Черная и цветная металлургия

По объему загрязнений одно из первых мест в народном хозяйстве занимает черная и цветная металлургия, металлообрабатывающая промышленность. Производство чугуна и стали сопровождается образованием более десятков млн. т металлургических шлаков, из которых используются технологиями только 50%. Металлургические шлаки содержат железо, тяжелые металлы, мышьяк, сурьму и т.д.

Различные виды металлургического производства и металлообработки формируют значительное количество разнообразных по составу шламов и пыли, которые затем практически не используются и превращаются в отходы производства или загрязнители окружающей среды (накопление шламов с содежанием железа около 50% на заводах черной металлургии только в России достигает 20 млн. т в год.

Черная металлургия. В рамках металлургических комбинатов полного цикла размещаются основные производства (подготовка руды, производство кокса, выплавка чугуна, стали, прокат металла) и обслуживающие (энергетические, транспортные, ремонтно-механические) службы. В настоящее время объем производимого металла на таких крупных предприятиях России, Индии, Китая, США достигает сотен миллионов тонн.

Процессы выплавки чугуна и переработки его в сталь сопровождаются выбросом в атмосферу различных вредных веществ. Подсчитано, что выброс пыли в расчете на 1 т передельного чугуна составляет 4,5 кг, диоксида серы — 2,7 кг, марганца — 0,1-0,6 кг. Наряду с указанными, в атмосферу поступают такие вредные вещества, как соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути, цианистый водород и смолистые вещества. Основным источником загрязнения воздуха диоксидом серы являются агломерационные фабрики (табл. 23).

Таблица 23

Характеристика атмосферных выбросов металлургических
предприятий

Во время агломерации (окусковывания) измельченной руды происходит выгорание серы из сульфосодержащих руд (пиритов). Последние содержат до 10% серы, а после агломерации ее остается всего лишь 0,2-0,8%. Поэтому выброс SO₂ может составить до 190 кг на 1 т руды.

При агломерации концентрация пыли в отходящих газах составляет от 2-7 до 15-20 г/м³. При этом средний состав пыли (%):железа - 50, оксидов кремния, кальция н алюминия – около 10, оксидов углерода, серы и магния примерно по 2. Значительное количество пыли образуется и при транспортировке агломерата, дроблении и грохочении исходных компонентов. Большинство современных заводов черной металлургии имеют цехи коксования углей и отделения по переработке коксового газа.

При размоле угля, загрузке шихты в батареи и выгрузке кокса на коксохимических производствах образуются угольная пыль и сажа. В процессе коксования выделяется газ, содержащий пары углеводородов (смолистых веществ). Количество газообразных выбросов составляет 3-5 м³, смолистых веществ 0,2-0,5 кг на 1 т используемого угля.

Считается, что наиболее серьезное загрязнение воздуха происходит при мокром тушении кокса, в процессе которого выделяется в среднем (кг/т): 0,01-0,04 гидросульфида; 0,05 аммиака; 0,006 цианида; 0,08-0,1 фенола. При нагревании коксовых батарей коксовым и колошниковым газом в отходящих газах может содержаться до 2 г/м³ диоксида серы и 0,2-1,0 г/м³ диоксида азота. Могут быть обнаружены компоненты смолы, бенз(а)пирен, сероводород и др.

В сточных водах коксового производства в качестве основного вещества-загрязнителя выступает фенол (до 2 г/дм³), кроме него часто присутствуют цианиды, роданиды, смолы, масла.

Доменное производство является крупным загрязнителем атмосферы, выбрасывая пыль, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота, сероводород. Особенно значительны выбросы сточных вод, образующихся в процессе производства чугуна. Они содержат частички руды, кокса, известняка, а также химические соединения – сульфаты, хлориды и др. Доменный процесс сопроваждается выходом доменных шлаков и шламов. На 1 т чугуна приходится от 0,4 до 0,65 т доменных шлаков. Состав их сложен, в них встречаются до 30 химических элементов. Основные из них – SiO₂, Al₂O₃, CaO и MgO. Для городов с металлургическими заводами проблема хранения доменных шлаков особенно актуальна, так как они хранятся в пределах заводской площадки, занимая территории и загрязняя окружающую среду.

Доменный (колошниковый газ), образующийся при горении кокса, состоит из диоксида углерода и азота, оксида углерода, водорода и метана. Имея значительную удельную теплоту сгорания (до 4 мДж/м³), он используется как топливо. При этом газ, направляемый потребителю, должен быть полностью очищен от твердых частиц. Количество и состав пыли зависит от вида сырья, содержание ее в колосниковом газе составляет 20-300 кг/т сырого чугуна, концентрация 10-200 г/м³. Пыль состоит из частиц железа, топлива, флюсов, присадок. В кислородных конверторах пыль на 80-85% состоит из оксидов железа.

Значительно загрязняют атмосферу выбросы мартеновских и конвертерных сталеплавильных цехов. При выплавке стали в мартеновских печах пыль образуется при окислении металлической шихты из шлака, руды, известняка и окалины, идущих на окисление примесей шихты, и доломита, применяющегося для заправки пода печи. В период кипения стали выделяются также пары металла, окислов шлака и металла, газы. Преобладающая часть пыли мартеновских печей состоит из триоксида железа (67%) и оксида алюминия (6,7%). При бескислородном процессе на 1 т мартеновской стали выделяется 3000-4000 м³ газов с концентрацией пыли в среднем 0,5 г/м³. При подаче кислорода в зону расплавленного металла пылеобразование многократно увеличивается, достигая 15-52 г/м³.

Производство цветных металлов отличается большой материалоемкостью, энерго-, топливо- и водоемкостью производства, многокомпонентностью сырья, наличием значительного числа экологически вредных производств. Специфика руд цветных металлов обусловлена небольшим содержанием в них основного металла. Поэтому для получения 1 т металла необходимо переработать 100-200 т руды, а в ряде случаев и более. Балластная (неиспользуемая) часть сырья переходит в твердые, жидкие и газообразные отходы. Тенденция вовлечения в переработку все более бедного сырья вызывает увеличение этих отходов.

На единицу выплавляемого металла в цветной металлургии образуется шлаков во много раз больше, чем в черной металлургии. Например, при выплавке 1 тонны никеля образуется до 15 т шлаков, меди соответственно-10-30 т. В состав шлаков входят: оксиды кремния, алюминия, кальция, железа, магния, медь, никель, свинец, кадмий, редкие металлы и др.

При производстве цветных металлов в биосферу поступают: мышьяк, медь, свинец, кадмий, стронций, цинк, алюминий, молибден, вольфрам, никель. В отвалах шлаков на медеплавильных заводах содержатся миллионы т железа, меди, цинка. В шлаковых отвалах свинцовых заводов содержатся миллионы тонн железа, цинка, свинца, меди.

Отрасли цветной металлургии отличаются значительным уровнем водопотребления и высоким уровнем загрязнения вод. Если в черной металлургии для выплавки 1 тонны чугуна расходуется от 25 до 800 м3 воды, то на 1 т алюминия - 1500 м3 воды. Сточные воды этой отрасли содержат грубодисперсные примеси, ионы и соли тяжелых металлов, нефтепродукты, сульфаты, хлориды, фториды, цианиды, мышьяк, сурьму и др. В результате вода становится непригодной не только для хозяйственно-питьевых целей, но и для орошения, а часто и для технического использования.