Диссертация (Воздействие высокодисперсного металлургического шлама на сельскохозяйственные растения), страница 2

По теме диссертации опубликовано 10 статей, из них 4 работы вжурналах, входящих в перечень ВАК РФ.Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 144страницах, содержит 12 таблиц,100 рисунков и состоит из следующих разделов:введение, обзор литературы, материалы и методы исследований, результаты исследованийи их обсуждение, выводы, практические предложения,список использованнойлитературы, состоящий из 291 источников, 172 из которых иностранные.Благодарности.Авторвыражаетискреннююблагодарностьнаучномуруководителю – к.с.–х.н, Гусеву Александру Анатольевичу за неоценимую помощь вподготовке работы.

Огромное спасибо к.т.н. Кузнецову Д.В. (НИТУ «МИСиС») законсультации и поддержку на всех этапах работы над диссертационным проектом.Отдельная благодарность коллегам, внесшим вклад в проведение экспериментальныхисследований – Скрипниковой Е.В., Скрипниковой М.К. (МичГАУ), Селивановой О.А.(ТГУ им. Г.Р. Державина), а также Шуклинову А.В. (ТГУ им. Г.Р. Державина) за помощьв проведении электронно–микроскопических исследований.7ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ1.1 Проблемы рециклинга шламовых отходов доменного производстваПервые заводы по производству железа в России были построены вблизи Тулы в1632 г. К 1674 г.

общее годовое производство железа всех металлургических заводовРоссии составляло 2500 т. Особенно быстро развивалось производство доменного чугунаи кричного железа при Петре I. В 1725 г. в России было выплавлено около 20000 т чугуна,тогда Россия заняла первое место в мире по его выплавке, которое она удерживала доконца ХVIII века. Но затем, с возникновением капитализма и развитием промышленностив Западной Европе и Северной Америке, царская Россия в XIX веке не только уступиласвое первое место, но и откатилась назад, на одно из последних мест.

Производствометалла на душу населения в России в 1913 г. было в 10 раз меньше, чем в США, ипримерно в 7–7,3 раза меньше, чем в Англии, Франции, Бельгии, Германии. Перваямировая война и последовавшие за ней годы гражданской войны и интервенции привели ктому, что народное хозяйство страны оказалось в очень тяжелом положении.

Резкосократилось производство стали, чугуна, проката (Бурдаков и др., 1971).В настоящее время производство чугуна в России составляет более 50 млн. тонн вгод, мировое производство – более 1 млрд. тонн (рис. 1).Производство чугуна, млн. тонн800711.670060050040030020083.910053.851.546.929.3ИндияРоссияЮжнаяКореяСША27.626.90КитайЯпонияГермания БразилияРисунок 1 – Мировое производство чугуна (по данным интернет–портала:«Экономика России, цифры и факты» (http://utmagazine.ru/posts/10561–ekonomika–rossii–cifry–i–fakty–chast–8–metallurgiya))8Основу российской черной металлургии составляют 6 крупных холдингов, на долюкоторых приходится более 93% всей выпускаемой продукции.ОАО «Северсталь»;«EVRAZ»;ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК);ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК);ОАО «Металлоинвест»;ОАО «Мечел» (http://utmagazine.ru/posts/10561–ekonomika–rossii–cifry–i–fakty–chast–8–metallurgiya; http://www.rusexporter.ru/news/detail/2102/).Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах (рис.

2) –железные руды. Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Топливомдля доменной плавки служит кокс, обеспечивающий процесс теплом и восстановительнойэнергией. Кроме того, кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчаетпрохождение газового потока в шихте доменной печи (Вегман и др., 2004).

В ходедоменного процесса образуется чугун (сплав железа, содержащий более 2,14% углерода)(Лахтин, Леонтьева, 1980), а из пустой породы железорудной шихты и золы кокса и угляобразуется шлак.Рисунок 2 – Доменная печь «Россиянка», НЛМКПроизводство чугуна и очистка доменного газа сопровождаются образованиемпылей (размер частиц 20–100 мкм) – при сухом механическом и электростатическомулавливании и шламов (1–20 мкм), образующихся при мокрой очистке, суммарной долей1–4 % от массы шихты. Основное направление использования шламов доменныхгазоочисток сводится к их добавке к агломерационной шихте.

Однако уровень9использования таких шламов низок из–за высокого в них содержания цветных металлов,прежде всего цинка (в среднем от 5 до 7 %), повышенное содержание которого снижаетстойкость футеровки доменных печей (Kiventerä et al., 2016). В связи с этим приподготовке к утилизации шлама доменных газоочисток с повышенным содержаниемцинка необходимо предусмотреть его обезцинкование (Вегман и др., 2004; Воскобойникови др.

2005).В России и за рубежом для удаления вредных примесей из отходов доменногопроизводства используются гидро– и пирометаллургические технологии, однакоприменение гидрометаллургических технологий не всегда представляется рациональным.Альтернативой могут стать различные высокотемпературные способы переработки цинк–железосодержащих пылей и шламов.Наибольшее распространение получили способы, основанные на термообработкешламов в восстановленной атмосфере, с получением металлизированного продукта иулавливанием пыли, обогащенной цветными металлами (Абдеев и др., 1980; Абдеев,Колесников, 1981).Основными методами удаления цинка являются вариации Вельц–процесса, т.е.возгонка цинка в восстановительной среде с добавлением кокса, после чегопереаботанный продукт может использоваться в агломерационном процессее (Serbent etal., 1975; Абдеев и др.,1985).Вариацией метода является прямое извлечение железа в кипящем слое или подовыепечи. В Институте черной металлургии в Аахенском Технологическом Университете(Германия) проводился анализ возможности инжекции пылевидных шламов в доменнуюпечь с дутьем.

Прямое использование пыли приводит к экономии шихтовых материалов(Gudenau et al., 1998). Недостатками процесса вельцевания являются большой расходтоплива, вызванный необходимостью предотвращения расплавления шихты; трудности,связанныесрегулированиемтемпературногорежимаисоставашихтыдляпредотвращения образования настылей (Белоглазов и др., 1996).Среди возможных способов переработки шламов можно назвать обработку нагидроциклонах и выщелачивание цинка (кислотное, кавитационное и др.) со снижениемего концентрации до 0,5 % и возвратом в агломерацию или брикетирование.

В некоторыхслучаяхиспользуютселективноевыщелачиваниецинка(около80%)низкоконцентрированной серной кислотой при комнатной температуре (Zeydabadi et al.,1997; Vereš et al., 2011).10Также применяют отходящий газ от коксовой печи для получения раствораNH4SCN, реагирующего с ZnO с образованием легкорастворимого Zn(SCN)2 (Cho et al.,1997; Das et al., 2007).Так как цинк находится в шламе в высокодисперсном состоянии, для его удаленияшироко применяют флотационные методы – пенную флотацию и гидроциклоны (Piecuchand Dabrowska, 1983).Относительно новым и эффективным направлением использования шламовявляется брикетирование (Drobíkováa et al., 2016) или гранулирование (Su et al.2004),которые также не всегда реализуемы по причине проблем с подбором связующихкомпонентов, обеспечивающих необходимую прочность брикетов и гранул при шихтовкедоменной печи и других агрегатов.В целом, основным препятствием на пути широкого внедрения описанныхспособов утилизации является их высокая стоимость.1.2 Экологические проблемы утилизации шламов доменного производстваИз–засуществующихпроблемрециклингаотходовметаллургическогопроизводства, в большинстве случаев шлам через систему перекачивающихся насосов ишламопроводов транспортируется в так называемые пруды–отстойники (рис.

3) илишламовые поля, где происходит процесс осаждения твердых частиц.Рисунок 3 – ШламонакопительТакие шламонакопители на металлургических заводах, как правило, занимаютдесятки гектаров территории. Разного рода отвалы и шламонакопители крайне негативновлияют на окружающую среду, вплоть до полного нарушения ландшафтных экосистем.11При этом и предприятия несут значительные затраты на содержание отвалов, теряя еще иценные ресурсы.

В итоге, даже освобожденные из–под отвалов земли становятсянепригодными для сельскохозяйственного использования, образуются так называемые«индустриальные пустыни».Кроме того, хранение шламов осуществляется открытым способом, вследствиечего происходит эмиссия загрязняющих веществ в воздух, объекты гидросферы и почву, ачерез них оказывается влияние на состояние флоры, фауны и здоровье людей. Наиболееопасными элементами шламов являются тяжелые металлы, которые из накопителейпопадают, прежде всего, в почву.В отличие от прочих компонентов окружающей среды, где возможны процессысамоочищения, почва обладает очень слабой самоочищающей способностью и являетсяаккумулятором тяжелых металлов. Устранение загрязнений почв тяжелыми металламипроцесс весьма затруднительный, трудоемкий и дорогостоящий и часто приводит кнакоплению вторичных загрязнителей (Давыдова, Тагасова, 2002).Почва обладает буферностью по отношению к тяжёлым металлам, которая связанас такими ее характеристиками, как реакция среды, содержание органического вещества,минералогический и гранулометрический состав и другими.

Большое значениеприобретает использование извести и органических удобрений, влияющих на данныехарактеристики и повышающих устойчивость почвы к загрязнению (Эфоакондза, 2003)Мероприятия, проводимые на загрязненных тяжелыми металлами почвах, можноразделить на две группы :– мероприятия, проводимые на сельскохозяйственных землях, направленые наснижение подвижности тяжелых металлов и включающие в себя внесение органических иминеральных удобрений, природных и искусственных сорбентов, а так же известкование.Данные приемы можно применять как по отдельности так и в комплексе.– мероприятия,применяемыедля земель населенных пунктов.