Recykling odpadów żelazonośnych

Podczas produkcji wyrobów stalowych powstaje szereg odpadów stałych i gazowych. Częściowo są one składowane na hałdach, często zatruwając środowisko i zajmując tereny, które można by wykorzystać do innych celów. W związku z tym poszukiwane są sposoby, które pozwoliłyby maksymalnie zwiększyć wykorzystanie odpadów, a tym samym obniżyć koszty produkcji stali.

W tym celu zarówno w światowej, jak i krajowej metalurgii obserwuje się tendencję do ponownego wykorzystania tańszych, „odpadowych” paliw i tworzyw żelazonośnych jako zamienniki np. koksu wielkopiecowego czy rud żelaza. Brakuje jednak ciągle efektywnych metod pozwalających na utylizację odpadów, z uwzględnieniem ich zróżnicowanych własności fizycznych i chemicznych oraz różnego rodzaju zanieczyszczeń. Dotyczy to przede wszystkim takich odpadów, jak pyły i szlamy metalonośne oraz różnego rodzaju zgorzeliny, mułków zgorzelinowych, często o wysokim stopniu uwodnienia i zaolejenia. Dla uniknięcia niekorzystnych zjawisk, drobnoziarniste materiały przed zastosowaniem w procesach metalurgicznych muszą być odpowiednio przygotowane pod względem stanu fizycznego, a zwłaszcza kawałkowości. Jedną z efektywnych metod ich zbrylania może być spiekanie w tzw. spiekalniach rud. Spiekanie jest termiczną metodą zbrylania drobnoziarnistych materiałów wsadowych (miałkich rud żelaza, aglorud, pylistych koncentratów rudnych, pyłów żelazonośnych, zgorzeliny) i pozwala na utylizację niektórych odpadów. Powstający spiek żelaza jest wsadem do wielkiego pieca. Schemat technologiczny spiekania rud przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat technologiczny spiekania rud żelaza1

Ograniczenia

Na ogół nie ma problemu z zagospodarowaniem zgorzeliny niezaolejonej. Inaczej jest przy zagospodarowaniu mułków zgorzelinowych, które oprócz wysokiego zaolejenia (2-30%), charakteryzują się wysokim uwodnieniem (35-40%). W procesie spiekania, przy dodawaniu surowców zaolejonych, tylko część oleju wypala się, a pozostała ilość w postaci pary jest unoszona ze spalinami. W miarę obniżania się ich temperatury osadza się na cząstkach pyłu, w rurociągach i urządzeniach odpylających. Przy stosowaniu zgorzeliny zaolejonej, w spiekalniach wyposażonych w multicyklony występuje efekt zarastania rurociągów, multicyklonów i wirników ssaw, co znacznie pogarsza warunki odpylania. W przypadku spiekalni wykorzystujących elektrofiltry w określonych warunkach (zbyt wysoka temperatura gazów odlotowych, zbyt duży udział zaolejonych odpadów) mogą powstawać natomiast pożary żarowe pyłów osadzonych na elementach konstrukcyjnych elektrofiltrów. Z tego względu w tych hutach zużycie zaolejonej zgorzeliny jest ograniczone. Dopuszczalna zawartość oleju w zgorzelinie nie powinna przekraczać 1,5%. Jedną z nowych możliwości szerszego wykorzystania m.in. zaolejonych odpadów żelazonośnych może być technologia spiekania metodą tzw. podwójnej warstwy.

Metoda „podwójnej warstwy”

Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach w ramach projektu rozwojowego podjął się opracowania ekologicznego sposobu recyklingu odpadów żelazonośnych, takich jak zgorzelina walcownicza lub mułki zgorzelinowe, które są zanieczyszczone szkodliwymi dla środowiska substancjami olejowymi2-6. Proponowane rozwiązanie polega na podawaniu ściśle określonej porcji zaolejonych odpadów na powierzchnię wcześniej wytworzonej warstwy spieku o określonej grubości (rys. 2).

Rys. 2. Schemat ideowy procesu spiekania rudy żelaza z wykorzystaniem filtrującego działania warstwy spieku

Zapalenie warstwy zaolejonych odpadów powoduje, że powstałe ze spalania oleju gazy odlotowe będą przechodziły przez warstwę żaru (1250-1320°C), czyli standardowo spiekanej mieszanki. Powinno to zapewnić całkowite dopalenie węglowodorów pochodzących z zaolejonych dodatków wsadowych. Warstwa żaru wytworzona w spieku będzie swoistym filtrem, uniemożliwiającym wzrost emisji substancji do środowiska. Próby spiekania, które miały potwierdzić przyjętą hipotezę, przeprowadzono w laboratoryjnej misie spiekalniczej będącej w wyposażeniu instytutu.

Badania wykazały, że możliwe jest spiekanie odpadów z zastosowaniem podwójnej warstwy. Górna warstwa spieku, powstała z mieszanki z zaolejonymi odpadami, połączyła się z dolną tradycyjną warstwą spieku, tworząc jeden placek. Wydajność procesu przy spiekaniu z górną warstwą, w porównaniu do spiekania tradycyjnego pozostała praktycznie na jednakowym poziomie, a zużycie paliwa (koksiku) obniżało się. Uzyskano dobre właściwości fizykochemiczne spieku. Obniżało się również stężenie CO i emisja pyłu. Stężenia NOx i SO2 praktycznie pozostały na niezmienionym poziomie. Stężenie wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych WWA znajdowało się na poziomie spieku porównawczego, co oznacza że węglowodory zawarte w górnej warstwie dopalają się w warstwie spieku. W przeprowadzonych próbach nie stwierdzono obecności polichlorowanych dibenzodioksyn oraz dibenzofuranów.

Wykonano również próby spiekania z zawracaniem części spalin do procesu. Polega to na tym, że spaliny są odbierane w przewodzie spalinowym przed czopuchem kominowym, a następnie układem rurociągów i przez okap podawane są wprost na wybraną część taśmy spiekalniczej. Recyrkulacja spalin pozwala na stabilizację wytworzonego spieku, wpływa również na zmniejszenie zużycia paliwa i obniża emisję do otoczenia szkodliwych substancji (rys. 3).

Rys. 3. Schemat zawracania spalin na taśmę spiekalniczą1

Bardzo istotną korzyścią płynącą z zawracanych spalin było m.in. dopalenie CO zawartego w spalinach, co w efekcie daje oszczędność paliwa i obniża emisję do atmosfery. Próby zawracania spalin wykazały, że maksymalna ilość przyjmowanych przez złoże spieku zawracanych spalin wynosiła 30%.

Zużycie paliwa (koksiku) obniżało się, a właściwości fizykochemiczne spieku były zbliżone lub lepsze od właściwości spieku porównawczego. Uzyskano bardzo wyraźne obniżenie emisji poszczególnych składników spalin oraz pyłu. Było to efektem filtrującego działania warstwy spieku oraz dopalaniem CO i węglowodorów w złożu spieku. Potwierdziło to w całości przyjętą hipotezę.

Efektywność procesu

Opracowana technologia może być jednym ze źródeł obniżenia kosztów produkcji spieku, poprzez zamianę części żelazonośnej mieszanki spiekalniczej odpadami hutniczymi. Jednocześnie wykorzystanie tych materiałów ma aspekt ekologiczny, wynikający m.in. z utylizacji odpadów zalegających na składowiskach. Na taśmie spiekalniczej w zależności od jej powierzchni, rocznie można poddać recyklingowi od 60 do 85 tys. t zaolejonych odpadów.

Możliwe jest także obniżenie zużycia paliwa (koksiku), dzięki dopaleniu substancji olejowych i CO. W warunkach laboratoryjnych obniżono zużycie paliwa od ok. 1% (przy spiekaniu bez recyrkulacji spalin) do 3,5% (z recyrkulacją spalin). Dzięki filtrującemu działaniu warstwy spieku możliwe jest zmniejszenie emisji gazów i pyłów do środowiska, szczególnie przy zastosowaniu recyrkulacji spalin.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach opracował ekologiczny sposób recyklingu odpadów żelazonośnych, takich jak zgorzelina walcownicza lub mułki zgorzelinowe, które są zanieczyszczone szkodliwymi dla środowiska substancjami olejowymi.

W zależności od stosowanego wariantu, w warunkach laboratoryjnych uzyskano obniżenie emisji gazów wynoszące: 11-24% CO2, 39-47% CO, 30-43% NOx, 31-66% SO2 i 32-41% pyłów. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), dibenzodioksyny oraz dibenzofurany pozostały na stałym poziomie.

Ze wstępnej analizy efektywności ekonomicznej wdrożenia nowej technologii wynika, że już przy 1% obniżeniu zużycia koksiku i zamianie zgorzeliny walcowniczej we wsadzie spiekalniczym zaolejonymi odpadami, zwrot środków przeznaczonych na wdrożenie technologii może nastąpić po ok. dwóch latach od momentu wybudowania instalacji. W przypadku zaś 3,5% obniżenia zużycia koksiku, zwrot środków kapitałowych ma szansęnastąpić po ok. półtora roku.

Zysk w skali roku może wynieść od 7 do 10 mln zł. Dodatkowe efekty ekonomiczne mogą wystąpić z tytułu obniżenia kosztów oczyszczania mniejszej o ok. 30% ilości spalin, w przypadku wariantu z recyrkulacją spalin, oraz z tytułu niższych opłat za składowanie odpadów.

Kolejnym etapem prac badawczych będzie sprawdzenie czy możliwe jest wykorzystanie odpadów nie tylko zaolejonych, ale również zawierających inne zanieczyszczenia. Technologię o podobnym charakterze stosuje od kilku lat spiekalnia BEM na Węgrzech. Utylizuje ona odpady o kodach podanych w tabeli (w tym niebezpieczne) i produkuje z nich spiek wielkopiecowy.

Rodzaje odpadów przerabianych w spiekalni rud BEM na Węgrzech7

Kod odpadu
Rodzaj odpadu
10 02 01
Żużle z procesów wytapiania (wielkopiecowe, stalownicze)
10 02 02
Nieprzerobione żużle z innych procesów (odpady z hutnictwa żelaza i stali)
10 02 10
Zgorzelina walcownicza
10 02 99
Inne niewymienione odpady z hutnictwa żelaza i stali
10 07 03
Odpady stałe z oczyszczania gazów odlotowych (odpady z hutnictwa srebra, złota i platyny)
10 09 03
Żużle odlewnicze
10 09 99
Inne niewymienione odpady z odlewnictwa żelaza
12 01 02
Cząstki i pyły żelaza oraz jego stopów (odpady z kształtowania oraz fizycznej i mechanicznej obróbki powierzchni metali i tworzyw sztucznych)
12 01 14*
Szlamy z obróbki metali zawierające substancje niebezpieczne (odpady z kształtowania oraz fizycznej i mechanicznej obróbki powierzchni metali i tworzyw sztucznych)
12 01 18*
Szlamy z obróbki metali zawierające oleje (np. szlamy ze szlifowania, gładzenia i pokrywania), (odpady z kształtowania oraz fizycznej i mechanicznej obróbki powierzchni metali i tworzyw sztucznych)
10 02 13*
Szlamy i osady pofiltracyjne z oczyszczania gazów odlotowych zawierające substancje niebezpieczne (odpady z hutnictwa żelaza i stali)
10 02 11*
Odpady z uzdatniania wody chłodzącej zawierające oleje (odpady z hutnictwa żelaza i stali)
10 09 09*
Pyły z gazów odlotowych zawierające substancje niebezpieczne (odpady z odlewnictwa żelaza)

W Voest Alpine w Austrii również opracowano technologię „top layer sintering”, opartą na podobnych założeniach. Została ona uznana za znacznie tańszą od tradycyjnych technik odolejania odpadów żelazonośnych. Jej idea polega na tym, że określona mieszanka odpadów, zawierających olej oraz związki organiczne jest kondycjonowana aż do otrzymania zawartości wody ok. 7%, a następnie podawana na główną warstwę spieku i zapalana. Uzyskany spiek z górnej warstwy był dobrej jakości dzięki zrównoważonemu doborowi nośników energetycznych w warstwie, co umożliwiło krakowanie naturalnych związków organicznych oraz całkowite spieczenie warstwy. Przeprowadzone wcześniej badania laboratoryjne wykazały redukcję ilości dibenzodioksyn/dibenzofuranów na poziomie 60-65%. Zastosowanie tej technologii na taśmie spiekalniczej nie pogorszyło fizycznych własności spieku oraz nie spowodowało obniżenia wydajności procesu. Niestety technologia ta obecnie nie jest jeszcze wdrożona8, 9.

Najlepsza Dostępna Technika

Technologia opracowana w Instytucie Metalurgii Żelaza ma ogromną przewagę w stosunku do opisanych technologii, gdyż oprócz utylizacji odpadów stałych, stara się również zmniejszać ilość emitowanych spalin, poprzez system ich recyrkulacji. Wychodzi ona naprzeciw wytycznym Komisji Europejskiej, które poprzez tzw. dokumenty referencyjne określają zasady obciążania środowiska m.in. przez hutnictwo i wskazują najbardziej efektywne technologie zapobiegające zanieczyszczeniom. Technologie te nazywane są Najlepszymi Dostępnymi Technikami (BAT)8, 9.

Dokument referencyjny dla „Produkcji żelaza i stali”, w rozdziale dotyczącym spiekania rud wskazuje, że techniką BAT jest zarówno recykling odpadów zawierających żelazo, jak i obniżanie emisji poprzez recyrkulację spalin. Nową jakością może być tutaj połączenie obu tych technik.

Jeżeli sprawdzą się przyjęte założenia dotyczące możliwości utylizacji różnych odpadów, będzie to miało wielowymiarowy wpływ na ochronę środowiska. Po pierwsze, na składowiskach nie będą deponowane produkty niebezpieczne, a więc minimalizowane zostanie zanieczyszczenie powietrza, gleby, wody oraz nie będzie zajmowana powierzchnia. Nie będą zachodziły również zjawiska przenikania odcieków do gruntu, co wiąże się z zanieczyszczeniem gleby i wód podziemnych. Po drugie, wykorzystanie cennego ze względu na zawartość żelaza odpadu, spowoduje mniejsze zapotrzebowanie na rudy żelaza, topniki, koksik i inne paliwa, a więc spowolni wyczerpywanie się zasobów naturalnych. Po trzecie, poprawi ekonomikę procesu spiekania dzięki wykorzystaniu tanich odpadowych źródeł żelaza oraz odpadowego paliwa, jakim są węglowodory zawarte w substancjach olejowych będących w utylizowanych produktach ubocznych.

Źródła

1. Niesler M.: Najlepsze Dostępne Techniki BAT. Wytyczne dla produkcji żelaza i stali. Huty zintegrowane. Poradnik branżowy. Praca zbiorowa. Ministerstwo Środowiska. Warszawa 2005.

2. Niesler M.: Badania laboratoryjne w projekcie recyklingu zaolejonych odpadów żelazonośnych przy spiekaniu metodą „podwójnej warstwy”. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 1/2008.

3. Niesler M.: Próby spiekania zaolejonych odpadów żelazonośnych z wykorzystaniem metody „podwójnej warstwy” . Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 3/2008.

4. Niesler M., Stecko J.: Spiekanie zaolejonych odpadów żelazo nośnych metodą podwójnej warstwy z recyrkulacją spalin. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 3/2009.

5. Niesler M., Poniewierska-Mokryńska B.: Systemy recyrkulacji spalin stosowane w spiekalniach rud. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 3/2009.

6. Niesler M., Stecko J.: Recykling zaolejonych odpadów żelazonośnych w procesie spiekania.Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 1/2010.

7. www.bemrt.hu.

8. Best Available Techniques Reference Document on the Production Iron and Steel, Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). European Commision. December 2001.

9. Draft Reference Document on Best Available Techniques for the Production of Iron and Steel, European IPPC Bureau. Seville. July 2009.

Zdjęcie MN2

dr inż. Marian Niesler, kierownik Zespołu Procesów Surowcowych, Instytut Metalurgii Żelaza, Gliwice

Praca zrealizowana przez Instytut Metalurgii Żelaza w ramach Projektu Rozwojowego nr 0394/R/2/T02/06/01 pt. „Wykorzystanie filtrującego działania warstwy spieku żelaza w ekologicznym recyklingu produktów ubocznych zanieczyszczonych substancjami olejowymi”, finansowanego przez Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego

Opublikowano: Ecomanager Numer 6/2010 (06)

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *