Загрязнение окружающей среды. Высокотемпературные методы окускования являются одним из крупнейших источников загрязнения окружающей среды
Высокотемпературные методы окускования являются одним из крупнейших источников загрязнения окружающей среды. Например, доля аглофабрик в выделении пыли составляет – 17%, оксидов серы – 46%, оксидов азота – 20%, оксидов углерода – 55% от общих выбросов черной металлургии.
Запыленность газов агломерационного производства равна 1–7 г/м3. Выход пылей составляет 2,5–3,0% от массы шихты. Объем газов равен 2500 м3/т шихты.
Очистка газов осуществляется преимущественно в электрофильтрах (степень пылеулавливания 98,0–99,6%). В России преобладает очистка в батарейных циклонах (степень улавливания 71–83%).
Системы очистки аглогазов от газовых примесей находятся в основном на стадии разработки и внедрения. В нашей стране предлагается производить очистку газов от сернистого ангидрида в скрубберах, орошаемых известняковой суспензией. Продукты сероочистки предлагается использовать как удобрение для кислых почв.
Вопросы для самопроверки
1 Чем вызвана необходимость предварительной подготовки природного и техногенного сырья?
2 По каким признакам оценивается качество природного и техногенного сырья?
3 Назовите основные стадии подготовки сырья к процессам производства различных металлов. Почему их необходимо рассматривать во взаимосвязи между собой?
4 От каких факторов зависит выбор способа обогащения и окомкования сырья?
5 Какие продукты образуются в результате обогащения? Дайте их краткую характеристику.
6 Какими показателями оценивается процесс обогащения?
7 Чем обусловливается выбор места обогащения и окускования природного сырья – в месте добычи или переработки его?
8 Чем диктуется необходимость дробления и измельчения сырья?
9 В чем состоит основной принцип дробления и каким образом он выполняется?
10 Укажите основные стадии и способы дробления.
11 Какие агрегаты используются для дробления.
12 На каких принципах основываются процессы грохочения и классификации?
13 Назовите основные способы обогащения сырья.
14 Обоснуйте необходимость усреднения сырья и каким путем оно обеспечивается?
15 Объясните причины упрочнения измельченных материалов в процессе окомкования.
16 Чем обусловлен переход в процессах окускования от агломерации к окомкованию (окатыванию)?
17 Укажите на достоинства процесса окомкования в сравнении с агломерацией.
18 Почему процессы окускования руд различных металлов являются крупнейшими загрязнителями окружающей среды?
Металлургия
Общие сведения
Значение металлов и металлургии трудно переоценить. В истории человеческого общества известны периоды его развития: «золотой» и «бронзовый» века. С заменой каменных, деревянных и костяных орудий труда изменилась материальная культура древних народов.
В Древнем мире было известно восемь металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть, сурьма), к концу XVI в. число их увеличилось до 20, через сто лет – до 50, а в настоящее время промышленная номенклатура включает 75 – 80 наименований.
Долгое время металлургия была ремеслом, опиравшимся на искусное мастерство немногих умельцев, и развивалась на основе традиций и навыков, передававшихся из поколения в поколение. В наше время металлургия – это промышленность и наука, опирающиеся, прежде всего на знания в области химии и физической химии.
Металлургия – крупное и энергоемкое производство, по объему вовлекаемого в переработку сырья превосходящее другие отрасли перерабатывающей промышленности. Примерно 95% вовлекаемого в переработку металла составляют железо и его сплавы, мировой выпуск которых достиг 800 млн. т.
Современная техника, связанная с атомной энергией и электроникой, использует металлы высокой чистоты, содержащие миллионные доли примесей. Многообразие номенклатуры выпускаемой продукции, повышенные требования к ее качеству, масштабность производства обусловили сложность и широкий спектр применяемых в металлургии схем и процессов.
Понятие «металлы» является в достаточной степени неопределенным. К металлам относят тела, обладающие ковкостью (пластичностью), а также имеющие физические свойства, блеск, высокие электро- и теплопроводность, прочность. В ряде случаев этой совокупности свойств недостаточно для четкого разделения простых тел на металлы и неметаллы. Признание получила достаточно условная техническая классификация металлов, которая делит все металлы на черные и цветные.
К черным относят железо и его сплавы (чугуны, стали, ферросплавы), а также к этой группе принято причислять хром и марганец, которые обычно используют в виде добавок к железу (феррохром, ферромарганец).
Все остальные металлы объединяют общим названием «цветные», которые в зависимости от физико-химических свойств, масштабов производства и потребления делят на пять групп:
- тяжелые (медь, никель, свинец, цинк, олово);
- легкие (алюминий, магний, титан, кальций, калий);
- малые (мышьяк, сурьма, кобальт, молибден, вольфрам, ртуть);
- благородные (золото, серебро и металлы платиновой группы – платина, палладий, родий, осмий, иридий);
- редкие, к которым относится около 60 элементов, обладающих разнообразными физическими и химическими свойствами. Общим для них следует считать относительную новизну применения в технике, следовое содержание в земной коре, весьма незначительный тоннаж производства.
Доминирующая роль черных металлов в общем объеме их производства составляет основу конструкционных материалов. Все отрасли прямо или косвенно связаны с их потреблением. Важна роль цветных металлов в самолетостроении, машиностроении, электронике, приборостроении. Потребительские свойства черных и цветных металлов существенно расширяются при использовании их в виде сплавов двух или нескольких элементов. Наиболее масштабно применение сплавов железа.
Из сплавов железа простейшими являются его сплавы с углеродом, где присутствуют также марганец, кремний, сера и фосфор. По содержанию углерода сплавы разделяют на сталь (0,01–1,7%) и чугун (1,7– 4,5%).
Сталь сохраняет пластичность и ковкость железа, но имеет более высокие упругость, твердость и прочность.
Чугун непластичен, хрупок, является продуктом первоначальной переработки железных руд и служит исходным продуктом для производства стали.
Чугун и сталь часто легируют, т.е. вводят в них добавки с целью придания дополнительных нужных свойств. Легирующими компонентами служат другие металлы: марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан, алюминий и т.д. Их добавление позволяет получить высокую прочность, особые физические и технические характеристики: коррозионную стойкость, вязкость, жаростойкость, износостойкость, упругость, немагнитность и т.п.
Сплавы железа с другими элементами называются ферросплавами. Из них наиболее распространены сплавы с 60–65% хрома (феррохром), 70–80% марганца (ферромарганец) и кремния (ферросилиций), которые используют для легирования, обессеривания и раскисления (удаление кислорода) сталей.
Важнейшими сплавами цветных металлов являются латуни, бронзы, силумины, дюралюмины, твердые сплавы.
Латуни – сплавы меди (60–90%) с цинком. Они хорошо отливаются, прокатываются, штампуются, легко обрабатываются, прочнее меди, меньше окисляются. Изделия из латуни широко применяются в химическом машиностроении, автотракторостроении, судостроении и других отраслях промышленности.
Бронзы – сплавы меди с оловом, или алюминием (5–11%), кремнием (45%), свинцом (23–33%) и др. Их применяют для изготовления подшипников, пружин, троллейных проводов, антиквариата и т. п.
Силумин – сплав алюминия с кремнием, по прочности не уступающий стали, обладающий высокими литейными свойствами, предназначенный для отливки моторов, поршней, коробок скоростей автомобилей.
Дюралюминий – сплав алюминия с медью (3,5–5,5%). Широко используется для обшивки самолетов, автобусов и т.д.
Твердые сплавы – очень твердые и износостойкие материалы, сохраняющие эти свойства при нагревании до 900–1000°С, которые готовят на основе карбидов вольфрама и титана при различном содержании кобальта (3–15%) методами порошковой металлургии и массово применяют при наплавке бурового и режущего инструмента.
Основное назначение (получение металла или сплава) металлургии реализуется через ряд технологических процессов, в которых рудные минералы, а затем и металлы последовательно отделяются от химически связанных с ними пустой породы и вредных примесей.
Металлургические процессы проводят при высоких температурах, с участием расплавов или в расплавах (пирометаллургия), в водных растворах кислот, щелочей, солей (гидрометаллургия).
Доминирующими являются пирометаллургические процессы, обеспечивающие высокую производительность технологических агрегатов. Пирометаллургия служит одним из основных источников загрязнения окружающей среды. На долю черной металлургии приходится 15–20% российских промышленных выбросов в атмосферу (1,6 млн. т/год пыли, 7,3 млн. т/год газообразных веществ), в водоемы (около 4,0 млрд. т/год, загрязненных механическими и химическими примесями).
Гидрометаллургия
Гидрометаллургические процессы реализуют в водных растворах кислот, щелочей, солей. Их температура равна положительной температуре окружающей среды или превышает ее, достигая 80–200°С. Гидрометаллургия нашла применение в производстве цветных металлов: цинка, меди, золота, никеля, алюминия, редких металлов. Некоторые технологические схемы состоят из гидрометаллургических операций, в других случаях эти операции перемежаются с пирометаллургическими.
Гидрометаллургическим операциям обычно предшествует подготовка исходных продуктов, которая включает измельчение для увеличения удельной поверхности твердой фазы и при необходимости руду обогащают.
Гидрометаллургические схемы включают следующие этапы:
- перевод ценных составляющих руды, концентрата или полупродукта в раствор (выщелачивание);
- подготовка раствора к извлечению из него основного компонента;
- выделение основного компонента из раствора.
На всех этапах протекают гетерогенные процессы, лимитируемые диффузией. Процессы развиваются на границе твердой и жидкой, двух жидких или жидкой и газообразной фаз.
При выщелачивании реализуется ряд процессов избирательного перехода одного или нескольких компонентов из руды, концентрата или полупродукта в раствор, который может быть либо физическим растворением или сопровождаться обменной реакцией.
Простое растворение осуществляется, когда металл находится в твердой фазе в виде водорастворимых соединений, например:
МеSO4 + aq ® MeSO4 (раствор).
Растворение с обменной реакцией имеет место, когда растворяемое соединение металла взаимодействует с реагентом, образуя растворимую соль. Другими продуктами взаимодействия могут быть вода, или менее растворимый, чем выщелачиваемое вещество, осадок продукта реакции, например:
МеОтв + H2SO4 = МеSO4 р-р + H2O;
МеSтв + H2SO4 = MeSO4 р-р + H2S ;
MeSтв + Me¢SO4 = Me¢Sтв¯ + MeSO4 р-р.
Растворитель должен легко взаимодействовать с извлекаемым компонентом, но не реагировать с пустой породой, т.е. обладать ярко выраженным селективным действием.
Подготовка и извлечение из раствора основного компонента заключается в его отделении фильтрованием или отстаиванием от нерастворимого остатка пустой породы или в доведении его содержания в растворе до заданного за счет разбавления или концентрации путем выпаривания и другими физико-химическими методами.
Выделение чистых соединений из растворов осуществляют различными химическими процессами, которыми компоненты переводятся в осадок в виде малорастворимых соединений (солей, гидроксидов, сульфидов и др.), металлических (процесс цементации) или электролитических компаундов. Осаждение может быть реализовано и физическими методами, например, охлаждением или выпариванием раствора.
В настоящее время применяют гидрометаллургические технологии кучного, чанового, автоклавного и геотехнологического выщелачивания.
Кучному выщелачиванию подвергаются бедные забалансовые руды или старые отвалы руд цветных металлов. Высота куч и отвалов составляет 6–100; ширина – 10–20; длина – 100–800 м и более. Масса руды, закладываемой на выщелачивание, изменяется от сотен до миллионов тонн. Площадка для кучного выщелачивания выравнивается, уплотняется, накрывается водоизолирующим материалом (асфальт, полимерный пластик и т. п.). Отвалы и кучи орошаются разбрызгиванием растворителя по их поверхности или через нагнетательные скважины. Сбор раствора осуществляется через перфорированные асбоцементные трубы. Скорость фильтрации в куче составляет 10–15 м/сутки.
Орошение куч ведут до тех пор, пока концентрация выщелачиваемого компонента в растворе не становится ниже заданного предела, например, для медных руд не менее 1,0 г/л Cu. В этом случае ее извлечение достигает 50–90% при продолжительности выщелачивания до 3–4 лет.
Чановое выщелачивание – более регулируемый и интенсивный процесс, позволяющий организовать фильтрацию раствора через руду в заданном направлении (сверху вниз, снизу вверх, горизонтально).
Длина, ширина и глубина чанов может достичь соответственно 50, 35 и 6,0 м, которые вмещают 5–10 тыс. т материала, изготавливаются из бетона, их поверхность покрывают асфальтом, смолой, листовым свинцом или полимерным материалом. Извлечение, например, меди при ее концентрации в растворе 10–26 г/л составляет 75–90% при расходе кислоты 10–55 кг/т руды. Для выделения меди из растворов применяют электролиз.
Автоклавное выщелачивание производят в толстостенных герметических сосудах, способных выдержать давление паров раствора больше атмосферного. Температуру выщелачивания в ряде случаев доводят до 220–260°С. В соответствии с правилом Вант-Гоффа увеличение температуры выщелачивания резко ускоряет химические процессы.
Герметичность аппаратуры снижает потери реагентов и исключает загрязнение окружающей среды, но превращает процесс в периодический, что может обернуться его крупным недостатком.
Под биогидрометаллургией понимают избирательное извлечение металлов из руд, концентратов, горных пород в растворах под воздействием микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности. Ее методы дают возможность в большей степени использовать разубоженные, забалансовые тонковкрапленные руды, хвосты обогатительных фабрик, шламы, сточные воды, другие промышленные отходы.
Установлено, что микроорганизмы эффективны при извлечении многих цветных металлов, образующих сульфиды, например, меди, 30% которой в США производится этим способом.
Интенсификация извлечения металлов в биогидрометаллургии осуществляется различными методами. Бактерии могут, например, служить катализаторами реакций окисления сульфата двухвалентного железа до сульфата трехвалентного железа и соды до серной кислоты. Ускорение выщелачивания может происходить под влиянием продуктов жизнедеятельности бактерий. Например, сильным окислителем является выделяемый некоторыми бактериями ион трехвалентного железа.
Технологию бактериального извлечения металлов, как гидрометаллургический процесс, реализуют в вариантах кучного и чанового выщелачивания при рН 1,3–1,5, используя растворы, содержащие бактерии, серную кислоту. Перемешивание и аэрация способствуют извлечению материалов. Перспективность применения биотехнологических методов вызывает определенные опасения, потому что возможен непосредственный выброс микроорганизмов в окружающую среду и необходима всесторонняя оценка возможных последствий их взаимодействия с флорой и фауной.