Разработка технологии утилизации шлама сточных вод травильных отделений производства холодной прокатки металлургических комбинатов

Актуальность работы. Предприятия черной металлургии относятся к наиболее водоемким отраслям промышленности и одновременно характеризуются значительными удельными объемами образования сточных вод. При этом безвозвратно теряются ценные сырьевые ресурсы и в значительной степени происходит загрязнение природных водных систем соединениями тяжелых металлов и другими различными по составу и свойствам загрязняющими веществами. В этой связи, к научно-исследовательским приоритетам в черной металлургии относятся мероприятия, направленные на сокращение объемов образования в производственных циклах сточных вод и предотвращение их поступления в водные объекты. Данная задача решается путем разработки и поэтапного внедрения замкнутых систем водопользования. Однако, создание таких систем (замкнутого и оборотного водоснабжения) в условиях существующих производств сдерживается, в основном, по двум причинам: недостаточно обоснованными жесткими нормативными требованиями к качеству повторно используемой воды, не учитывающими специфические особенности использующих данную воду технологических процессов, и отсутствием низкозатратных эффективных технологий утилизации концентратов и шламов, выделенных из производственных сточных вод в процессе их очистки.

В связи с этим актуальными являются экспериментальная проверка качественных характеристик водных потоков, используемых в металлургических производствах в режиме замкнутого и оборотного водоснабжения, а также разработка и практическая реализация ресурсосберегающих технологий утилизации выделенных из сточных вод шламов и получение на их основе товарной продукции.

Целью работы является исследование возможностей сокращения удельных объёмов образования сточных вод в металлургическом производстве путём разработки и обоснования требований к качеству повторно используемой воды в системе водоснабжения травильных отделений производства холоднокатаного листа, повышения технико-экономических и экологических показателей данного производства путём разработки ресурсосберегающей технологии утилизации шлама отработанных растворов травильных отделений, получение на его основе железооксидных пигментов и исследования особенностей кинетических закономерностей процесса синтеза пигментов на основе данного техногенного сырья.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ качественных характеристик водных потоков замкнутой системы производственного водоснабжения металлургического комбината;

• составить балансовую схему системы производственного водоснабжения и водоотведения производства холоднокатаного листа и на ее основе провести анализ технико-экологической эффективности данного производства;

• провести анализ экологической опасности складирования шлама на площадках временного размещения твердых отходов;

• экспериментально обосновать возможность получения желе-зооксидных пигментов на основе техногенного шлама производства холоднокатаного листа;

• определить оптимальные условия синтеза пигментов на основе данного техногенного шлама;

• определить кинетические характеристики исследуемых процессов;

• провести анализ технико-экологической и экономической эффективности практической реализации технологии получения пигментов на основе техногенного шлама отработанных растворов травильных отделений производства холоднокатаного листа.

Методами решения поставленных задач являлись:

• физико-химические (рентгенофазовый, спектрофотометри-ческий) и химические методы анализа техногенного шлама и получаемых на его основе целевых продуктов;

• математическое моделирование при оптимизации параметров процесса синтеза пигментов и определении кинетических характеристик исследованных процессов;

• расчетные методы, основанные на законах химической кинетики.

Научная новизна результатов исследований состоит в том, что:

• экспериментально обоснованы допустимые уровни показателей качества воды, повторно используемой для приготовления травильных растворов, по содержанию сульфат-ионов и ионов железа;

• разработаны рекомендации по использованию стоков, очищенных на локальных очистных сооружениях, в системе производственного водоснабжения травильных цехов, что повышает степень рационального использования водных ресурсов на металлургических предприятиях;

• теоретически обосновано и экспериментально подтверждено получение железооксидных пигментов с регламентированными физико-механическими характеристиками на основе техногенного шлама железного купороса;

• впервые получены кинетические характеристики исследованных процессов синтеза пигментов на основе техногенного сырья, что расширяет сырьевую базу промышленного производства пигментов.

Практическая ценность работы заключается в разработке на основе результатов выполненного исследования технических решений по организации технологической схемы получения пигментов на основе техногенного сырья, оптимизации технологических параметров данного процесса и в экспериментальном обосновании требований к качеству повторно используемой воды в системе водоснабжения травильных отделений производства холоднокатаного листа.

Реализация научно-технических результатов. Результаты данного исследования будут использованы для создания промышленной установки получения железооксидных пигментов на основе шлама железного купороса производства холоднокатаного листа на металлургическом комбинате ОАО «Северсталь».

На защиту выносятся:

• результаты анализа общей системы оборотного производственного водоснабжения металлургического комбината и локальной системы производственного водопотребления и водоотведения производства холоднокатаного листа;

• результаты экспериментального обоснования требований к качеству повторно используемой воды в системе водоснабжения травильных отделений производства холоднокатаного листа;

• результаты экспериментальных исследований получения же-лезооксидных пигментов на основе техногенного шлама железного купороса;

• математическая модель процесса синтеза пигментов, отображающая влияние на эффективность процесса температуры, количества вводимой добавки, продолжительности синтеза;

• кинетическая модель процесса синтеза пигментов, описывающая порядок и механизм процесса;

• вариант технологической схемы процесса получения пигментов на основе техногенного шлама;

• принципиальная схема разработанного технического решения повышения технико-экономических и экологических показателей производства холоднокатаного листа путём сокращения удельных объёмов образования сточных вод и утилизации шлама отработанных растворов травильных отделений и получение на его основе железо-оксидных пигментов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научных семинарах кафедры промышлен.

11 ной экологии Череповецкого Государственного Университета (19 982 000 гг.).

Результаты работы опубликованы в трех научных статьях.

Автор выражает признательность сотрудникам кафедры промышленной экологии и заведующему кафедрой физики ЧГУ, профессору Федорчуку Н. М. за оказанную помощь в проведении экспериментальных исследований, особую благодарность сотрудникам кафедры водоснабжения и водоотведения ВоГТУ профессору Янковскому A.A. и доценту Лебедевой Е. А. за помощь при выработке основных положений данной работы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и приложений, изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 16 рис. и 35 табл. Библиографический список использованной литературы содержит 92 наименования.

Выводы к главе.

1. В ходе экономического обоснования разработанной технологии утилизации техногенного шлама железного купороса установлено, что размер платы за загрязнение окружающей природной среды при внедрении мероприятия уменьшится на величину 3299,79 руб/год, предотвращённый экологический ущерб составит 34 494,21 тыс.ру б/год.

2. Чистый экономический эффект участка производства пигмента составит при получении пигмента капут-мортум: 1916тыс. рубпри получении пигмента венецианская красная:

166 тыс. руб.

3. Выполненные расчёты показывают, что сроки окупаемости по предлагаемым вариантам невелики, и являются достаточным экономическим обоснованием для начала реализации проекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполненный в данной работе анализ оборотных циклов общей системы производственного водоснабжения металлургического комбината и локальной системы производственного водопотреб-ления и водоотведения производства холоднокатаного листа показал, что для более полного предотвращения загрязнения природных водных объектов необходима разработка и практическая реализация технологических методов сокращения удельных объёмов образования сточных вод и утилизации шлама отработанных растворов травильных отделений.

2. Показано, что производственные сточные воды травильных отделений производства холоднокатаного листа, сбрасываемые в настоящее время через систему золошламонакопителей в поверхностные воды, характеризуемые показателем степени влияния входящих в их состав ингредиентов на качество травильных растворов, равным 1,25 мае. долей, могут быть использованы повторно в данном производстве.

3. Экспериментальными исследованиями, выполненными в данной работе, установлено, что использование производственных сточных вод, образованных в процессе промывки стальной полосы после травления, стоками от вакуум-кристаллизационной установки и отделения динамной стали, для приготовления травильных растворов на снижает скорости травления и качественных характеристик декапированных стальных полос, и обосновано изменение регламентированных требований для повторно используемой воды (допустимое содержание железа общего 50 мг/дм, содержание сульфат-ионов не нормируется).

4. Анализом литературных источников и результатами экспериментальных исследований установлено, что наиболее экономически эффективным и технически целесообразным является способ утилизации техногенного шлама железного купороса получением на его основе железооксидных пигментов. Данный способ утилизации шлама позволяет не только предотвратить загрязнение объектов природной среды, но и в значительной степени расширить сырьевую базу промышленного производства пигментов.

5. Переработка техногенного шлама железного купороса в же-лезооксидные пигменты осуществляется путем прокаливания сырьевой шихты или химическим осаждением из водных растворов и суспензий. Методами прокаливания получены красные железооксидные пигменты капут-мортум и венецианская красная. Методами химического осаждения из водных растворов и суспензий получены жёлтые, коричневые, чёрные железооксидные пигменты и железная лазурь.

6. Для процесса получения красных железооксидных пигментов методами прокаливания разработаны регрессионные уравнения, обобщающие всю совокупность сведений об исследованных процессах. В качестве основных факторов выступали температура, продолжительность синтеза и количество добавки в сырьевой шихте. Полученные регрессионные уравнения позволяют установить оптимальные условия осуществления процесса, обеспечивающие максимум степени превращения сульфата железа (II) в основной компонент железооксидных пигментов — оксид железа (III), определяемые температурным режимом 750−800 °С и продолжительностью синтеза 2,0−2,5 ч для процесса получения пигмента капут-мортум и температурным режимом 650−700 °С и продолжительностью синтеза 2,0−2,5 ч для пигмента венецианская красная.

7. Разработанная математическая модель процесса термического разложения и последующего окисления сульфата железа (II) на основе качественных представлений, учитывающих влияние на эффективность процесса температуры и продолжительности синтеза, составляет теоретическую основу для построения кинетической модели и определения кинетических характеристик процесса. Энергия активации процесса синтеза пигмента капут-мортум на основе техногенного шлама железного купороса, вычисленная по результатам исследований, равна 68,613 кДж/моль, что значительно больше энергии активации процесса синтеза данного пигмента на основе чистых исходных реагентов, равной 43,905 кДж/моль. Различие в величине энергии активации процесса синтеза пигмента венецианская красная на основе техногенного сырья (38,122 кДж/моль) и чистых исходных реагентов (36,416 кДж/моль) находятся в пределах случайных и систематических погрешностей, обусловленных условиями эксперимента.

8. Результаты выполненных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований будут использованы при разработке технологического регламента и рабочего проекта установки получения пигментов на основе техногенного шлама железного купороса производства холоднокатаного листа на металлургическом комбинате ОАО «Северсталь».