Možnosti recyklace jemnozrnných hutních odpadů ze starých zátěží Jiří Botula Vlastimil Řepka Vysoká škola báňská-technická univerzita Ostrava, Fakulta hornicko-geologická, 17.listopadu 15, 70833 Ostrava-Poruba, ČR, jiri.botula@vsb.cz Abstract Jemné kaly z mokrého vypírání vysokopecního plynu byly v minulosti ukládány na skládky. Jejich zpracování nebylo možné z důvodu vyššího obsahu těžkých neželezných kovů, zejména Zn a Pb. Příspěvek je věnován monitoringu těchto skládek v severomoravském regionu, analýze odebraných vzorků a ověření technologie dekontaminace těchto odpadů pomocí hydrocyklonů. Fine-grained mud from wet separation of blast- furnace gas was in past disposed off at waste depots, as it was impossible to process it due to high content of heavy metals, namely of lead and zinc. The article deals with the possible decontamination of fine-grained metallurgical wastes also with monitoring of waste depots in the North-Moravian region. 1. ÚVOD Hutnictví, jako průmyslové odvětví zabývající se zpracováním rud a výrobou kovů, patří mezi největší znečišťovatele životního prostředí. V hutních provozech vzniká každoročně značné množství průmyslových odpadů, které představují širokou škálu látek s různou konzistencí, fyzikálním, chemickým a mineralogickým složením. V oblasti výroby železa a oceli a souvisejících výrobách vzniká kolem 130 druhů průmyslových odpadů, z toho celá řada je zařazena do kategorie odpadů nebezpečných. Hlavní druhy hutních odpadů lze v zásadě rozdělit do dvou základních skupin. Mezi úlety a kaly je možno zařadit zejména odpady z provozu aglomerací a vysokých pecí ( středně bohaté železem), odpady z provozu oceláren a válcovenské okuje ( s vysokým obsahem Fe) a odpady, vznikající v doplňujících provozech ( mořírenské kaly, úlety z výroby ferosilicia apod.). Zvláštní skupinu pak tvoří vysokopecní a ocelárenské strusky. Orientační údaje o ročním výskytu a stupni jejich využití jemnozrnných hutních odpadů ze severomoravského regionu jsou uvedeny v tabulce 1. tabulka 1 Orientační údaje o ročním výskytu JHO v severomoravském regionu Druh odpadu Produkce Tun /rok Využito [%] Prachy a kaly z vysokých pecí a 45 000 70 aglomerací Prachy a kaly z výroby oceli 100 000 60 Okuje a okujové kaly 160 000 76 1
2. ÚLOŽIŠTĚ JEMNOZRNNÝCH HUTNÍCH ODPADŮ Poměrně značná část odpadů nemůže být tedy plnohodnotně využita a je ukládána na skládky, kde tyto odpady negativně zatěžují životní prostředí. Na území města Ostravy jsou takovéto lokality tři. Odval a.s. Vítkovice, na kterém byly jemnozrnné odpady ukládány do prostoru po vytěžení strusky na severní straně odvalu, se nachází v katastru městské části Hrabůvka na levém břehu Ostravice. Dnešní plocha odvalu činí cca 99 ha a při průměrné mocnosti 24 m je zde uloženo cca 23,8 mil. m 3 odpadů. Půdorysně má tvar obdélníku o ploše 1,52 ha s přibližnou hloubkou 20 m takže její užitečný objem činí 290 000 m 3. Byla založena vytěžením potřebné kubatury v podloží vysokopecní volně chlazené strusky. Byly zde ukládány pouze přebytky kalů a odprašků z plynočistíren ocelářských pecí (kaly ze SM, tandemových pecí a konvertorů, odprašky z EOP)a okujové kaly z válcoven. Z tohoto množství tvoří zhruba 85% kaly z čištění plynů ocelářských pecí, 7 % tvoří okujové kaly a jemnozrnné okuje a 3% odprašky z elektrických obloukových pecí. Dále je zde zastoupen prach z přelévání surového železa a EOP sléváren a kaly z povrchových úprav výrobků. Vysokopecní kaly byly míchány s elektrárenskými popílky a společně ukládány na jiné lokalitě. Nová huť ukládala kaly z výroby na dvou hlavních lokalitách. Převážně vysokopecní kaly byly ukládány na lokalitě Rudná v katastru městské části Kunčičky a na společném odkališti v katastru Bartovic( popílky, vysokopecní a ocelárenské kaly). Odkaliště Rudná I leží na sever od areálu NH a.s. za silnicí I. třídy Rudná vlevo ve směru na Havířov. Má obdélníkový tvar s delší stranou ve směru východ-západ. Toto odkaliště nevyužívá přirozené prohlubně v terénu, ale je vybudováno pomocí sypané hráze ze strusky kolem celého odkaliště. Bartovické odkaliště, které je na východní straně areálu NH a.s. v katastru městské části Bartovice využívá částečně nerovností terénu a částečně sypané hráze. Toto odkaliště je rozděleno na několik segmentů, z nichž ve třech severních jsou uloženy popílky (P), v největší západní části jsou vysokopecní kaly (VPK) a ve dvou východních segmentech pod svahem jsou ocelárenské kaly (OK). Tyto oblasti jsou vyznačeny na obrázku 1. Obě tyto lokality byly podrobeny částečnému vrtnému průzkumu. V případě odkaliště Rudná I byly provedeny vrty do maximální hloubky 17 m. Z plochy odkaliště, hloubky uložení, výšky a sklonu hrází je odhadována kubatura asi na 300 570 m 3. Je zde započítán i odpočet částečně vytěžených kalů z východní části odkaliště. Při průměrné objemové hmotnosti vysokopecních kalů 2 300 kg.m -3 a vlhkosti 35 % to představuje 450 000 tun materiálu.v případě Bartovických odkališť byly vrty provedeny do maximální hloubky 12m. Kubatura je opět spočtena z průměrné hloubky a plochy. Vysokopecní kaly představují zhruba objem 270 000 m 3 což odpovídá přibližně 404 000 t suchých kalů. Ocelárenské kaly uložené na severním segmentu reprezentují přibližně objem 324 000 m 3, což při objemové hmotnost 2 600 kg.m -3 odpovídá asi 547 560 tun v sušině. Na středním segmentu je objem odhadován na 376 000 m 3 kalů, což představuje cca 635 440 tun v sušině. Materiál získaný vrtným průzkumem byl podroben jednak granulometrické analýze a jednak analýze na obsah Fe, Zn a Pb. Co do obsahu těžkých neželezných kovů jsou není mezi stávajícími odpady z hutní výroby a odpady uloženými na odkalištích podstatného rozdílu. Obsahy jednotlivých kovů se pohybují v případě odkaliště Rudná v rozmezí 0,40 až 4,50% pro Zn, 0,20 až 1,00 pro Pb a 30 až 60% pro Fe. V případě odkaliště Bartovice jsou tyto údaje obdobné, pouze u Zn byly zaznamenány poněkud vyšší obsahy dosahující až 7%. Výsledky 2
zrnitostní analýzy ukazují, že granulometrické složení uložených odpadů je charakterizováno především podstatně vyššími obsahy jemných zrnitostních tříd ( pod 0,020mm). V případě uložených odpadů se obsah této zrnitostní třídy pohybuje v rozmezí 60 až 90% což odpovídá složení stávajících ocelárenských odpadů. Další významnou lokalitou, na níž jsou dlouhodobě ukládány jemnozrnné hutní odpady je odkaliště a.s. Třinecké železárny. Vysokopecní kaly v Třineckých železárnách byly od 60-tých let ukládány na horní části odvalu, kde hlavní část deponovaných odpadů tvoří vysokopecní a ocelárenské strusky a v menším množství i jiné hutní odpady. Tento odval je situován na východě městské části Třince Kanada mezi řekami Olší na severu a Tyrkou na západě a ulicí Frýdeckou na východě (obrázek 2). V laguně vysokopecních kalů jsou promíchány tyto kaly spolu se struskou a jiným materiálem. Celkový objem laguny je 380 000 420 000 m 3 nehomogenního materiálu. Vyšší hodnota je včetně 2 m vrstvy dna a stěn, které jsou tvořeny struskami. Průměrná hmotnost těchto kontaminovaných nehomogenních kalů je odhadnuta asi na 960 000 t. Jemné konvertorové kaly KKO se ukládaly až od roku 1984 po dobu 10 let na jižní části odvalu. Postupně byly tyto kaly odtěžovány a použity k nepřímé recyklaci jako přísada při výrobě cementu. Z původního množství asi 400 000 t zůstalo asi 100 000 t. obr. 1 Výřez mapy s odkališti Vítkovic, a.s. a NH, a.s 3
obr. 2 Třinecký odval hutních odpadů obr. 3 Pohled na odkaliště Rudná I 3. Možnosti recyklace jemnozrnných hutních odpadů V případě odpadů, vznikajících v procesu výroby surového železa a oceli ( vysokopecní a ocelárenské úlety a kaly) se nabízí jedinečná možnost přímé recyklace těchto materiálů v metalurgickém procesu a to i v případě nového využití starých hutnických zátěží. Úplné přímé recyklaci JHO prostřednictvím vysokopecního procesu však brání poměrně vysoký obsah těžkých neželezných kovů ( zjm.pb a Zn). Jsou však samozřejmě známy také možnosti 4
recyklace nepřímé, která představuje uplatnění odpadních materiálů jiným způsobem než pro výrobu metalurgických produktů. Pro odstranění těžkých neželezných kovů z těchto typů odpadů se vedle pyro- či hydrometalurgických metod nabízí také metody mechanické ( úpravnické). Úpravnické metody dekontaminace jemnozrnných hutních odpadů jsou založeny na využití rozdílných fyzikálních popřípadě fyzikálně-chemických vlastností jednotlivých složek zpracovávané suroviny. Vzhledem ke granulometrickému složení vysokopecních a ocelárenských odpadů a jejich fyzikálním a chemickým vlastnostem se pro dekontaminaci nabízí především rozdružování a třídění na hydrocyklonech, pneumatické rozdružování, magnetická úprava a eventuelně také flotace. Z odborného tisku a výzkumných zpráv je známa řada prací, zabývajících se touto problematikou. Převážná většina těchto výzkumů však byla zaměřena na možnosti zpracování vysokopecních prachů a kalů odebíraných bezprostředně po jejich vzniku. Z těchto prací plyne jednoznačná možnost dekontaminace vysokopecních odpadů pomocí separace na hydrocyklonech. Touto technologií lze snížit obsah Zn a Pb v zájmové složce obsahující Fe až šestinásobně vzhledem k jejich původnímu obsahu v jednom technologickém stupni.. Přitom je dosahováno až 80% výtěžnosti Zn a 60% výtěžnosti Pb do odpadního produktu. Výtěžnost železa do užitkového produktu pak činí více než 80 %. V současné době lze uvažovat o přímé recyklaci JHO z produkce Nové huti uložené na lokalitách Rudná I a Bartovice. Zpracováním odpadů, uložených na těchto odkalištích,by bylo možno pomocí hydrocyklonů získat zhruba 341 600 tun Fe. Skládku vítkovických kalů není z důvodů výše uvedených odtěžit. V letošním roce započaly práce na její rekultivaci. V Třinci se uvažuje o překrytí severní části odvalu, aby bylo zabráněno pronikání a průsaku dešťových vod do podzemních a povrchových vod. Zde je situace podobná jako na odvalu Vítkovic a.s. Je zde uloženo více druhů hutních odpadů na jedné skládce a jsou částečně navzájem kontaminovány. Literatura: 1) BOTULA,J.: Dekontaminace jemnozrnných hutních odpadů pomocí hydrocyklonů. Dizertační práce, VŠB-TU Ostrava 2001 2) BOTULA,J.,ŘEPKA,V.: Ověření možnosti separace Zn a Pb z vysokopecních kalů pomocí hydrocyklonů. Závěrečná zpráva výzkumu 580443/98, VŠB-TU Ostrava,1998 3) BOTULA,J.,ŘEPKA,V.: Verifikace dělení zinku a olova ve vysokopecních kalech. Závěrečná zpráva výzkumu VŠB-TU Ostrava, 1998 4) KURSA,M. aj.: Kompexní výzkum jemnozrnných hutních odpadů. Závěrečná zpráva projektu MPO PZ01/30/97. VŠB-TU Ostrava 1998 5) ŘEPKA, V., BOTULA, J.: Complex research of fine-grained metallurgical wastes. In Sborník konference. II Encuentro minero del cono sur de America, VII Encuentro minero de Tarapaca. Iquique Chile, agosto 2001 p. II-17 - II-23 (7str.) ISBN 956-7379-19-X 6) VIDLÁŘ,J. aj.: Výzkum separace zinku a olova z vysokopecních kalů NH Ostrava. Závěrečná zpráva výzkumu 354/92 VŠ-TU Ostrava 1992 7) VIDLÁŘ,J. aj.: Výzkum odstraňování Zn a Pb z vysokopecních kalů TŽ VŘSR Třinec. Závěrečná zpráva výzkumu 588/89, VŠB-TU Ostrava 1989 5
Poděkování: Autoři děkují Grantové agentuře ČR za poskytnutí finanční podpory pro řešení projektu 106/01 Recyklace hutnických odpadů ze starých zátěží. 6