ИТС 3-2015 Производство меди

2.4.1.1 Пирометаллургический способ

Пирометаллургический способ включает ряд этапов в зависимости от типа перерабатываемого концентрата. Большая часть концентратов сульфидные, и этапы их переработки включают обжиг, плавку, конвертирование, рафинирование и электролитическое рафинирование. Краткая характеристика всех видов печей, упоминаемых в данном разделе, представлена в Б.1, а более детальные описания приводятся в соответствующих подразделах настоящего раздела [19].

2.4.1.2 Гидрометаллургические процессы

Гидрометаллургия - извлечение элементов из сырья с помощью жидкофазных растворителей и последующее выделение их из растворов в форме металлов или моноосадков.

Этот процесс обычно применяется для переработки окисленных руд или смешанных окисленных/сульфидных руд непосредственно на территории рудника, где есть достаточно места для формирования участков выщелачивания и переработки. Этот процесс особенно эффективен для руд, из которых трудно произвести концентрат с помощью традиционных технологий, и которые не содержат драгоценных металлов [27], [28], [23]. В мире было разработано несколько патентованных технологий, таких как процессы Outotec L-SX-EW и Hydro Copper, Albion [29], [21], [30].

Общая схема гидрометаллургического процесса представлена на рисунке 2.2.

Основными стадиями гидрометаллургической технологии являются:

1. 1) Подготовка сырья; эта операция способствует более быстрому, полному, селективному выщелачиванию ценного металла. Известны механические способы (дробление, измельчение) и физико-химические, связанные с изменением фазового состава сырья (прокалка, обжиг, спекание, гидротермальное активирование, обезжиривание вторичного сырья и др.).

2. 2) Выщелачивание, т.е. перевод металла в раствор с последующим отделением нерастворимого остатка методами отстаивания, фильтрации, центрифугирования и промывкой остатка.

3. 3) Подготовка раствора: очистка от посторонних примесей физико-химическими методами (осаждение в форме труднорастворимых соединений, цементация, сорбционно-экстракционное разделение), концентрирование раствора приемами упаривания, сорбции и экстракции с последующим получением при десорбции и реэкстрации обогащенной жидкой фазы.

4. 4) Выделение из раствора ценного элемента в форме металла (электролиз, автоклавное осаждение газом) или соединения (кристаллизация, химическое осаждение, дистилляция).

2.4.2.1 Этап вторичной плавки

Плавку сырья низкого и среднего качества проводят в печах различного типа: шахтных, плавильных мини печах, поворотных конвертерах с верхней продувкой (TBRC), плавильных печах Ausmenlt/ISASMELT, в отражательных и наклонных печах [30], [19], [26]. Для плавки лома высокого качества (>99% Сu) используются системы Contimelt.

Тип печи и этапы производственного процесса зависят от содержания сырья, его размерных и других характеристик. Таким образом, плавка и рафинирование вторичной меди является комплексным процессом, и тип вторичного материала, который можно перерабатывать, зависит от конкретного имеющегося оборудования и печи [19]. Описание печей представлено в Б.1. Схема технологического процесса производства вторичной меди представлена на рисунке 2.3.

Железо (в виде железистой меди, обычного железного лома и т.д.), углерод (в виде кокса или природного газа) и флюс добавляют по мере необходимости для восстановления оксидов металла, и процессы ведутся в соответствии с используемым типом шихты. В результате восстанавливающей плавки происходит возгонка, в первую очередь, цинка, олова и свинца, которые выделяются в форме оксидов вместе с отходящими газами и собираются в системе сбора пыли. Содержание пыли, диоксида серы, ПХДД/Ф и ЛОС в отходящих газах печей зависит от состава сырья. Для последующей очистки после отделения пыли отходящие газы направляются на мокрую пылегазоочистку [33]. Собранная пыль поступает на дальнейшую переработку для восстановления металлов, извлеченных из шихты.

2.4.2.2 Конвертирование, огневое рафинирование, переработка шлака и электрорафинирование, переработка чистого лома сплавов

Печи для конвертирования и рафинирования аналогичны печам для переработки первичной меди; системы переработки шлака и электрорафинирования также похожи. Главное различие в том, что в конвертерах, применяемых во вторичном производстве, производится плавка металла или черной меди, а не штейна. В качестве топлива для поддержания температуры плавки в них добавляют кокс или природный газ, а в первичных конвертерах необходимая температура обеспечивается штейном [19]. Во вторичных конвертерах элементы, присутствующие в небольших количествах, такие как железо, окисляются и переходят в шлак, а другие металлы, такие как цинк или олово, возгоняются. В них получают черновую медь, которая затем поступает на огневое рафинирование. Теплота реакции окисления, выделяющаяся при продувке конвертера, служит для возгонки металлических компонентов, а подача шлакообразующих добавок позволяет сформировать слой шлака и перевести в него железо и часть свинца. Поскольку тепловой баланс конвертеров, работающих на металле, достаточно напряжен (тепла экзотермических реакций, как правило, не хватает), в конвертер добавляют коксик или подогревают природным газом. Чистый высококачественный медный лом напрямую загружается для плавки в печи огневого рафинирования.

Шламы электрорафинирования и отработанные растворы также служат источником драгметаллов и таких металлов как никель. Для их извлечения применяют технологии, аналогичные тем, которые используются при первичном процессе.

Медные сплавы, такие как бронзы и латуни, также используются в качестве вторичного сырья в ряде процессов. Если они загрязнены или смешаны с другими сплавами, то они перерабатываются в процессе вторичной плавки и рафинирования как описано выше в подпункте 2.4.2.1 [33].

Чистый сплав применяется непосредственно для производства полуфабрикатов. Чистый материал плавят в индукционных печах, после чего разливают в формы для последующих этапов производства. Производство сплава заданной марки обеспечивается путем анализа и контроля состава шихты без значительных добавок первичного металла. Оксид цинка получают из пыли, оседающей на фильтрах.

На некоторых предприятиях в зависимости от типа загружаемого материала на первом этапе получают летучую пыль с высоким содержанием свинца и цинка, например, в процессе плавки в шахтной печи низкосортного материала. Эти пыли содержат до 65% цинка и свинца и служат в качестве сырья для получения свинца и цинка.

Для извлечения меди из растворов сульфата меди, образующихся при выщелачивании "грязной" меди, или в гидрометаллургическом процессе извлечения раствором, используется метод электроэкстракции. В процессе электроэкстракции здесь используются инертные аноды, например свинцовые или титановые, а в качестве катодов - матрицы из нержавеющей стали или медные пластины. Ионы меди извлекаются из раствора и оседают на катодах также как при электрорафинировании. Сдирка катодов происходит также как и при использовании постоянной катодной основы. Электролит циркулирует по серии ванн до тех пор, пока из него будет извлечена вся медь. После этого электролит возвращается в цикл экстракции растворителем. Часть электролита выводят из циркуляции для контроля примесей на этапе экстракции растворителем.

Процесс электроэкстракции обычно реализуется в две стадии. На первой из электролита извлекают медь до уровня, при котором еще можно получить товарные медные катоды. На второй стадии электроэкстракции (обезмеживания) из электролита в катоды извлекают медь до уровня 1-2 г/л. Напряжение в экстракционных ваннах приблизительно в пять раз выше, чем в ваннах для электролиза меди с растворимыми медными анодами. Периодически из оборота "растворение-электроэкстракция" выводят часть обезмеженного электролита из-за обогащения раствора металлами-примесями, такими как, никель, мышьяк, цинк, железо.

2.4.3.1 Процесс Southwire

Медные катоды и лом рафинированной меди плавят в шахтных печах. Скорость плавки достигает 60 т/ч. Примерная схема процесса Southwire приведена на рисунке 2.4

2.4.3.2 Процесс Contirod

Медь плавят в шахтной печи, описанной выше. Расплавленная медь из печи через желоб с гидравлическими затворами поступает в поворотный миксер, нагреваемый газом. Затем медь поступает через наливную воронку, которая автоматически регулирует скорость подачи металла в литейную машину [34]. Примерная схема процесса Contirod приведена на рисунке 2.5.

2.4.3.3 Процессы Properzi и Secor

Непрерывные процессы Properzi и Secor аналогичны процессу Southwire (см. подпункт 2.4.3.1); основное отличие заключается в геометрии литья [34]. Параметры, описанные для процесса Southwire, также характерны и для этих двух технологий производства медной катанки.

2.4.3.4 Процесс восходящего литья

Медь плавят в индукционной печи канального типа. Расплав порциями поступает в индукционный миксер. При небольшом объеме производства достаточно использовать одну комбинированную плавильно-раздаточную печь [34].

Тянуще-правильная машина расположена над миксером. Водоохлаждаемые графитовые фильеры-охладители погружены на определенную глубину в расплав, и расплавленная медь непрерывно затягивается в фильеры, где она затвердевает и втягивается в трайб-аппарат. Затвердевшая катанка поднимается вверх с помощью трайб-аппарата.

2.4.3.5 Процесс вытягивания из расплава на затравке

Предварительно нагретое сырье загружают в индукционную печь канального типа. Расплавленная медь поступает в миксер и тигель, который соединен с миксером. Затравка диаметром 12,5 см вытягивается через входную фильеру в основании тигля. Протягивание затравки через расплав и контроль окончательного диаметра верхней фильерой формирует диаметр. Литейная заготовка проходит через ролики, регулирующие натяжение, на трехэтапный прокатный стан для изготовления катанки диаметром 8,0 и 12,5 мм [34].

Рисунок 2.6 - Общая схема процесса производства полуфабрикатов [26]

2.4.4.1 Процессы плавки

Медь и медные сплавы плавят периодической плавкой в электрической или индукционной печи (тигельной или канального типа). При необходимости высокой скорости плавки применяют непрерывную плавку меди в шахтной печи. Для плавки и огневого рафинирования меди также применяют отражательные печи (для плавки также применяются тигельные печи). Системы отвода и очистки печных газов выбирают в соответствии с составом сырья и степенью его загрязненности. Отходящие газы электропечей обычно подвергают последовательной очистке в циклонах, а затем в рукавных фильтрах. Для шахтных печей с газовыми горелками решающим фактором является выбор режима работы горелок для минимизации содержания СО в отходящих газах. При высоком содержании СО (например, >5% от общего объема отходящих газов) на шахтных печах устанавливают дожигающие устройства и систему рекуперации тепла, а также рукавные фильтры для улавливания пыли.

В качестве сырья используются медные катоды, лом меди и сплавов цветных металлов, обычно складируемые на открытых площадках для подбора комбинации компонентов исходного сырья с целью получения сплава заданного состава. Предварительная сортировка и комбинирование позволяют значительно сократить время, необходимое для плавки, что снижает расход энергии и зависимость от дорогой лигатуры. При этом для индукционных печей лом измельчают для повышения эффективности плавки, упрощения использования вытяжек и т.д.

Сырье может также включать латунную или медную стружку, покрытую смазкой. В таких случаях предусматриваются меры, препятствующие проникновению масла за пределы площадок хранения сырья и загрязнению почвы и поверхностных вод. Для удаления смазки и других органических загрязнений применяют сушильные или иные печи, либо методы обезжиривания растворителями или водой [33].

При плавке латуни или бронзы происходит возгонка цинка, которую можно минимизировать, регулируя температуру. Возгоны собирают с помощью системы газоудаления и направляют на рукавные фильтры. Пыль с рукавных фильтров поступает на заводы по производству цинка и свинца. Образование возгона цинка при огневом рафинировании учитывается при проектировании системы газоотведения.

2.4.4.2 Литье заготовок

Обычно литье расплавленного металла из печи или миксера происходит непрерывно или циклами [34]. При непрерывном процессе используют технологии вертикального или горизонтального литья, а при циклическом процессе литье обычно вертикальное. Также применяют восходящее литье. Полученные биллеты и слябы подлежат последующей переработке.

Принципиальная схема непрерывного и циклического литья представлена на рисунке 2.7.

2.4.4.3 Изготовление труб, профиля и прутка

Производственные линии можно разделить по двум группам продукта с одинаковыми этапами технологического процесса:

- медные трубы прямые и в бунтах;

- трубы из меди (медных сплавов), а также катанка, пруток, проволока и профиль из меди и медных сплавов.

В обоих случаях сырьем служат биллеты из меди и медных сплавов. На первом этапе биллеты предварительно нагревают в электрических или газовых печах, а затем производят трубы на гидравлической экструзионной линии [33]. Для производства медных труб, в зависимости от типа продукта, применяются следующие промышленные процессы:

- экструзия труб с последующим многоступенчатым волочением до заданного размера;

- экструзия труб с последующим прокатом и несколькими этапами волочения до заданного размера;

- горячий прошивной стан с последующим прокатом и волочением до заданного размера.

При экструзии или прокате биллет для получения труб с толстой стенкой на первом этапе предпочтительно использовать обжимной прокатный стан.

Для изготовления методом экструзии тонкостенных труб применяют волочильные машины.

Процесс производства катанки, прутка, проволоки и профиля из медных сплавов включает экструзию в бунтах или прямую зачистку и травление, волочение до заданного размера (на волочильных станах или непрерывных волочильных машинах), тепловую обработку для определенных сплавов, выпрямление и резку.

Весь процесс, начиная с экструзионного пресса или горячего прошивного пресса, представляет собой последовательность (в большинстве случаев) этапов изменения формы и размера. На всех этих этапах узлы оборудования, применяемые для изменения формы и размера, охлаждаются и защищаются с помощью специальной среды с использованием эмульсии для обжимного проката и смазочных веществ для волочильных устройств. Эмульсия с обжимного стана очищается путем фильтрации, таким образом, увеличивается время эксплуатации и снижается количество смазки для последующей обработки. Смазка, используемая для волочения, расходуется безвозвратно.

Продукция обычно подвергается отжигу и обезжириванию перед транспортировкой, а обрезки обезжириваются в печи или с помощью других методов обезжиривания перед возвратом в плавильную печь. Отжиг продукта происходит в различных печах в восстановительных условиях с применением "экзогаза" (в качестве защитной атмосферы) или водородно-азотной смеси.

Медные трубы можно производить с использованием экструзионного пресса с прошивным оборудованием, на котором из биллетов изготавливают трубные заготовки, с последующей прокаткой на обжимном стане (пилигримовый стан) и финальным волочением до заданного диаметра на волочильном оборудовании. Для волочения используется масло (в небольшом количестве), которое нейтрализуется при обезжиривании/травлении на участке отжига.

2.4.4.4 Изготовление листов и полос

Слябы и слитки часто служат сырьем для изготовления листов и полос. Ключевым элементом технологического процесса производства плоского проката является горячий и холодный прокат. Технологический процесс включает следующие этапы:

- предварительный нагрев;

- горячий прокат и обработка;

- холодный прокат;

- промежуточный отжиг;

- травление, промывка и сушка;

- повторный прокат и отжиг заготовки;

- чистовая обработка:

- листы (раскрой по длине);

- полосы (раскрой по ширине).

Для горячего проката слябов требуется 15-20 проходов, количество которых определяется окончательной формой и весом слябов. При горячем прокате нет потери металла, и вес сляба и бунта совпадает. При горячем прокате не требуется создания защитной среды. Уровень шума при прокате регулируется с помощью специальных защитных мер [18].

Для горячего волочения обычно используют двойной прокатный стан с участками длиной до 200 м и бунтоукладчиком. Охлаждающая ролики вода содержит незначительное количество смазки, добавляемой для снижения сцепляемости со стальными роликами. Образующийся в процессе пар отводится через систему вентиляции с предварительной очисткой газа перед выпуском его в атмосферу.

Затем следует этап холодного проката затвердевшего металла. В большинстве случаев перед холодным прокатом продукция подвергается отжигу. Отжиг происходит в восстановительной атмосфере экзогаза или водородно-азотной смеси для предотвращения окисления. Экзогаз получают на производственной площадке из природного газа в специальном реакторе непрямого нагрева. Азот и водород приобретают и хранят на промплощадке в специальных емкостях. Водородно-азотную смесь изготавливают путем смешивания компонентов в заданной пропорции. Отжиг перед холодным волочением осуществляют в печах с конусным загрузочным устройством с электронагревом и непрямым нагревом природным газом или мазутом. Для промежуточного отжига бунтов перед прокатом применяют печи башенного типа.

Толщина листа уменьшается при прохождении этапов холодного проката на реверсивных прокатных станах, таких как Duo, Quarto, Sexto, Sendzimir (12 роликов). Также используется сочетание прокатного стана, например однониточного, с многониточным прокатным станом. Выбор типа прокатного стана определяется толщиной листа и заданным размером бунта.

При холодном прокате для защиты роликов применяют эмульсию или масло. Газ, отходящий от прокатного стана, подлежит очистке на механических фильтрах, мокрых электростатических фильтрах или скруббере. Эмульсия и масло очищают от частичек металла, пропуская его через бумажные или тканевые фильтры.

Типичные характеристики процесса производства латунных полос представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Типичные характеристики процесса производства латунных полос [26]

2.4.5.1 Лигатура

Шихта обычно формируется предварительно согласно заданному составу сплава, но расплавленный металл может быть перелит в печь-ковш или миксер для корректировки состава сплава перед разливкой. Используется такие лигатуры, как CuP, CuNi, CuZnPb, СuВе и т.д. Эти лигатуры получают в тех же печах, которые описаны выше; состав отходящих газов и пыли при производстве лигатур определяет выбор системы управления процессом и системы отвода и утилизации отходящих газов. При наличии особо опасных элементов, таких как бериллий, или при наличии в составе флюса фосфора следует применять системы, обеспечивающие высокие показатели очистки. Например, медно-фосфорная лигатура производится следующим образом. Две печи (обычно индукционные) работают последовательно. Медь плавят в первой печи, откуда расплав поступает во вторую печь, где в него через фурму впрыскивают расплавленный фосфор. Скорость подачи контролируют для минимизации образования паров пентоксида фосфора, особенно на конечном этапе, когда достигается точка насыщения металла фосфором (<14% Р). Затем расплав разливают в изложницы. Пары пентоксида фосфора продолжают образовываться при охлаждении металла в изложницах, если содержание фосфора очень высокое.

Пентоксид фосфора очень гигроскопичен, и его пары не могут быть очищены на традиционных рукавных фильтрах, так как они абсорбируют влагу, что приводит к образованию фосфорной кислоты на поверхности фильтрующей ткани. Традиционная мокрая очистка также не обеспечивает полной очистки, так как мелкодисперсные пары образуют туман, который не улавливается средой скруббера. Эффективное снижение концентрации фосфорсодержащих соединений в потоке газа достигается при использовании высокопроизводительных скрубберов вентури или фильтров с набивкой из стекловолокна. Теоретически может производиться слабая кислота для последующего использования, но это трудноосуществимо.

2.4.6.1 Бескислотное травление медной катанки

Этот процесс имеет замкнутый цикл. Катанка подвергается травлению непосредственно на линии в разделенной на секции горизонтальной стальной трубе с использованием 2,5%-3,5% водно-спиртового раствора изопропанола (изопропилового спирта - ИПС). Процесс преобразования оксида меди (частично остающегося на прутке) в медь под воздействием спирта известен под названием технология Бернса (Burns) [34]. Отработанный травильный раствор может перерабатываться с целью извлечения ИПС или перегоняться в вакууме. Шламы/твердые частицы после выделения из травильных растворов используются для извлечения металла. Стоки, образующиеся при извлечении ИПС, и отработанный травильный раствор можно использовать при подготовке эмульсии или отправлять на водоочистные сооружения.

После травления катанку сушат сжатым воздухом. Затем ее покрывают воском путем распыления восковой эмульсии для защиты поверхности от окисления. Катанку укладывают в бунты на деревянные паллеты, увязывают и упаковывают в полиэтилен и полипропилен.

2.4.6.2 Кислотное травление медной катанки и полуфабрикатов из меди и медных сплавов

Медная катанка

Кислотное травление медной катанки производится в разделенной на секции горизонтальной трубе из нержавеющей стали [34]. В первом варианте травление осуществляется разбавленной серной кислотой, затем остатки кислоты смываются с поверхности катанки в несколько этапов путем распыления воды с последующей сушкой сжатым воздухом и покрытием воском. Отработанная кислота отправляется на переработку или извлечение металла. Для защиты работников системы травления оснащены вентиляцией.

Продукция промывается, промывочная вода направляется на очистку, а образующиеся шламы по возможности перерабатываются. Для удаления смазки с поверхности проката используют детергенты. Отработанная вода очищается путем ультрафильтрации. Если для обезжиривания поверхности используют органические растворители, то применяют установку для обезжиривания в парах растворителя. В этом случае, в образующемся на водоочистных сооружениях шламе могут присутствовать хлорированные углеводороды.

Во втором варианте, после частичного охлаждения, бунт катанки укладывают спиралью в длинную заполненную водой трубу, соответствующую диаметру бунта на рольганге, где ее температуру снижают до 20°С с помощью орошения водой. Затем кислотоустойчивый конвейер транспортирует бунт в емкость для травления катанки 20% раствором серной кислоты. Такая система травления кислотой обеспечивает практически полное удаление окислов с поверхности катанки. Затем катанка промывается и покрывается воском.

Для извлечения меди, растворенной при обработке кислотой, применяют электроэкстракцию. Образующийся промывочный раствор может использоваться в качестве подпиточной жидкости для участка электроэкстракции, расположенного на той же производственной площадке, или очищается с помощью ионного обмена.

После освоения процесса бескислотного травления катанки при помощи изопропилового спирта, кислотное травление при производстве катанки на российских предприятиях практически не применяется.

Полуфабрикаты из меди и медных сплавов

Травление поверхности листов и лент обычно осуществляется с применением серной кислоты (8%-10%), но для некоторых специальных сплавов в непрерывных процессах или автоматических системах применяют смесь серной и азотной кислот. Для удаления паров азотной кислоты используется специальная система газоочистки. Периодически кислоту заменяют, чтобы не снизить качество обработки поверхности [34].

Отработанная кислота поступает для извлечения металлов на собственные или внешние очистные сооружения. Для защиты персонала на участках травления применяется принудительная вентиляция. Вода после промывки также поступает на нейтрализацию, а шлам по возможности перерабатывается. Для обезжиривания поверхности проката используют воду с детергентом, которая затем очищается на установках ультрафильтрации.

2.5.2.1 Процессы и методы, применяемые для руд и концентратов

Руды и концентраты могут доставляться к месту переработки автомобильным, железнодорожным и водным транспортом. В пунктах их разгрузки широко используются системы предотвращения пыления, улавливания и очистки от пыли.

Производственный экологический контроль, играющий все более важную роль в повышении эффективности переработки, сокращении потребления энергии и снижении эмиссий, обычно основан на эффективных методах отбора и анализа проб, регистрации параметров сырья, что позволяет определить оптимальные эксплуатационные характеристики основных технологических процессов. Это во многом определяет выбор методов хранения и обработки.

Разгрузка, хранение и перемещение твердых материалов выполняется с помощью тех же методов, которые применяются для твердого топлива. Обычно для данных материалов применяются более строгие требования к условиям хранения, поскольку они обычно химически более активны, имеют меньший размер частиц, легче образуют воздушные взвеси или смываются в воду. Широко используются автоматические устройства быстрой герметизации. Вещества, используемые для флюсования и шлакования, также доставляются на площадку, хранятся и перерабатываются аналогично рудам и концентратам.

Руды и концентраты (если они образуют пыль) и другие пылящие материалы обычно хранятся в закрытых зданиях. Также используются накрытые и укрытые штабеля и бункеры. Открытые штабеля используются для хранения крупных фракций окомкованного материала, однако они обычно размещаются на площадках с твердым, влагонепроницаемым покрытием, например бетонированных, для предотвращения материальных потерь, загрязнения почв и руд. Некоторые крупнокусковые материалы не размещают на площадках с твердым покрытием из-за возможных повреждений покрытия, которые могут вызвать скрытые проблемы. Для разделения руд разного качества между их штабелями часто оставляют проходы.

Руды и концентраты обычно используются на крупных установках, поэтому в качестве основного места хранения бункеры используются не часто, но они могут использоваться для промежуточного хранения, либо для приготовления рудных/флюсовых смесей. Для взвешивания руд и флюсов с целью получения оптимальных смесей и улучшения технологического контроля используются системы дозирования "по изменению веса" и конвейерные весы, дозаторы.

Для пылеподавления часто используется распыление воды, но при необходимости использования сухой шихты этот метод обычно не применяется. Для пылеподавления без переувлажнения материала используются альтернативные методы, такие как мелкодисперсные распылители, позволяющие получать водяной туман. Некоторые концентраты изначально содержат достаточно влаги для предотвращения пыления.

Для предотвращения пылеобразования в условиях ветреной погоды могут использоваться поверхностно связывающие агенты (такие как меласса, известь или поливинилацетат). Связывание частиц поверхностных слоев может предотвратить их окисление и последующую утечку материала в грунт или поверхностные стоки.

Разгрузка рудных материалов может быть потенциальным источником значительных выбросов пыли. Основная проблема возникает, когда полувагон или иное опрокидывающееся транспортное средство разгружается под действием силы тяжести. Интенсивность разгрузки не контролируется, что приводит к существенным выбросам пыли, которые могут превзойти возможности пылеподавления и пылеулавливания. В таких случаях могут использоваться закрытые разгрузочные помещения с автоматическими дверями.

Также используются прозрачные пластиковые экраны, которые располагаются напротив опрокидываемых вагонов. В этом случае воздушная волна, возникающая при разгрузке, проходит в распорную секцию (sprung section) и контейнер поглощает энергию разгрузки; давление воздуха амортизируется, что позволяет вытяжной системе справляться с возросшей нагрузкой.

Материал может разгружаться при помощи конвейера с нижней подачей, грейферного крана или фронтального погрузчика, для транспортировки пылящих материалов используются полностью закрытые конвейеры. Для транспортировки плотных материалов также применяются пневматические системы. Для улавливания пылящих материалов в стационарных пунктах разгрузки или в точках перегрузки на конвейерах могут использоваться аспирационно-фильтрующие системы. При использовании открытых конвейеров пыление может возникать при слишком быстром движении ленты (например, при скорости выше 3,5 м/с). При использовании фронтального погрузчика пыление возможно на всем протяжении дистанции транспортировки.

Твердые частицы могут налипать на колеса и другие части транспортных средств, загрязняя дороги, как на промышленной площадке, так и за ее пределами. Для устранения этого вида загрязнения часто используется мойка колес и днища (или, например, при отрицательных температурах, другие методы очистки). Эту проблему может усугубить использование фронтальных погрузчиков, большего, чем необходимо, размера.

Подметальные машины и другое специализированное оборудование, применяющее комбинацию распылителей воды и вакуумного всасывания, широко используется для сбора пыли, в том числе со старых складских территорий, для поддержания чистоты внутренних дорог и предотвращения вторичного пыления.

В зависимости от местной топографии необходимо предпринимать меры предосторожности в отношении паводков/наводнений и связанных с ними эмиссий токсичных материалов.

2.5.2.2 Процессы и методы, применяемые для вторичного сырья

Для цветной металлургии характерно активное извлечение металлов из различных видов сырья, т.е. используется широкий спектр вторичных материалов. Лом металлов, съемы/дроссы, пыли используются как источники металлов, при этом такие материалы нередко содержат несколько видов металлов или их соединений. Комплексный подход в рамках одного предприятия или между близко расположенными несколькими предприятиями может содействовать эффективному использованию вторичного сырья [39]. Вторичные материалы также используются в рамках некоторых технологий переработки первичного сырья.

Источник вторичного сырья может дать информацию о потенциальных эмиссиях, связанных с присутствием кислот, нефтепродуктов, органических загрязнителей (из которых во время плавки могут образовываться ПХДД/Ф), анионов и таких компонентов как аммиак, образующихся в результате взаимодействия съемов/дроссов с влагой. Это прямо влияет на возможные эмиссии в атмосферу, водную среду и на почву, причем может быть эмитирован любой из этих компонентов. Контроль наличия в составе материалов (например, путем проверки и сортировки) непредвиденных примесей и загрязняющих веществ может быть экономически эффективен с точки зрения чистоты готового продукта и снижения эмиссий.

Физическое состояние материала также влияет на методы хранения и переработки. Материалы могут быть пылящими, маслянистыми, могут значительно различаться по размеру: от тонкодисперсной пыли до крупных кусков. Эти факторы оказывают влияние на выбор методов доставки, хранения и переработки. Методы обращения с первичным сырьем применяются наряду с другими перечисленными ниже методами.

Вторичные сырьевые материалы могут доставляться на площадку в мешках МКР (биг-бэгах), либо в бочках. Физическое состояние материала определяет метод доставки и метод хранения. Источник материала также может определять значительное воздействие, в связи с чем применяются различные методы сортировки материалов. В большинстве случаев осуществляются контроль качества и анализ загружаемых материалов.

Крупные компоненты и такие материалы, как стружка, обрезь и шлифовальный шлам, хранятся на бетонированных площадках, которые могут быть открытыми, закрытыми или находиться внутри зданий. Некоторые материалы крупных фракций не хранятся на площадках с покрытием, если они могут повредить такое покрытие. Разнородные материалы обычно хранятся в отдельных штабелях для разделения различных сортов материала и составов для различных сплавов.

Пылящие материалы и съемы/дроссы также хранятся в раздельных штабелях, которые могут быть открытыми, укрытыми или находиться внутри зданий. Эти материалы могут быть самовоспламеняющимися или реагировать с влагой, образуя в зависимости от химического состава аммиак или другие газы, такие как арсин (мышьяковистый водород) или стибин (сурьмянистый водород). Поэтому при выборе методов хранения необходимо учитывать эти факторы. Холодный пылящий материал может быть покрыт связующим материалом, таким как меласса, с получением сухой крошки, исключающей образование пыли. Присутствие в сырье связующего материала не влияет на параметры пирометаллургических процессов.

Вторичные сырьевые материалы могут быть загрязнены различными другими материалами, такими как нефтепродукты, кислоты и органика, которые могут быть смыты в дренажные системы. Возможность загрязнения такими веществами ливневых и других стоков учитывается при разработке методов хранения и очистки стоков с соответствующих площадок. Для предотвращения загрязнения водных объектов применяются обвалование площадок, герметизация их поверхности и нефтеловушки.

При обращении с материалами в зависимости от способа хранения используются различные методы. Применяются грейферы, конвейеры, бульдозеры, фронтальные погрузчики, экскаваторы. Вторичные материалы перед использованием и предварительной обработкой часто необходимо смешивать, в этом случае используются промежуточные площадки для хранения.

2.5.2.3 Процессы и методы, применяемые для топлива

Топливо может использоваться непосредственно как источник тепла, как восстановитель или и в том и в другом качестве. Тип использования должен определяться конкретно для каждой отдельной установки. Топливо может доставляться на площадку по трубопроводу, автомобильным, железнодорожным или водным транспортом. Методы доставки находятся вне области применения настоящего документа, но использование колесного транспорта для регулярной доставки может увеличить уровень шума и перегрузку движения транспорта на площадке и в непосредственной близости от нее.

Доставка и хранение топлива обычно контролируются оператором объекта с целью предотвращения разливов и утечек. К числу используемых методов относятся следующие.

Жидкое топливо

Для доставки наиболее часто используются автомобильные и железнодорожные цистерны. Для систем хранения топлива на площадке характерно использование резервуаров с вентилируемой или плавающей крышей, размещаемых в закрытых зонах, либо внутри обвалования, емкость которого достаточна для удержания содержимого самого большого резервуара (или 10% от общего объема всех резервуаров, в зависимости от того, что больше). Для предотвращения попадания нефтепродуктов в ливневые стоки используются эффективные нефтеловушки.

Часто практикуется дренирование испарений от резервуаров для хранения обратно в загрузочный резервуар, за исключением случаев использования плавающей крыши. При доставке жидкого топлива и сжиженных газов используется автоматическая повторная герметизация соединяющих трубопроводов. Питающие соединения находятся внутри обвалованной территории.

Общепринятой практикой являются регулярные проверки содержимого резервуара для обнаружения утечек и определения безопасного объема загрузки. Используются системы подачи сигналов тревоги. В некоторых случаях применяется инертная атмосфера.

Для доставки жидкого топлива могут также использоваться трубопроводные системы, включающие резервуары промежуточного хранения. Раздача топлива для технологических нужд из резервуаров хранения обычно производится по воздушным трубопроводам, сервисным траншеям или, реже, по подземным трубопроводам. Для предотвращения повреждения воздушных трубопроводов используются барьеры. Использование подземных трубопроводов может затруднять выявление утечек топлива, которые могут повлечь загрязнение почвы и подземных вод.

При наличии риска загрязнения грунтовых вод территория для хранения должна быть изолирована и устойчива к воздействию хранящегося материала.

Газообразное топливо

Общепринятой системой доставки газообразного топлива являются трубопроводы. Хотя сжиженный нефтяной газ может рассматриваться как жидкость, при обращении с ним применяются те же методы, что и при обращении с газом.

Доставка газа часто связана с применением оборудования для понижения давления или, иногда, компрессорного оборудования. В любом случае для выявления утечек часто используют измерение давления и объема, а для контроля состояния атмосферы на рабочих местах и поблизости от резервуаров хранения - газовые датчики.

К числу общепринятых методов относятся распределение газа с помощью воздушных трубопроводов или трубопроводов, размещаемых в сервисных траншеях; при этом, применяются соответствующие методы защиты этих трубопроводов от повреждений.

Твердое топливо

Для доставки твердого топлива используется автомобильный, железнодорожный или водный транспорт. В зависимости от типа (например, кокс, уголь) и риска пылеобразования топливо хранят в бункерах, закрытых штабелях, открытых штабелях или в зданиях.

Открытые штабели используются нечасто, но там, где они применяются, их проектируют с откосом с наветренной стороны; могут устанавливаться ограждающие стены для уменьшения воздействия ветра и сохранения материала. Материал может перегружаться конвейером, грейфером или фронтальным погрузчиком.

Конвейерные системы проектируются с минимальным числом поворотов и минимальной высотой падения на этих поворотах, чтобы сократить потери и пылеобразование. В зависимости от риска пылеобразования используются закрытые, укрытые или открытые конвейеры; при необходимости используются системы фильтрации и пылеочистки. При использовании открытых конвейеров пыление может возникать при слишком быстром движении конвейера (т.е. свыше 3,5 м/с). С целью предотвращения потерь для очистки возвратной секции конвейера используются ленточные скребки.

Для предотвращения выбросов пыли может контролироваться влажность топлива. Выбросы пыли возможны при использовании сухого и тонкодисперсного материала. Здесь сокращению воздействия может способствовать наличие в контракте на поставку топлива его спецификации с указанием параметров влажности и приемлемой концентрации тонкодисперсных фракций [17].

Для предотвращения пылеобразования под воздействием ветра и поверхностного окисления топлива над открытыми штабелями в некоторых случаях разбрызгивается вода или связующие агенты (такие как поливинилацетат или меласса). Поскольку твердые частицы могут быть смыты в дренажные системы, для предотвращения загрязнения стоков с открытых штабелей часто используется осаждение этих стоков.

Твердое топливо может транспортироваться по площадке при помощи грузовых автомобилей, конвейера, пневматических систем. Часто в качестве временных или резервных хранилищ используются силосы или бункеры. Эти системы обычно включают пылеулавливающее и фильтрующее оборудование.

2.5.2.4 Процессы и методы, применяемые для образующихся химических веществ и газов

Кислоты и щелочи, другие химические реагенты часто используются в основных технологических процессах для выщелачивания металлов, осаждения соединений или в очистном оборудовании, а также могут производиться в ходе основного технологического процесса.

Поставщик, как правило, указывает требования к условиям хранения таких материалов. Многие из этих реагентов могут взаимодействовать между собой, что учитывается при определении методов их хранения и переработки: обычно применяется раздельное хранение химически активных материалов. Жидкости обычно хранятся в бочках или резервуарах на открытых или закрытых обвалованных территориях; при этом для таких территорий используются покрытия, устойчивые к воздействию кислот и химических веществ. Твердые материалы обычно хранятся в бочках или мешках МКР (биг-бэгах) в помещениях с изолированными дренажными системами; для хранения некоторых материалов, таких как, например, известь используются силосы. Применяются пневматические транспортные системы.

В производстве меди, как и других цветных металлов, для различных целей используются газы. В частности, в больших объемах могут применяться технологические газы. Потребление отдельных видов газов оказывает влияние на методы их транспортировки и распределения.

Для улучшения сгорания, обеспечения окисления и улучшения процесса конвертирования используется кислород; для восстановления оксидов металлов используются природный газ, бутан или пропан. Диоксид углерода, азот и аргон используются для обеспечения инертной атмосферы и для дегазации расплавленного металла. Окись углерода и водород используются в основных технологиях. Водород и диоксид серы используются для восстановления оксидов и солей. Хлор и кислород используются в процессе выщелачивания.

Оператор может производить газы на своей площадке для собственных нужд, хотя известны случаи выпуска газов по контрактам для поставки на другие площадки. На некоторых объектах для улучшения горения используется кислород, а для подавления искрения воспламеняющихся материалов - азот. Для производства обоих этих газов используются одни и те же криогенные процессы или процессы, основанные на перепадах давления; производимый низкокачественный азот может применяться в ряде операций, требующих инертной среды. Аналогичным образом дымовые газы с низким содержанием кислорода могут использоваться для предотвращения самовозгорания.

Газы могут транспортироваться в цистернах или по трубопроводам. Контроль объема запасов и давления обеспечивают обнаружение утечек для всех газов.

Для смешивания газов (например, приготовления смесей аргона и хлора) используются балансировка и слияние потоков. При небольших потребностях могут поставляться предварительно смешанные газы.

Распределение газов внутри площадки обычно обеспечивается воздушными трубопроводами, снабженными надежными системами защиты от повреждений.

Рисунок 2.8 - Система улавливания "дом-в-доме"

Кроме вышеупомянутых методов имеются сведения о следующих мерах по предотвращению неорганизованных выбросов и улавливанию отходящих газов металлургических процессов.

Увеличение объема шихты, загружаемой в печь или ячейку, для обеспечения лучшей герметизации и улавливания отходящих газов.

Обновление или усовершенствование оборудования для улавливания и фильтрации отходящих газов.

Сокращение времени простоя печи за счет улучшения огнеупорной футеровки (тем самым сокращается время разогрева и останова, когда происходит краткосрочное увеличение выбросов).

Герметизация крыш производственных зданий и модернизация фильтров.

Проведение исследований динамики потоков печных газов с помощью компьютерных моделей, а также потоков печных газов и движения конденсированных электролитов с помощью трассеров [41] для предотвращения и сокращения неорганизованных выбросов. Использование этих методов позволяет оптимизировать режимы эксплуатации систем газоулавливания. Параллельно шло совершенствование конструкции печей и систем подачи электролита для обеспечения загрузки сырья небольшими одинаковыми по объему партиями, что также вносят свой вклад в предотвращение неорганизованных выбросов [41].

Критерии проектирования. Системы улавливания и коэффициенты очистки проектируются на основе достоверных данных об улавливаемом материале (размеры частиц, концентрация и т.п.), о форме облаков пыли в условиях предельных режимов и о влиянии изменений объема, давления и температуры на эти системы. Для достижения оптимальных проектных параметров и эффективности улавливания могут использоваться компьютерные модели динамики потоков [42]. Корректное измерение или оценка объема, температуры и давления газа выполняются для того чтобы обеспечить необходимую степень очистки на пике газовых потоков. Для качественного проектирования с целью предупреждения истирания, отложения, коррозии или конденсации также необходимо измерять и некоторые другие параметры, характеризующие состояние газа и пыли. Другим важным фактором является обеспечения доступа к зонам загрузки материалов и выпуска расплавов из печи при сохранении высокого уровня улавливания отходящих газов; для учета этого фактора на стадии проектирования необходимо использовать практический опыт персонала, эксплуатирующего печи.

Существуют и другие методы улавливания неорганизованных выбросов, которые невозможно предотвратить, либо ограничить [40], [43], [44], [45].

Закрытие и очистка от загрязнений старых складских территорий или объектов утилизации.

Применение критериев проектирования для систем улавливания и очистки полезно не только для предотвращения выбросов в атмосферу, но и для сокращения энергопотребления, так как улавливание газа требует перемещения больших объемов воздуха и может быть связано с потреблением огромных объемов электроэнергии. При проектировании современных систем улавливания основное внимание уделяется увеличению доли улавливаемых загрязняющих веществ и минимизации объемов перемещаемого воздуха [26]. Конструкция системы улавливания или вытяжных зонтов очень важна, так как современные проектные решения могут обеспечить высокую эффективность улавливания без избыточного энергопотребления в остальной системе. Герметизированные системы, такие как закрытые печи, могут обеспечивать очень высокую эффективность улавливания и имеют преимущество перед другими, полугерметичными печами. Для оборудования с периодическим режимом работы, например конвертеров, характерна высокая изменчивость газовых потоков; герметизацию такого оборудования сложно обеспечить, поэтому его часто приходится оснащать вторичными вытяжными устройствами [17].

Для подачи улавливаемых газов на очистку или обработку используются газоходы и вентиляторы. Эффективность улавливания зависит от эффективности вытяжных устройств, целостности газоходов, устойчивой работы системы контроля давления/потока. Для обеспечения степени улавливания, отвечающей меняющимся условиям (например, изменениям в объеме отходящих газов), с целью минимизации энергопотребления используются вентиляторы с переменной скоростью. Также возможно использовать систему автоматического управления вентиляторами, которая включает их только на этапах процесса, связанных с образованием выбросов, как в вышеупомянутой системе "дом-в-доме". Системы улавливания также могут проектироваться с учетом характеристик установок, с работой которых они связаны, например установки газоочистки или сернокислотной установки. Используются системы управления, обеспечивающие качественное проектирование и обслуживание систем.

Рисунок 2.9 - Классификация стоков

Показанные на рисунке стоки могут содержать соединения металлов, присутствующие в технологических процессах, и оказывать существенное воздействие на окружающую среду. Даже в незначительных концентрациях некоторые металлы, такие как ртуть или кадмий, очень токсичны. Токсическое воздействие некоторых соединений металлов обусловлено тем, что в определенных химических условиях металлы могут легко поступать в природные водотоки в виде растворимых соединений, быстро и необратимо ассимилируясь в пищевую цепь [46].

2.7.1.1 Стоки, образующиеся при очистке отходящих газов

Оборудование для мокрой очистки выбросов постепенно замещается методами сухой очистки. Преимущества сухих методов газоочистки, таких как рукавные фильтры, заключаются в том, что отсутствует необходимость очистки шламов и сточных вод, а улавливаемая пыль часто может непосредственно возвращаться в основной процесс.

В определенных случаях без использования методов мокрой очистки воздуха, например мокрых скрубберов или мокрых электрофильтров, обойтись невозможно. В частности, они применяются, когда не подходят другие системы очистки и существует риск взрыва или возгорания от воспламеняющихся частиц, и когда газообразные вещества (например, диоксид или триоксид серы), а также твердые частицы необходимо удалить из потока отходящих газов. Мокрые электрофильтры необходимо использовать, когда нужно очищать влажные насыщенные газы с высоким содержанием пыли. Например, во время производства первичного цинка и меди с помощью скруббера и мокрого электрофильтра улавливаются отходящие технологические газы, содержащие пыль и диоксид серы. Мокрые электрофильтры также применяются для сбора смоляного тумана из отходящих газов печи для нагрева электродов. В мокрых скрубберах ускорение и замедление потока газа и атомизированная смачивающая жидкость образуют вихревое движение, вовлекающее газы, пыль и капли жидкости. Частицы пыли очень быстро намокают, и происходит ускорение химических реакций. Далее в коллекторе происходит удаление из газового потока капель жидкости и смоченной пыли. После этого могут быть извлечены для дальнейшей обработки загрязненные жидкие стоки. Если промывочная жидкость не насыщена растворимыми компонентами, то извлечение взвешенных твердых частиц в сгустителе позволяет повторно использовать промывочную воду. Однако, в некоторых случаях необходимо осаждение растворимых элементов для того, чтобы промывочную жидкость можно было использовать повторно.

Обычно стоки требуют дальнейшей обработки, например нейтрализации и (или) осаждения твердых частиц для их выделения из жидкости.

Слабая кислота, образующаяся в мокром электрофильтре, может перерабатываться следующими способами:

- путем концентрации и последующего разложения в плавильной печи, когда SO можно извлечь с помощью сернокислотной установки;

- обработанная жидкость обычно может подаваться в систему мокрой очистки, но для контроля состава жидкости должна быть возможность отбора проб;

- слабую кислоту, полученную в результате таких процессов, можно использовать повторно в других процессах.

Было отмечено, что в некоторых случаях технологические стоки из системы мокрой очистки плавильной печи содержат цианиды, образующиеся в результате реакции углерода с атмосферным азотом. Содержание цианидов можно снизить, используя стоки со скруббера для грануляции шлака, что приводит к выпариванию и окислению большей части цианидов.

2.7.1.2 Стоки, образующиеся при грануляции штейна или шлака, при производстве металлического гранулята и при разделении материалов по плотности

При производстве цветных металлов, штейн, шлак и полученный металл сливаются из печи. Материалы могут гранулироваться по отдельности за счет воздействия на них с помощью водяной струи высокого давления или применения иных систем охлаждения с целью образования одноразмерных частиц. Гранулированный металл впоследствии продается в виде металлических гранул. Гранулированный шлак можно использовать в других целях, а гранулированный штейн может применяться на этапе конвертирования. Типичная схема процесса гранулирования представлена на рисунке 2.10.

2.7.1.3 Охлаждающая вода

Как правило, на металлургических предприятиях для охлаждения отдельных узлов агрегатов широко используется охлаждающая вода. Она делится на бесконтактную и контактную охлаждающую воду.

Бесконтактная охлаждающая вода применяется для охлаждения печей, аспирационных зонтов печей, разливочных машин и т.д. В зависимости от размещения завода охлаждение может проводиться с помощью прямоточной системы или системы водооборота с градирнями. Вода из прямоточной системы охлаждения обычно поступает назад в природный источник, например в реку или пруд, из которых эта вода забиралась. В этом случае необходимо учитывать возможность повышенной температуры воды перед тем, как она сбрасывается в природный источник. Бесконтактная охлаждающая вода может также циркулировать в системе замкнутого водооборота, проходя через градирни.

Контактное охлаждение используется, например, во время литья или проката горячей заготовки. Использованная для прямого охлаждения вода обычно загрязнена металлами и взвешенными твердыми веществами, причем нередко она образуется в больших объемах. Из-за специфического состава и для того, чтобы избежать разбавления, охлаждающую воду прямого контакта очищают отдельно от других стоков.

Количество выделяемой теплоты и максимальные температуры на сбросе зависят от местных климатических условий. В частности, в каждом конкретном случае необходимо учитывать воздействие на водную среду. При необходимости проектируют специальные технологические системы охлаждения. В этом случае могут применяться следующие методы:

- водный теплообмен (поверхностные воды и т.п.);

- воздушный теплообмен;

- градирни-испарители.

В целях минимизации воздействия охлаждения на окружающую среду в целом рекомендуется использовать справочник НДТ для промышленных систем охлаждения.

2.7.1.4 Поверхностные стоки

Поверхностные/ливневые стоки образуются при загрязнении осадков, попадающих на крыши зданий и площадки с твердым покрытием. Загрязнение осадков происходит, например, при смыве содержащей металлы пыли с открытых складов или нефтепродуктов и других загрязняющих веществ с территории объекта в дренажную систему. Загрязнение поверхностных вод можно предотвратить или минимизировать с помощью передовых практик хранения сырья, а также регулярного техобслуживания и уборки всей производственной территории.

Поверхностные/ливневые стоки можно собирать отдельно. После отстаивания или химической очистки их можно использовать в производственных целях, например в качестве охлаждающей воды или при поливе открытой территории для предотвращения образования пыли.

2.7.1.5 Стоки, образующиеся при реализации гидрометаллургических процессов

Основные стоки, образующиеся при гидрометаллургическом производстве цветных металлов, перечислены в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Потенциальные источники стоков, образующихся при гидрометаллургическом производстве цветных металлов

Гидрометаллургический процесс обычно начинается с этапа выщелачивания. Во время выщелачивания желаемый металл и прочие элементы освобождаются от минералов и поступают в раствор.

Ниже перечислены типичные реагенты, используемые при выщелачивании и в других реакциях [48]:

- вода для водорастворимых соединений (медного купороса);

- серная, соляная и азотная кислоты или гидроксид натрия для оксидов металлов;

- комплексообразователи, например цианид (золото, серебро) или аммиак (медно-никелевые руды);

- выделение металлов или их соединений из руд с помощью соответствующего газа или путем окисления, например диоксида марганца - с помощью диоксида серы, а никелевого штейна - с помощью хлора;

- кислотно-основные реакции, например восстановление вольфрам комплекса из вольфрама при высоком значении рН.

Чтобы повысить содержание получаемого металла в выщелачивающем растворе можно использовать некоторые гидрометаллургические методы очистки и обогащения. Получаемый металл извлекают из очищенного раствора с помощью различных методов, таких как цементация, восстановление газами, селективное осаждение, ионный обмен, экстракция растворителем, кристаллизация, выпарка или электролиз. Для поддержания правильного баланса в рамках некоторых из вышеперечисленных процессов, как правило, возникает необходимость в постоянном удалении части раствора.

Как было продемонстрировано рядом предприятий цветной металлургии, стоки, образующиеся в виде отработанных растворов, могут возвращаться в процесс выщелачивания в зависимости от присутствующих загрязняющих веществ. Отработанные растворы также могут возвращаться в процесс электролиза после удаления загрязняющих веществ или малоценных элементов.

2.7.1.6 Прочие технологические стоки

В отрасли существуют и иные источники загрязненных стоков. Наиболее важным из них при производстве меди является слабая серная кислота с сернокислотных установок.

В целом используемые методы подразумевают возврат соответствующих растворов в процесс либо использование свойства повышенной кислотности в других процессах.

Травление также является источником технологических стоков; приведенные ниже два примера показывают, как можно использовать бескислотное травление и минимизировать воздействие кислотного травления.

Процессы бескислотного и кислотного травления медной катанки рассматриваются выше в подпунктах 2.4.6.1 и 2.4.6.2.

2.7.1.7 Прочие источники

На предприятиях цветной металлургии существует множество других источников образования сточных вод. Например, стоки с моек для колес автотранспорта, перевозящего сырье; уплотняющая вода из насосов, а также стоки, связанные с общими видами деятельности, включая чистку оборудования, мытье полов и т.п. Такие стоки обычно собирают и подвергают очистке. Санитарные стоки обычно сбрасываются в общую систему хозяйственно-бытовой канализации.

Рисунок 2.12 - Переработка медного шлака в электродуговой печи

Существует различие между шлаком с высоким содержанием металла, который возвращается на повторную переработку в данном процессе или направляется на другой процесс или на другое производство для извлечения металла, и отвальным шлаком с низким содержанием металла.

Некоторые предприятия цветной металлургии демонстрируют наличие рынка, на котором можно продать шлак для последующего выгодного использования. Применение шлака в качестве строительного материала вместо заполнителя возможно, только если величина извлекаемых соединений металлов низкая. Шлак, который нельзя применять в качестве абразива или в гражданском строительстве, направляют на переработку или применяют в качестве строительного материала для специальных случаев (например, строительство участков для утилизации), или направляют на утилизацию.

Дроссы и пенистый шлак образуются в результате окисления металлов на поверхности ванны или в результате реакции с огнеупорами футеровки печи. Содержание металла в пенистом шлаке/дроссе сравнительно высокое (20%-80%), таким образом, эти материалы обычно возвращают на вторичную переработку в процесс или поставляют на другие металлургические заводы цветной металлургии для восстановления металла.

Еще один источник остатков - отработанная футеровка и огнеупоры. Они образуются при попадании огнеупорного материала из футеровки печи или при полной смене футеровки печи. Срок службы футеровки печи - от нескольких недель до нескольких лет в зависимости от процесса и материала (например, у футеровки печи взвешенной плавки Outotec, используемой для плавки первичной меди, срок службы составляет 6-10 лет). Величина отработанной футеровки печи может составлять до 5 кг/т произведенного металла в зависимости от расплава [49]. Для переработки печной футеровки могут применяться следующие методики: переработка на металлургическом заводе с получением инертного шлака, например футеровка с процесса плавки латуни направляется непосредственно на местный медеплавильный завод вторичной переработки; использование в заделочной массе; утилизация инертной футеровки.

В этом смысле, переработка означает, что остатки возвращаются в процесс, в котором они образовались. Вторичное использование означает, что остаток применяется для других целей, например, шлак применяется в строительстве.

Рисунок 3.1 - Схема общих входных и выходных материальных потоков при выплавке первичной меди [18]

 
Рисунок 3.2 - Схема очистки отходящих газов плавильной печи и конвертера [18]

Если в концентрате низкое содержание серы и высокое содержание органических примесей, отходящие газы со стадии обжига/плавки направляются на электростанцию для рекуперации содержащейся в них энергии, а затем на полусухой скруббер для улавливания серы.

Некоторые печи первичной выплавки меди интегрированы с объектами вторичной выплавки или с производством пыли оксида свинца или цинка из смешанного концентрата и т.п. В подобных случаях сравнение данных о входных и выходных материальных потоках весьма затруднено. Значения для комплексного процесса представлены ниже в таблице 3.1. Следует отметить, что основное влияние на значение показателей входных и выходных материальных потоков оказывает содержание меди в концентрате, а также в ином используемом сырье, что приводит к отклонениям от заданных параметров, поэтому проведение сравнений не дает особых результатов. Выход меди при выплавке и огневом рафинировании в этом смысле важнее и составляет более 96%.

Таблица 3.1 - Пример данных о входных и выходных материальных потоках для первичного производства меди [26], [18]

Рисунок 3.3 - Общая схема входных и выходных материальных потоков при выплавке вторичной меди [18]

Рисунок 3.4 - Пример схемы по входным и выходным материальным потокам для площадки по выплавке вторичной меди, включая процесс восстановления олова/свинца [18]

Большое количество отходов перерабатывается как в рамках данной технологии, так и в рамках других связанных с нею процессов. Производители цветных металлов, к примеру, свинца, цинка и олова, используют большое количество отходов в качестве сырья для своих технологических процессов [33]. Некоторые площадки внедрили внутренние технологии восстановления других металлов из этих остатков.

3.2.3.1 Моноксид углерода (угарный газ)

Помимо вышеуказанных выбросов в процессе плавки с применением печей, в которых необходимо поддерживать восстановительную атмосферу, могут образовываться значительные концентрации угарного газа. Это происходит, в первую очередь, при плавке высококачественной меди в шахтных печах, сопровождающейся литьем в формы или производством катанки, так как выпуск такого рода продукции требует контроля уровня кислорода для достижения максимальной электрической проводимости меди. Таким образом, процесс протекает в восстановительных условиях, и содержание окиси углерода, стандартный показатель для которой составляет около 5000 мг/нм, в отходящих газах может увеличиться. Для минимизации содержания СО и поддержания качества продукции могут также использоваться системы контроля горелок. Можно установить систему сигнализации в зависимости от уровня СО. Стандартный уровень СО при плавке в шахтной печи во время производства катанки или заготовок составляет от 2000 до 11000 г на тонну меди [34]. На некоторых установках для удаления углеводородов из газа, образующегося при обработке скрапа, покрытого органическим материалом, используется дожигание. При этом угарный газ также разрушается, а выбросы согласно полученным данным составляют ~45 г на тонну меди [26].

Возможно спрогнозировать значения приземной концентрации СО и использовать эти данные при определении влияния угарного газа на качество окружающего воздуха, так что необходимость дальнейшего снижения концентрации может оцениваться локально. Устранение СО методом сжигания печных газов с таким же уровнем содержания СО потребует дополнительного топлива, таким образом, выбросы СО увеличатся в геометрической прогрессии.

Угарный газ также образуется при работе печи очистки шлака и при работе доменной печи, а также в некоторых случаях содержится в отходящих газах. Для удаления СО можно использовать дожигание при стандартных концентрациях в диапазоне от 10 до 200 мг/нм. Существует, по крайней мере, один пример подачи кислорода в верхнюю часть доменной печи, расположенную над зоной реакции, вследствие чего в корпусе печи освобождается зона дожигания. Этот метод также позволяет разрушать органические соединения, такие как ПХДД/Ф. Электрические печи, используемые при очистке шлака и для восстановительных процессов, обычно работают с дожиганием либо непосредственно в самой печи, либо в специальной реакционной камере.

3.2.3.2 Пыль и соединения металлов

Эти виды выбросов могут возникать на большинстве этапов технологического процесса. Методы сокращения выбросов, возникающих на этапах обработки, хранения, сушки и переработки, представлены в разделе 2 и должны применяться для предотвращения и минимизации выбросов.

Прямые и неорганизованные выбросы пыли на этапах плавки, конвертирования и рафинирования могут быть значительными. Эти выбросы также имеют большое значение, поскольку на соответствующих технологических этапах предусмотрено удаление из меди летучих металлов, таких как цинк и свинец, а также небольшого количества мышьяка и кадмия, а указанные металлы содержатся в отходящих газах и частично в пыли.

Комплексы плавки первичного сырья обычно достаточно герметичны, что позволяет минимизировать неорганизованные выбросы пыли. Для этого проводится качественное техническое обслуживание печей и отводящих каналов, а улавливаемые газы до передачи на сернокислотную установку обрабатываются системами пылеудаления.

При эксплуатации печей, используемых для вторичной плавки, образуются значительные объемы неорганизованных выбросов, особенно при загрузке материалов и выпуске металла. При работе с вторичными печами шихта загружается через закрытую систему загрузки; неорганизованные выбросы образуются в летке печи и выпускном желобе, улавливаются с помощью специальных вытяжных зонтов и направляются в систему газоочистки. Собранные газы обычно охлаждаются, после чего из них с помощью электростатических и рукавных фильтров удаляется пыль. При этом обычно достигается высокая эффективность фильтрации [52], [50].

Вследствие дозированного поступления материалов на этапах конвертирования и огневого рафинирования, а также на этапе плавки далеко не всегда обеспечивается необходимый уровень герметичности. Подача и транспортировка штейна, шлака и металла в таком режиме предполагают образование значительных объемов неорганизованных выбросов. При использовании ковшовой системы транспортировки может снижаться эффективность улавливания газа вытяжными зонтами, особенно, при использовании конвертеров Питера-Смита или других подобных конвертеров. Для улавливания или снижения выбросов, образующихся при загрузке или выпуске металла из печи, конвертеры либо закрываются, либо оборудуются вытяжными зонтами вторичного улавливания (см. раздел 2). Отходящий газ из зоны укрытия или вытяжного зонта подвергается очистке. Метод очистки зависит от содержания SO. Газы, образующиеся при конвертировании штейна, имеют большую концентрацию SO, при этом в любом случае необходимо удалить оксиды металлов (мышьяка, свинца и т.д.). Подача флюса и других материалов "через зонт" может минимизировать "открытие" конвертера и тем самым сократить время отсоединения конвертера от системы улавливания первичных газов. Выпуск штейна более высокого качества предполагает уменьшение количество загрузок из ковша и, таким образом, сокращает образование неорганизованных выбросов газа. Снижение неорганизованных или неулавливаемых выбросов очень важно. Решение этого вопроса зависит от эффективности улавливания первичных, а иногда и вторичных газов.

Этапы розлива и плавки при производстве катанки, заготовок и т.д. также представляют собой потенциальные источники выброса в атмосферу пыли и металлов. Производство медных сплавов, таких как латунь, приводит к образованию на этапе розлива опасных газов (ZnO), поэтому в данном случае также необходимо обеспечить эффективное улавливание. Содержание пыли обычно невысоко, при этом по возможности следует применять восстановление тепла/энергии. Обычно используются эффективные системы улавливания газов и рукавные фильтры [34].

Выбросы металлов значительно зависят от состава пыли, образующейся в рамках применяемых технологических процессов. Состав может быть очень разным и зависит от технологического процесса, являющегося источником пыли, и от характера перерабатываемого сырья. Например, пыль, образующаяся в конвертере для плавки скрапа, полностью отличается от пыли с конвертера штейна, при этом состав пыли изменяется в зависимости от этапов технологического процесса (загрузка, продувка, отливка, дразнение и т.д.). В таблице 3.3 представлено (по данным справочника ЕС) процентное соотношение металлов, содержащихся в пыли, образующейся на разных стадиях технологического процесса производства меди, и соответствующие диапазоны этих величин по данным измерений.

Таблица 3.3 - Основные составляющие пыли, образующейся при реализации технологических процессов производства меди [50]

________________

* Текст документа соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

3.2.3.3 Летучие органические соединения

Органические соединения могут выбрасываться в атмосферу при первичном производстве на этапе сушки в зависимости от используемых для переработки руды и материалов, а также применяемого при сушке топлива. Наиболее значимыми источниками сырья для вторичного производства являются материалы, полученные на этапе переработки скрапа, плавки и рафинирования. Этап конвертирования вторичной меди также является потенциальным источником выбросов, если в конвертер догружается скрап, загрязненный органическими материалами, и при этом не обеспечивается их полное сгорание. В первую очередь это относится к неорганизованным выбросам. Летучие органические соединения могут выбрасываться в атмосферу, если в качестве сырья используются маслянистые материалы. Их количество может достигать от 5 до 100 г на тонну меди или от 1 до 10 мг/нм [53]. Летучие органические соединения могут также образовываться при обезжиривании или экстракции растворителем.

3.2.3.4 ПХДД/Ф

Среди выбрасываемых органических соединений могут находиться ПХДД/Ф, образующиеся при неполном сжигании содержащегося в сырье масла и пластика, а также в результате первичного синтеза, в случае если газы охлаждались не достаточно быстро. Может применяться очистка скрапа, проводимая для удаления органических загрязнителей, но чаще для переработки образующихся газов применяются дожигание и последующее быстрое охлаждение. В тех случаях, когда провести дожигание газов невозможно, можно провести их окисление путем добавления кислорода поверх зоны плавки. Также можно предварительно установить присутствие органического загрязнения вторичного сырья для подбора наиболее соответствующей печи, исключающей выбросы дыма и газов, а также сопутствующих ПХДД/Ф. Расплавленный скрап, загрязненный органическими материалами, также является потенциальным источником выброса ПХДД/Ф при производстве заготовок [33].

По имеющимся данным при первичной плавке и конвертировании применяются высокие рабочие температуры, способные разложить органические соединения, но присутствующий диоксид серы заново провоцирует синтез ПХДД/Ф.

В разделе 2 описываются некоторые факторы, влияющие на выбросы ПХДД/Ф. Методы, используемые для сокращения выбросов ПХДД/Ф, предусматривают дожигание, очистку и охлаждение отходящего газа, а также эффективное удаление пыли.

Использование в качестве основного сырьевого материала электронного лома, содержащего невоспламеняющиеся бромированные покрытия и элементы, может привести к образованию смешанных галогенизированных диоксинов. Условия для образования ПХДД/Ф могут возникать при переплавке/рафинировании меди, в частности при использовании ломов и стружки, содержащих примеси хлоринов, присутствующих в используемых смазочно-охлаждаемых эмульсиях.

3.2.3.5 Диоксид серы

Наиболее значимыми источниками выбросов диоксида серы являются участки обжига, плавки и конвертирования при производстве меди из первичного сырья с применением сульфидных концентратов. При этом возможно образование неорганизованных выбросов, которые могут улавливаться несколькими способами [26]. Диоксид серы может также выбрасываться в атмосферу на этапе сушки концентрата (в основном при сжигании топлива на горелках) и на этапе первичного рафинирования, поскольку черновая медь содержит от 0,03% до 1% растворенной серы. Концентрация обычно очень низка, поэтому в случае необходимости применяется простая скрубберная очистка.

В отдельных случаях, в зависимости от используемого материала, частичный обжиг и плавку огарка не применяют, а обжиг медных концентратов осуществляется одновременно с плавкой. Применение для плавки герметичных печей позволяет эффективно улавливать диоксид серы. Кислородное обогащение позволяет добиваться высокой концентрации диоксида серы. В результате удается минимизировать образование отходящих газов и уменьшить габариты систем очистки и сернокислотных установок. Очень высокий уровень обогащения кислородом может увеличить концентрацию триоксида серы в газах, попадающих на сернокислотную установку. Повышенное содержание триоксида серы в газе, поступающем из печи, поглощается скруббером, что увеличивает количество слабой кислоты, идущей на переработку, использование и утилизацию. Для переработки поступающих газов используются четырех- и пятистадийные контактные сернокислотные установки. В некоторых случаях, когда содержание диоксида серы низкое (<5%), используются одноконтактные установки, в других случаях применяются двухконтактные/двухабсорбционные установки [19]. При необходимости из некоторого количества диоксида серы, содержащегося в газе, может производиться жидкий диоксид серы.

При использовании медного концентрата с низким содержанием серы и высоким содержанием органического углерода плавку можно вести в шахтной печи. В таких случаях отходящие газы сжигают на локальной электростанции в качестве дополнительного топлива. Выбросы от электростанции очищают от серы.

В значительных концентрациях диоксид серы также образуется на этапе конвертирования штейна. Существует две потенциальные проблемы при применении периодически загружаемых конвертеров, таких как цилиндрические или другие подобные им конвертеры. Во-первых, улавливание газа не полностью эффективно, и в отношении пыли справедливы те же соображения, что и представленные выше. При использовании конвертеров с дозированной подачей материала, таких как конвертеры Пирса-Смита или аналогичные им, существует две возможных проблемы. Во-первых, улавливание газа недостаточно эффективно по тем же причинам, которые упомянуты выше. Во-вторых, концентрация диоксида серы в газах значительно меняется в зависимости от этапа конвертирования, что может приводить к возникновению проблем с системами улавливания диоксида серы, если только они не сконструированы с учетом таких изменений. Данные газы смешиваются со стабильными, более концентрированными газами, образующимися на первичном плавильном комплексе, для поддержания автотермического режима работы сернокислотной установки. Указанный эффект также снижается за счет фазного последовательного использования нескольких конвертеров с комбинированием отходящих газов.

В газах, образующихся на этапах вторичной плавки, ввиду присутствия серы в топливе и сырьевых материалах также может присутствовать диоксид серы. В некоторых случаях для удаления SO применяются скрубберы.

3.2.3.6 Оксиды азота

Стадии производства меди обычно реализуются при высоких температурах, а также с применением кислорода. Это сокращает парциальное давление азота в пламени и снижает объемы образования оксидов азота при условии, что в очень горячих зонах азот присутствует в небольших количествах. Согласно полученным данным стандартные уровни выбросов оксида азота при переработке вторичной меди составляют от 50 до 500 мг/нм в зависимости от печи и типа технологической операции. Применение высокоэффективных технологий (например, Contimelt) требует установления баланса между использованием энергии и достигнутым значением NO.

Оксиды азота, образующиеся в ходе первичных процессов, в основном поглощаются производимой серной кислотой [54].

Общие данные справочника НДТ ЕС по выбросам в атмосферу представлены в таблицах 3.4-3.6.

Таблица 3.4 - Выбросы для некоторых первичных и вторичных процессов [18]

Таблица 3.5 - Достижимые уровни концентрации в выбросах по некоторым технологиям плавки, переплавки/рафинирования из вторичного сырья (с выпуском полуфабрикатов) [18], [53]

________________

* Текст документа соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Таблица 3.6 - Данные по выбросам и эксплуатационные характеристики по конвертерам первичной и вторичной плавки [55]

3.2.3.7 Фактические уровни выбросов загрязняющих веществ на российских предприятиях

Фактические уровни выбросов загрязняющих веществ, описанных в подпунктах 3.2.3.1-3.2.3.6, на российских предприятиях приведены в таблицах 3.7-3.10.

Таблица 3.7 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от цехов подготовки сырья (брикетирования) на одном из российских предприятий

 Таблица 3.8 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от металлургических цехов (плавка в штейн+конвертирование) [по данным предприятий]

Таблица 3.9 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от медеплавильных цехов [по данным предприятий]

Таблица 3.10 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от цехов электролиза [по данным 1 предприятия]

3.2.4.1 Взвешенные твердые частицы и соединения металлов

Эти загрязнения могут образовываться на нескольких этапах технологического процесса. Наиболее важными из них могут быть сточные воды и отработанные растворы травления. Методы обработки сбросов, образующихся в ходе транспортировки и хранения сырья, описываются в разделе 2, и их применение ориентировано на предотвращение и минимизацию сбросов. Поверхностные стоки могут образовываться в результате осадков или в результате смачивания хранимого материала во избежание образования пыли.

Потенциальными источниками образования взвешенных частиц и соединений металлов являются процессы охлаждения, грануляции и выщелачивания. Обычно соответствующее оборудование либо герметизируется, что предполагает наличие оборотного цикла воды, либо оно является бесконтактным.

Промывные воды цеха электролиза меди (в том числе растворы со скрубберов) используются для пополнения серий электролизных ванн при выводе из них, отработанного электролита на утилизацию с получением сульфатов меди и никеля или регенеративной меди и никелевого известкового кека. При транспортировке растворов в цехе и между цехами могут случаться утечки, поэтому для эксплуатации трубопроводов и емкостей хранения растворов, необходимо предусмотреть систему сбора проливов, а в случае расположения трубопроводов в зонах, которые не оборудованы системой сбора, необходимы меры по контролю возможных утечек.

Количество сбрасываемой воды также является важным аспектом, поскольку некоторые установки оборудованы системами водооборота. Согласно полученным данным выход воды по одной медеплавильной установке составляет 3000 м/день, в то время как для подобных установок, не оснащенных замкнутым водооборотным циклом, эта цифра составляет более 100000 м/день. В связи с этим следует использовать относительные показатели по массе сбросов загрязняющих веществ [56].

Шламы, образующиеся на всех стадиях технологических процессов, обычно направляются на санкционированную утилизацию. В некоторых случаях шламы используются на предприятии для извлечения оставшихся в них металлических фракций.

3.2.4.2 Нефтепродукты/масла

Масла и другие нефтепродукты могут присутствовать во вторичном сырье, а также могут вымываться с территории площадок для хранения. Методы, применяемые при их хранении, рассматриваются в разделе 2. Воск и масла применяются для покрытия и волочения при производстве катанки и других видов проката. Их присутствие учитывается при разработке мероприятий по предупреждению загрязнения воды.

3.2.4.3 Фактические уровни сбросов загрязняющих веществ в России и ЕС

Общие данные по сбросам сточных вод предприятий медной промышленности в странах Евросоюза представлены в таблицах 3.12-3.15.

Таблица 3.12 - Среднегодовые концентрации основных составляющих неочищенных сточных вод, образующихся при первичной плавке меди [18]

Таблица 3.13 - Пример содержания металла в различных потоках сточных водах после очистки [26]

Таблица 3.14 - Общий уровень примесей в сточных водах, сбрасываемых двумя комплексами первичной выплавки меди [56]

Таблица 3.15 - Годовой объем загрязняющих веществ, сбрасываемых заводом по производству медной заготовки [26]

В таблицах 3.16-3.18 приведены средние концентрации загрязняющих веществ в сбросах сточных вод российских предприятий в сопоставлении с технологическими показателями для НДТ, приведенных в справочнике ЕС.

Таблица 3.16 - Предприятие А

Таблица 3.17 - Предприятие Б

Таблица 3.18 - Предприятие В