Лекция 2 Загрязнения и отходы в металлургическом производстве

Загрязнение окружающей среды предприятиями металлургической отрасли

В мире потребляются миллиарды тонн минерального сырья, топлива, воды, атмосферного кислорода, а в готовый продукт переходит около 1% затраченных природных ресурсов. При этом ежегодно в атмосферу выбрасывается ок. 1 млрд. т аэрозолей и газов (в т.ч. СО, SO2, NO, NO2), приблизительно столько же сажи; в природные водоемы поступает больше 500 млрд. т промышленных и бытовых стоков. Отходы и выбросы истощают запасы невозобновляемых природных ресурсов и оказывают вредное, а порой и смертельное влияние на окружающую среду и на условия жизни человека. Наиболее серьезное влияние на ОС оказывает металлургия, в частности черная.

Металлургия является энерго- и ресурсоемкой отраслью. При ежегодном потреблении нескольких тысяч тонн минеральных ресурсов в конечную продукцию переходит не более 30%, остальное же количество образуют отходы производства. Так, металлургический завод полного цикла с производительностью 10 млн. т стали в год, до введения строгого контроля выбрасывал ежегодно в атмосферу больше 200 тыс. т пыли, 50 тыс. т соединений серы, 250 тыс. т оксида углерода, оксидов азота и др. веществ. Концентрация пыли в выбросах достигала 50-120 кг/т получаемой стали.

В усовершенствованных металлургических процессах эти выбросы снижаются до 10 кг/т стали. Газообразные выбросы металлургических заводов составляют около 2500 м3/т стали. Источником сернистых соединений, выбрасываемых в атмосферу, являются, главным образом, кокс (40-60%) и руда (5-30%). Со шлаками из металлургических агрегатов удаляется 45-55% серы, а в стальные изделия переходит до 6% серы, остальное количество серы выбрасывается в атмосферу.

Главным источником выброса SO2 является агломерирование (45-55% от общих выбросов SO2). Значительное количество SO2 или H2S выбрасывается в атмосферу во время остывания и переработки шлака (10-35%).

Остальное количество SO2 поступает в окружающую среду из труб котельных установок, сталелитейных и прокатных цехов. Цианистый водород HCN присутствует, главным образом, в доменном газе. Концентрация его составляет, мг/м3: при производстве передельного чугуна 200-400, при производстве зеркального чугуна 300-400 и при производстве ферромарганца 1500-3500.

Выбросы цианистого водорода агрегатами коксового завода могут достигать 0,5 кг/т кокса. Окислы азота образуются в доменных, мартеновских и нагревательных печах, в печах коксохимического производства и в паровых котлах.

В доменных печах источником выброса окислов азота являются доменные воздухонагреватели, в уходящих газах которых содержание NОx составляет (1,7÷6,6)·10-4%. Концентрация окислов азота в вертикальных каналах мартеновских печей при отоплении без интенсификаторов составляет в среднем 0,03%; при подаче кислорода она возрастает до 0,1% и в ряде случаев достигает 0,25%. Среднее количество выбросов окислов азота составляет 2,5 кг/т стали.

Окись углерода образуется в основном в агломерационных, коксохимических и доменных цехах, т.е. в технологических циклах, не являющихся основными потребителями газового топлива. Содержание СО в мартеновских печах с кислородной продувкой составляет 0,53 кг/т стали, а в уходящих газах печей прокатного производства невелико и при отработанном режиме работы не превышает 0,1%. После предприятий ТЭК металлургия занимает второе место среди отраслей промышленности по степени ущерба, наносимого ОС. За последнее десятилетие наблюдается заметное снижение производства основных видов продукции отрасли. Тем не менее, степень вредности влияния на ОС все еще высока. Наиболее сильное воздействие черная металлургия оказывает на атмосферный воздух и поверхностные воды, а также на уровень загрязненности подземных вод и почв. Основные источники атмосферных выбросов в черной металлургии: В агломерационном производстве – агломерационные машины, машины для обжига окатышей; При производстве чугуна и стали – доменные, мартеновские и дуговые печи, установки непрерывной разливки стали, травильные отделения, ваграночные печи;

Дробильно-размольное оборудование, места разгрузки-погрузки и пересыпки материалов. В городах, где расположены крупные предприятия отрасли, отмечаются высокие уровни загрязнения воздуха несколькими примесями, в т.ч. высокого класса опасности. Максимальные концентрации примесей достигали 10-155 ПДК. Снижение выбросов в последние годы происходит в основном за счет снижения объемов производства, а не за счет осуществления природоохранных мероприятий. На долю черной металлургии приходится 1/7 всех атмосферных выбросов от промышленных стационарных источников. Особенно существенна доля 6-ти валентного хрома. По объему сброса загрязненных стоков вклад отрасли оценивается на уровне 1/14 общего объема сброса сточных вод этой категории в целом по промышленности Украины. Тем не менее, ежегодно сбрасывается около 1 млн. м3 сточных вод, 85% из них - загрязненные. Вместе со сточными водами сбрасываются значительные количества загрязняющих веществ, в т.ч. взвешенные частицы, сульфаты, хлориды, соединения железа, тяжелых металлов и т.п. По данным аэрокосмической съемки снежного покрова, зона действия предприятий черной металлургии просматривается на расстоянии до 60 км от источника загрязнения.

В общем случае источник загрязнения природной среды можно классифицировать по:

-происхождению

а) искусственные – антропогенные (удельный вес 90%),

б) естественные;

-месту поступления

а) континентальные,

б) морские,

в) атмосферные;

-временному признаку

а) постоянные,

б) эпизодические,

в) разовые,

г) случайные;

-пространственно-временному признаку

а) фиксированные,

б) нефиксированные.

В атмосферу, водоемы и почву в мире ежегодно выбрасывается больше 3 млрд. т твердых промышленных отходов, 500 км3 опасных стоков и около 1 млрд. т аэрозолей, разных по крупности частиц и химическому составу.

Номенклатурный состав ядовитых загрязнений содержит более 800 веществ, в т.ч. мутагены, влияющие на наследственность; канцерогены – на зарождение и развитие злокачественных новообразований; нервные и кровяные яды – на отдельные организмы и др. Содержание этих веществ в воздухе иногда в 3-10 раз превышает ПДК.

Наиболее высокий уровень загрязнения в городских условиях характерен для тяжелых металлов, таких как, свинец, ртуть, хром и никель. Тяжелые металлы способны накапливаться в организме человека и приводить к тяжелым последствиям, так как они обладают мутагенными, канцерогенными и тератогенными (повреждающими зародыш действиями некоторых химических веществ и биологических агентов с возникновением аномалий и пороков развития) свойствами.

Техногенная доля цинка и меди в атмосфере составляет примерно 75%, кадмия и ртути – 50, никеля – 30, кобальта – 10%. Наиболее высокой эмиссией отличается свинец; по различным оценкам она достигает 80%.

Классификации загрязнений

Техногенные загрязнения в общем виде классифицируются по двум группам:

1) материальные – запыление атмосферы, твердые частицы в воде и почве, газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы;

2) энергетические – теплота, шум, вибрация, ультразвук, свет, электромагнитное поле, ионизирующие излучения.

Радиоактивные отходы относятся к обеим группам. В основу классификации материальных загрязнений принята среда их распространения (атмосфера, гидросфера, литосфера), их агрегатное состояние, применяемые методы обезвреживания и степень токсичности загрязнений. Материальные загрязнения подразделяются на выбросы в атмосферу, сточные воды и твердые отходы. Вредные выбросы в атмосферу делят по агрегатному состоянию и массе веществ, выбрасываемых в единицу времени (обычно т/сутки).

По агрегатному состоянию выделяют газообразные и парообразные загрязнения и промышленную пыль (крупнодисперсную >10мкм и мелкодисперсную <10 мкм).

По степени опасности вредные вещества, выбрасываемые в атмосферу, подразделяются на два класса:

-чрезвычайно опасные, к которым относятся почти все тяжелые металлы;

-высоко опасные.

Производственные сточные воды делят на:

-условно чистые – воды от охлаждения технологического оборудования (после очистки возвращаются в производство при добавлении чистой воды);

-грязные

– резко отличаются по качественному составу не только на разных предприятиях, но и в условиях одного предприятия.

Металлы, попадающие в почву из выбросов и депонированных на полигонах отходов, можно разделить на три класса опасности:

I – к примеру, мышьяк, ртуть, свинец, цинк;

II – кобальт, никель, молибден, медь, хром;

III – ванадий, марганец.

Промышленные твердые отходы кроме классификации по токсичности подразделяются на металлические, неметаллические и комбинированные.

К неметаллическим отходам относят химически инертные (отвалы пустой породы, зола и т.п.) и химически активные (пластмассы, резина и т.п.);

к комбинированным отходам относят промышленный и строительный мусор. Энергетические загрязнения ОС включают промышленные тепловые выбросы, а также все виды излучений и полей.

Тепловые загрязнения биосферы в большей или меньшей степени присущи всем видам производств. Особенно нежелательно воздействие тепловых выбросов на водоемы, т.к. это нарушает водный экологический режим. В идеале предполагаются безотходные или малоотходные схемы промышленного производства.

Поэтому все виды твердых промышленных отходов должны использоваться в виде вторичного сырья. В этом качестве также разработана промышленная классификация, согласно которой отходы подразделяются по физическим признакам на классы, по химическому составу – на группы и марки, по показателям качества – на сорта.

В развитых странах классификация отходов производства осуществляется на основе отраслевого принципа и дополняется уже упомянутыми свойствами отходов такими, как класс опасности, агрегатное состояние, химический состав. Таков же принцип построения Европейского классификатора отходов (ЕКО), разработанного в рамках ЕЭС. Промышленные отходы в Украине классифицируют по следующим критериям:

-отраслям промышленности: черная и цветная металлургия, нефтяная, газовая и рудо- и угледобывающая;

-фазовому состоянию: твердые (пыли, шлаки), жидкие (растворы, эмульсии, суспензии), газообразные (оксиды углерода, азота, соединения серы);

-производственным циклам: добыча сырья (вскрышные и отвальные породы), обогащение (хвосты, шламы, сливы), гидрометаллургия (растворы, осадки, газы).

Данная классификация не отражает социально-экономической целесообразности и эффективности переработки отходов производства. С точки зрения создания экономического механизма, регулирующего процессы переработки отходов металлургического производства, целесообразно классифицировать отходы следующим образом:

1 По технологическому признаку:

-отходы текущего производства

– остаточные продукты переработки минерального сырья за один производственный цикл; -отходы шлаковых отвалов

- остаточные продукты переработки минерального сырья, длительно хранящиеся в отвалах, золо- шламонакопителях и окислившиеся под воздействием атмосферы;

-вторичные отходы, образовавшиеся в результате переработки, т.е. остаточные продукты переработки отходов текущего производства и шлаковых отвалов.

2 По потенциальной социально-экономической эффективности переработки:

-коммерчески значимые

– отходы, конечный продукт переработки которых имеет высокие потребительские свойства и востребован на рынке по коммерческим ценам, что может обеспечить потенциальный коммерческий эффект их переработки;

-экономически значимые

– отходы, за счет вовлечения которых в переработку решаются проблемы обеспечения металлургии сырьем, и экономическая целесообразность переработки которых определяется с учетом всего комплекса сопутствующих эффектов;

-экологически значимые

– отходы, переработка которых необходима и целесообразна с экологических позиций.

Кроме того, существует классификация отходов по гигиеническим и технологическим принципам. Экологически опасные отходы, не принятые в переработку, подлежат захоронению. Для этих целей реально использовать выработанные угольные карьеры, предварительно осуществив природоохранные мероприятия. Например, создать глиняную прослойку толщиной 1 м. Помимо вышеперечисленных классификаций загрязнений существует деление вредных веществ по степени опасности (4 группы):

I – чрезвычайно опасные (ПДК <0,1 мг/м3), примеры – свинец, ртуть, бериллий, озон и др.;

II – высоко опасные (ПДК 0,1-1,0 мг/м3) – окислы азота, йод, марганец, медь, хлор, кремнезем, сероводород, едкие щелочи;

III – умеренно опасные (ПДК 1,0-10 мг/м3) - окислы серы, железа, ацетон;

IV – малоопасные (ПДК >10мг/м3) – аммиак, СО2, бензин, скипидар.

Отдельно необходимо упомянуть о радиоактивном загрязнении. В черной металлургии радиоактивные индикаторы могут применяться в сталеплавильном производстве (для исследования гидродинамики металла и шлака, причин появления неметаллических включений в слитках, скорости кристаллизации и т.д.), в прокатном производстве (например, как неразрушающие методы контроля), в агломерационном производстве (исследование подготовки и окускования шихты), в доменном производстве (напр., для слежения за газовыми потоками). Широкое применение р/а-изотопов, соответственно, сопровождается накоплением большого количества р/а-отходов. В связи с длительным и опасным воздействием этого вида отходов на биосферу и живые организмы разработаны специальные правила, которые регламентирую систему утилизации и захоронения р/а-отходов. Согласно этим правилам выделяются специальные участки, расположенные за пределами перспективного развития населенных пунктов, зон отдыха, профилактических учреждений и т.п. и не ближе 500 м от скрытых водоемов. Вокруг пункта захоронения создается санитарно-защитная зона.