельченных отходов пластмасс (Япония, Германия). При этом уничтожаются отходы и используется их теплота горения. Более простым способом является инжекция через фурмы жидкостей, в частности электротехнических (совол, совтол), основу которых составляют полихлорбифенилы (ПХБ). В процессе их производства появляются микропримеси, а при их горении диоксины образуются в чрезвычайно опасных количествах. Это подтверждено последствиями пожаров силовых подстанций. Поэтому в настоящее время ПХБ-материалы выводятся из эксплуатации, и проблема их уничтожения стоит очень остро.
Эксперименты по уничтожению жидких ПХБ-отходов вдуванием в доменную печь с успехом проводятся на НЛМК.
Известно, что металлургические компании Германии и Японии уже более 10 лет перерабатывают отходы пластмасс.
Германская фирма «Stahlwerke Bremen GmbH» перерабатывает в доменных печах свыше 70 тыс. т. в год отходов пластмасс. Регулярный мониторинг выбросов в атмосферу показал, что количество выбросов пыли, SO2 и NOx при использовании пластмасс находится существенно ниже уровня предельно допустимых выбросов. В выбрасываемых в атмосферу газах были обнаружены следовые концентрации диоксинов – менее 0,001 нг/м3, что более чем в 100 раз ниже уровня ПДК диоксинов в атмосферном воздухе, составляющего в Германии 0,1 нг /м3. Фирма «Eko-Stahl» в г. Айзенхюттенштадт вдувает отходы пластмасс в доменные печи с 1996 г. с устойчивым расходом 30-60 кг/т чугуна.
В Японии использование отходов пластмасс в доменных печах ведется с 1993 г. Металлургическая компания «Ниппон Кокан» в г. Кейхане более 10 лет вдувает отходы пластмасс в доменную печь объемом 4907 м3 с расходом до 200 кг/т чугуна, в 2004 г. на переработку на металлургический комбинат было направлено около 20 % муниципальных отходов. По мнению руководителей компании, металлургические предприятия, расположенные вблизи крупных городов, находятся в зоне образования большой массы отходов и их уникальные технологические возможности должны быть использованы для их утилизации. В настоящее время система рециклинга пластмасс, разработанная этой компанией, широко используется другими японскими металлургическими предприятиями, поддерживающими международный стандарт ISO 14001. В состав типичных пластмассовых отходов, утилизируемых в доменных печах, входят офисное оборудование, бутылки и контейнеры, пленка и др. В настоящее время Япония приближается к уровню 1 млн. т в год отходов пластмасс, перерабатываемых в доменных печах, что составляет 10 % от уровня их ежегодного образования.
В России разработки в области переработки отходов в черной металлургии традиционно ведутся государственными техническими университетами – Московским институтом стали и сплавов (МИСИС), Сибирским государственным индустриальным университетом (СибГИУ) и др. Учеными МИСИС разработан ряд технологий переработки отходов пластмасс, отработанных масел и других видов отходов в доменных печах. Проведенные исследования с использованием метода математического моделирования при помощи программ IVTANThermo, позволяющих рассчитать равновесное состояние сложных систем в условиях металлургических агрегатов, показали, что в условиях доменной печи концентрация диоксинов и фуранов составляет менее 10-30 %. На основании полученных результатов учеными МИСИС сделан вывод о том, что появление в отходящих газах доменной печи суперэкотоксикантов (фуранов, диоксинов, HCN, COS и др.) при вдувании в печь пластмасс исключено.
Существует очень интересная разработка в России - «печь Ванюкова». Это совместная разработка институтов «Гинцветмет» и МИСИС при участии Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова – предусматривает сжигание ТБО в условиях, характерных для сталеплавильных агрегатов: высокая температура, наличие шлакового расплава, использование кислородного дутья, мокрая система газоочистки и др. Проведенный комплекс промышленных испытаний данной технологии на печи Ванюкова, установленной на Рязанском опытно-экспериментальном металлургическом заводе, показал, что применение технического кислорода при температурах 1400 – 1700 °С приводит к полному разрушению всех токсичных компонентов отходов. Установлено отсутствие диоксинов на выходе пылегазового потока, в жидких продуктах плавки (шлак, металлосодержащий продукт), а также по газоходному тракту, что свидетельствует о том, что их вторичное образование также не происходило. Это объясняется тем, что условия сжигания ТБО в печи Ванюкова приводит к такому разрушению структурной решетки диоксинов, что их обратимая фрагментация становится практически невозможной.
Таким образом, металлургические агрегаты обеспечивают более безопасное сжигание горючих компонентов отходов, чем мусоросжигательные заводы. Идея использования металлургии для утилизации наиболее трудноутилизируемых видов отходов, включая особо токсичные, принадлежит самим металлургам. Сжигание горючих компонентов отходов в металлургических агрегатах более 10 лет используется в наиболее промышленно развитых странах мира, известных строгим отношением к защите окружающей среды. Отечественный опыт подтверждает возможность и эффективность использования высокотемпературных металлургических агрегатов для утилизации и обезвреживания целого ряда отходов, что позволяет металлургическим предприятиям помочь в решении острых экологических проблем в регионах, на территории которых они размещаются. В связи с этим государственным контролирующим природоохранным организациям целесообразно начать рассматривать металлургию как отрасль, способную эффективно и наиболее безопасно утилизировать и обезвреживать такие отходы как отработанные автомобильные покрышки, неутилизируемая горючая часть после сортировки ТБО, отходы лечебно-профилактических учреждений и другие, и содействовать развитию данного направления.