Исследование поведения мышьяка, содержащегося в техногенном и природном сырье черной металлургии, с целью оценки воздействия на окружающую среду

Последнее десятилетие двадцатого столетия в металлургии развитых индустриальных стран выявило целесообразность производства материалов, особо чистых по содержанию примесей всех видов. Это относится как к производству полупродуктов (например, чугуна, ферросплавов, жидкой стали), так и готовой продукции (проката, специальных сталей, товарного чугуна), в которых содержание некоторых микропримесей находится в пределах 1−50 г/т материала. Также немаловажным является тот факт, что цена особо чистых металлургических материалов на мировом рынке в 1,5 — 2 раза превышает цену рядовой продукции.

С началом перехода России к рыночным отношениям на структуре металлургической отрасли, созданной в другую эпоху, все более сказываются общемировые современные тенденции производства продукции. Особое значение при этом, с учетом необходимости глубокого проникновения нашей страны в структуру мировых рыночных отношений, имеет производство продукции высокого качества, т. е. значительно более чистых по примесям материалов, с целью повышения конкурентоспособности и укрепления позиций на мировом рынке российских производителей металлов. При этом важно отметить приоритет необходимости охраны окружающей природной среды, что определяется ужесточением природоохранного законодательства и нормированием выбросов в окружающую природную среду.

В результате развития концепции производства чистых по примесям материалов в странах ЕЭС в 1999 году была принята классификация сталей по содержанию основных микропримесных элементов. В связи с этим ожидается, что уже в ближайшее время конкурентоспособными окажутся те предприятия, на которых будет осуществляться постоянный и полный контроль содержания микроэлементов в исходных шихтовых металлургических материалах по всему циклу металлургических переделов.

В сложившихся условиях особую актуальность приобретают исследования, рассматривающие поведение элементов, вовлеченных в процесс производства в очень малых количествах, с момента поступления в агрегат шихтового материала до получения готового проката с учетом воздействия отходов и выбросов производства на окружающую среду в конкретном металлургическом регионе. При этом большую роль играют масштабы черной металлургии, поскольку в этой отрасли задействованы предприятия больших мощностей, с учетом возрастания объемов перерабатываемых материалов не только в условиях России, но и в мировой практике. Применительно к черной металлургии в ряду таких элементов важнейшее место занимает мышьяк. С одной стороны он является высокотоксичным элементом, оказывающим негативное воздействие не только на организм человека, но и на окружающую природную среду. С другой стороны, мышьяк является примесью, которая очень серьезно влияет на качественные показатели продукции предприятий черной металлургии. Особое значение вышеизложенному придает то обстоятельство, что мышьяк присутствует в существенных количествах как в традиционном сырье — рудах, углях, так и во вторичных ресурсах, использование которых в составе шихты металлургических предприятий расширилось в последнее время в связи с проблемой необходимости переработки техногенных отходов.

Мышьяк является одним из тех попутных элементов в металлургии, который постоянно поступает с железорудными материалами и углем в металлургическое производство, и, в частности, в доменную плавку. В дальнейшем он распределяется во все фазы процесса, в том числе переходит в некотором количестве в чугун, а затем и в сталь, а также частично в окружающую среду. Кроме того, в последние годы появился еще один способ попадания мышьяка в металлургическую промышленность, связанный с проблемой переработки вторичных материалов, т.к. количество техногенных и других отходов, перерабатываемых в металлургии в конце 20 — начале 21 вв. значительно возрастало и продолжает расти увеличивающимися темпами. Мышьяк присутствует в отходах в количествах, значительно превышающих его содержание в природных шихтовых материалах доменного процесса.

Поскольку мышьяк не относится к числу дорогостоящих утилизируемых компонентов, мышьяк с отходами металлургического производства (твердым шлаком, шламами, газовыми выбросами) попадает в окружающую природную среду промышленных регионов. Поэтому важной задачей при рассмотрении ресурсо-экологических аспектов производства металла из мышьяксодержащего сырья является не только исследование поведения микропримесного элемента в процессе производства металлопродукции, но и изучение последствий деарсенации сырья и дальнейшего поведения соединений мышьяка во внешней среде.

Таким образом, мышьяк как микроэлемент в металлургии находится на пересечении стратегических интересов промышленных, экономических и экологических структур нашего общества. Ключевым звеном для оценки поведения мышьяка в металлургии и возможности его влияния на экологическую ситуацию в промышленных регионах в современных условиях является определение тех его количеств, которые переходят в металл, шлак и газ в процессах доменной плавки, т.к. именно с этого момента начинается путь мышьяка в техносфере. Однако именно об этом известно крайне мало. В последние годы отсутствуют работы, посвященные поведению мышьяка в доменной плавке. Исследования, проводимые ранее, базировались на процессах, имевших другую сырьевую базу. Кроме того, в литературе совершенно отсутствуют строгий ресурсо-экологический анализ металлургических и сопутствующих им процессов с участием мышьяка.

Учитывая эти обстоятельства, можно считать, что актуальным является не только исследование поведения мышьяка в доменном процессе на различных этапах плавки, но и рассмотрение экологических аспектов производства металла из традиционного и техногенного мышьяксодержащего сырья, а также изучение дальнейшего распределения соединений мышьяка в природной среде.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью данной диссертационной работы является: посредством теоретических и экспериментальных исследований определение показателей распределения мышьяка между продуктами доменной плавки при различных температурных и шихтовых условиях, а также выявление ресурсо-экологических характеристик поведения мышьяка и его соединений в металлургическом производстве и промышленных регионах, оценка воздействия металлургии на состояние окружающей природной среды.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Объектом исследования являются металлургические предприятия, их продукция и экологическое воздействие их деятельности на состояние окружающей природной среды.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Предметом исследования является распределение микроэлемента (мышьяка) по различным продуктам доменного производства и последующие пути его попадания в окружающую природную среду.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Исследования основывались на теоретических и методологических разработках ученых МИСиС, а также на трудах ученыхметаллургов и экологов: А. А. Байкова, Е. Ф. Вегмана, Б. Н. Жеребина, А. К. Зайцева, Я. С. Казарновского, Л. И. Леонтьева, В. П. Орлова, М. А. Павлова, А. Л. Петелина,.

A.Н. Похвиснева, Б. П. Селиванова, П. С. Харлашина, П. И. Черноусова,.

B.М. Чижиковой, Ю. С. Юсфина, а также на исследованиях зарубежных специалистов в области промышленной экологии.

ИНФОРМАЦИОННАЯ БАЗА. Диссертация выполнена на основании данных о поведения микропримесей в процессах черной металлургии, собранных в последние десятилетие кафедрой Руднотермических процессов, с использованием литературных данных о формах присутствия мышьяка в окружающей среде, а также на основе результатов проведенных лабораторных экспериментов и термодинамического моделирования. Особое внимание уделялось информации о микропримесном составе металлургических материалов предприятий Европейской части России, в частности рассматривались шихтовые условия работы АО «Северсталь», АК «Тулачермет», АО «НЛМК», Косогорского металлургического завода. В рамках международного сотрудничества аналогичные исследования проводились для следующих предприятий: «ЕКО-Шталь» (Германия), «Кардемир» (Турция) и «Хадисолб» (Египет).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертационной работе новым в теоретическом и методологическом аспектах является:

1. В работе впервые получены зависимости, характеризующие влияние шихтовых условий работы российских и зарубежных металлургических предприятий на поведение мышьяка в доменном процессе.

2. На основе проведенного теоретического анализа впервые получены данные о равновесном распределении мышьяка между продуктами доменной плавки в зависимости от окислительно-восстановительных условий процесса, его температуры и количественного прихода мышьяка.

3. Разработана методика и проведены лабораторные опыты, которые позволили экспериментально определить влияние температуры и количественного поступления мышьяка с шихтой на степень перехода мышьяка в металл и газовую фазу. Определены условия, при которых мышьяк переходит преимущественно в чугун, шлак и газовую фазу.

4. По результатам лабораторных опытов и данным промышленных металлургических предприятий построены материальные балансы мышьяка в доменном производстве. Впервые было показано, что мышьяк присутствует во всех фазах доменного процесса — чугуне, шлаке и газовой фазе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Научные разработки и практические предложения заключаются в следующем:

1. В работе определены коэффициенты распределения мышьяка между чугуном, шлаком и газовой фазой в доменной печи, которые можно рекомендовать для различных инженерных расчетов.

2. Определены выбросы мышьяка металлургическим производством в окружающую среду, что следует учитывать в системах мониторинга.

3. В работе был расчитан и построен элементопоток мышьяка для заводских условий черной металлургии на примере ОАО «Северсталь». Проведен анализ и количественное сравнение поступления мышьяка в окружающую природную среду в составе выбросов и отходов металлургических предприятий с природными источниками. Рассмотрены экологические аспекты переработки мышьяксодержащих традиционных шихтовых материалов и техногенных ресурсов.

АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИЯ РАБОТЫ. По материалам диссертации опубликовано 5 статей. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научных конференциях:

VI международная экологическая конференции молодых ученых «РИО+Ю: Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития», Москва, 1−3 апреля 2002 года;

Научный семинар в Reinisch-Westfalische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen), — Institut fuer Metallkunde und Elektrometallurgie (IME), 22 мая 2003 года.

Обсуждение основных результатов диссертации проведено на заседании кафедры «Руднотермических процессов» Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений, списка использованных литературных источников из 82 наименований. Общий объем работы составляет 157 страниц, в том числе 24 таблицы, 5 рисунков, 5 приложений.

124 ВЫВОДЫ.

1. На основе термодинамического исследования сложных металлургических систем, содержащих мышьяк, расшифрованы виды соединений мышьяка, образующиеся в различных металлургических процессах. Показано, что в отличие от существующих представлений мышьяк в доменной плавке распределяется между всеми фазами процесса. Условиями перехода мышьяка в металл являются: слабовосстановительная, нейтральная и слабоокислительная атмосфера в области температур не более 1500 °C.

В шлаковый расплав мышьяк переходит в основном в виде As203. Переход мышьяка в шлак происходит в сильно окислительных условиях при температурах более 1500 °C.

В зоне высоких температур (свыше 1650 °С) весь мышьяк переходит в возгоны в виде газов: As, AsH, As2 (в восстановительных и слабо окислительных условиях) и в виде AsO и As02 (в сильно окислительных условиях). При высоких массовых долях мышьяка в системе возможно образование сульфида AsS.

2. Разработана методика проведения лабораторных экспериментов, позволяющая безопасно получать чугун с повышенным (от 0,02% до 11%) содержанием мышьяка, что в дальнейшем позволило безопасно варьировать поступление мышьяка в процесс.

3. Лабораторными исследованиями подтвержден термодинамический вывод о том, что мышьяк переходит в металл в количествах тем больших, чем меньше его массовая доля в системе. Чем меньше приход мышьяка в плавку, тем в меньших количествах он попадает в газовую фазу. При увеличении температуры опыта переход мышьяка в газовую фазу растет и достигает свыше 90% при температуре 1600еС.

4. На основе анализа условий работы ряда российских и зарубежных металлургических предприятий рассчитаны балансы мышьяка в доменной плавке. Подтверждено удаление значительного количества мышьяка в газовую фазу. Максимальный уход мышьяка в газовую фазу в промышленных условиях достигал 42%.

5. Построена модель поведения мышьяка в доменной плавке в зависимости от того, с каким компонентом исходной шихты он приходит в плавку.

6. Определены коэффициенты распределения мышьяка между чугуном, шлаком и газом в доменной печи (в чугун 0,6−0,7- в шлак — 0,1−0,15- в газ — 0,2−0,3), существенно отличающиеся от принятых в настоящее время.

7. Построен элементопоток мышьяка в металлургическом производстве на примере ОАО «Северсталь». Годовой выброс мышьяка в атмосферу составляет более 3% ежегодного мирового природного выброса. Однако основными источниками выбросов мышьяка являются не сами металлургические агрегаты, а аппараты и операции, связанные с использованием угля, а именно: УГФ, КХП, ТЭЦ, на долю которых приходится 87% всех выбросов.