Лекция № 27. Переработка отходов металлургии

План лекции:

1. Переработка шлаков плазменным методом.

2. Переработка шламов и пылей черной металлургии плазменным методом.

Образование шлаков - неизбежное следствие всех существующих пирометаллургических процессов. До настоящего времени основным способом утилизации металлургических шлаков остается складирование. Такой способ представляет угрозу для окружающей среды - большинство шлаков содержит существенное количество тяжелых металлов, которые могут выщелачиваться дождями.

Одним из мировых лидеров в области создания технологий переработки металлургических шлаков является фирма Mintek (ЮАР). Для этих целей с конца 70-х годов фирма использует электропечи постоянного тока с перенесенными плазменными дугами [2]. Эти печи работают на постоянном токе. В качестве катода используется полый графитированный электрод с центральной подачей плазмообразующего газа, в качестве анода - ванна жидкого металла. Содержимое печи (расплав) является частью электрической цепи.

Печь состоит из облицованной огнеупором стальной цилиндрической оболочки и крышки (рис. 74). Крышка содержит центральное отверстие для графитового электрода и загрузочные отверстия, равномерно распределенные вокруг электрода. Металлоприемник выложен графито-магнезитными кирпичами, поверх которых уложен слой бронированных кирпичей (чтобы сделать их электропроводными). Металлоприемник находится в контакте с расплавом и связан с анодными шинами. Особенность источника питания - высокое значение напряжения (1200 В). Это продиктовано высоким сопротивлением шлака.

Рисунок 74 . Схема плазменно-дуговой печи фирмы Mintek

Описанная плазменно-дуговая печь используется в разработанном фирмой Mintek процессе Enviroplas, который успешно применяется для переработки различных металлургических шлаков. Так, например, в июле 1999 г. фирма Anglovaal Mining Limited (ЮАР) купила шлаковый отвал Nkana и объявила о планах вложения 100 млн. долларов в завод для переработки шлака, имея целью производство 4000 т кобальта и 3500 т меди в год. Данный отвал образовался в результате шестидесяти лет добычи медной руды и выплавки меди, занимает площадь в 1 кв. км и содержит приблизительно 20 млн. т шлака, содержащего от 0,3 до 2,6 % кобальта.

Так как кобальт присутствует в шлаке в форме оксида, процент его восстановления был бы очень низким, если бы применялась переработка шлака в печи переменного тока, поскольку этот процесс предполагает использование механизма гравитационного осаждения. Для получения необходимого эффекта необходимо создать восстановительные условия в печи, и как показал опыт Mintek, эти условия могут быть достигнуты путем добавления углерода в шихту дуговой электропечи постоянного тока.

1- подача шлака, 2- подача флюса и кокса, 3- смесители, 4 –плазменная печь предварительной плавки, 5 – плазменная печь, 6- камера дожигания газов, 7- теплообменник, 8-газоочистка, 9- конденсатор, 10- металл, 11 –шлак, 12 - цинк

Рисунок 74. Схема процесса Enviroplas переработки

цинксодержащих шлаков

Плазменно-дуговая электропечь постоянного тока - ключевой компонент процесса ConRoast, который рассматривается как существенное продвижение в развитии технологии получения металлов платиновой группы (МПГ). Существующие технологи производства МПГ основаны на традиционном процессе выплавки штейна, где МПГ сконцентрированы в сульфидной фазе и связаны сульфидами основного металла. Плавка сопровождается высокими выбросами SO₂. Процесс ConRoast решает задачу выброса SO₂ полным окислительным обжигом сульфидного концентрата до выплавки в дуговой печи постоянного тока. Плавка окисленной шихты выполняется в плазменно-дуговой печи постоянного тока при восстановительных условиях. Опыты показали, что образующийся после обработки шлак имеют настолько низкое содержание МПГ, может сбрасываться на свалку или использоваться для других целей. Другой тип сырья с низким содержанием серы (например, низкосортные высокохромистые концентраты или возвратные хвосты), может вводиться в дуговую электропечь постоянного тока без предварительного обжига.

Таким образом, на сегодня чуть ли не единственным примером успешной реализации экономически выгодной переработки шлаков являются результаты фирмы Mintek. Промышленные технологии плазменной переработки шлаков, реализованные на ряде предприятий Японии, Франции, Швеции вряд ли можно считать оптимальными, поскольку при их реализации в шлаке остается большое количество ценных металлов. По крайней мере, часть, этих металлов могла бы быть извлечена на основе двухэтапного процесса типа Enviroplas. В свою очередь установки Mintek также не лишены недостатков. Это в первую очередь высокий уровень напряжения. Необходимость продувки расплава азотом усложняет технологический процесс и оборудование и снижает эффективный КПД.

В качестве новых идей в переработке шлаков могут рассматриваться дуговые печи постоянного тока нового поколения, разработанных фирмой «ЭКТА». Эти печи успешно применяются в литейном производстве и по ряду показателей превосходят современные аналоги. При создании печей за основу взята конструкция дуговой печи без водоохлаждаемых элементов под футеровкой подины. Для подвода тока к шихте используются подовые электроды в виде стальных листов в глубине футеровки, приваренные к медно-стальной базе, охлаждение которой вынесено за кожух подины

Уникально и особенностью «ЭКТА», делающих перспективными для использования при переработке шлаков, является применение магнитогидродинамического (МГД) перемешивания расплава. Этот эффект достигается за счет растекания тока от опорного пятна дуги к расположенным на периферии ванны подовым электродам (рис. 75).

Рисунок 75. Схема работы печи с МГД перемешиванием расплава

МГД перемешивание управление расплавлением шихты предотвращает локальный перегрев металла. Об эффективности такого способа можно судить хотя бы по тому, что в дуговых печах с МГД перемешиванием успешно производят плавку алюминия, что в обычных дуговых печах невозможно.

Применительно к утилизации пылей и шламов черной металлургии плазменные технологии используют в ряде стран.

На заводе фирмы «Скэндаст» (Швеция) для переработки стале­плавильных пылей эксплуатируется установка проектной мощностью 70 тыс. т/год, работающая процессом «Плазмадаст» (рис. 76).

1, 2 — бункера для отходов и угля соответственно; 3 — мельница; 4 — смеситель; 5 — фильтр; 6 — дробилка; 7 — классификатор; 8 — циклон; 9 — плазматрон; 10 — шахтная печь; 11, 12 — бун­кера для оксидов цинка и свинца соответственно; 13 — газоохлади- тель; 14 — компрессор; 15, 16 — емкости для железосодержащих продуктов и шлака соответственно.

Рисунок 76. Схема процесса Плазмадаст

В шлам добавляют воду (до ее содержания 50%) уголь и флюс (песок), смесь перемешивают, обезвоживают, и подают питателем в шахтную печь, оборудованную тремя плазматронами мощностью по 6 МВт. В струе плазмы происходит плавление и восстановление оксидов металлов. При этом цинк и сви­нец испаряются и выносятся из печи с отходящими газами, собираясь затем в виде жидкого металла в конденсаторе.

Железо после восстановления скапливается в нижней части печи и сливается в ковшы.Готовой продукцией являются 15 тыс. т цинка с содержанием 1-2% свинца, 28 тыс. т свинца, 13,8 тыс. т чугуна, 30 тыс. т шлака, используемого в строительстве. Часть колошникового газа после компримирования применяют в каче­стве технологического в плазматроне, другую часть его направляют на сушку сырьевой смеси.

Итальянская фирма «Acciai Special Terni» создала Ilserv-process переработки пылей и шламов, прокатной окалины в плазменно-дуговой печи постоянного тока мощностью 7 МВт при производительности установки 20 тыс. т/год по исходному сырью. Железосодержащие материалы, уголь и известь непрерывно загружают через сводовое от­верстие печи, расплавляя их в плазменно-дуговой зоне. Плазмообра­зующим газом служит азот, вдуваемый в печь через центральный канал в графитовом электроде. Продуктами плавки являются возгоны, хромо-никеле-марганцевые сплавы, шлак. В возгоны переходят оксиды цинка, кадмия, свинца, образующие шлам с высоким их содержанием, перерабатываемый на заводах цветной металлургии. В сплавы переходит более 95%Ni и 85%Сr. Их используют в шихте дуговых сталели­тейных печей. Шлак находит применение в строительстве.

Фирмой «Дэйви Мак-Ки» (Великобритания) разработан комбини­рованный процесс производства чугуна и ферросплавов путем предва­рительного восстановления шихтовых материалов в реакторе с кипящим слоем и последующей плавкой в плазменной печи. Особенно­стью последней является наличие в ее верхней части водоохлаждаемого патрубка, защищающего расположенный в нем плазматрон с не расходуемым катодом от налипания капель расплава. Поскольку анод за футерован в подине печи, плазменная дуга, стабилизируемая аргоном, образуется между катодом и расплавом. Пыль, предварительно смешанную с коксом и флюсом, вдува­ют с достаточно высокой скоростью в печь через тангенциальные от­верстия в стенке, расположенные на уровне нижнего торца плазматрона. При температуре в ванне печи около 1600°С образуются шлак и металл. Возгоняющиеся пары цинка, свинца и кадмия извле­каются из отходящих газов конденсацией в футерованной камере с жидким цинком, разбрызгиваемым с помощью мешалки. При переработке по рассматриваемой технологии отходов (28,8% Ре20з; 22% ZnO; 3,6% РЬз04; 24,4% СаО) с добавлени­ем коксика и песка получены чугун, маложелезистый шлак (2-4% FeO_x) и возгоны, содержащие 30-76% ZnO и до 10% Р₃О₄. В настоящее время по этой технологии в Австралии и Южной Корее уже работают печи мощностью 1 и 3 МВт.

Плазменные технологии утилизации отходов применяют и в ряде других стран (Австрия, Бельгия, Канада, Германия и пр.).

Контрольные вопросы

1. Процесс Enviroplas.

2. Процесс Плазмадаст.

Литература

1. Лотош В.Е. Переработка отходов природопользования. Книга третья. Екатеринбург. Полиграф. 2007. – 503с.

2. Краснов А.Н., Шаривкер С.Ю., Зильберберг В.Г. Низкотемпературная плазма в металлургии. М., "Металлургия", 1970. – 242с.