Kohászati salak feldolgozása útépítésben felhasználható anyaggá

Átírás

1 KÖRNYEZETRE ÁRTALMAS HULLADÉKOK ÉS MELLÉKTERMÉKEK 7.5 Kohászati salak feldolgozása útépítésben felhasználható anyaggá Tárgyszavak: hulladékfeldolgozás; üvegkerámia; kohászat; salak; útburkolat; útépítés; üveg. Bevezetés A kohászati üzemekben világszerte sok salak képződik. Ezt a szilárd hulladékot részben feldolgozzák, de jelentős mennyiség megmarad, és a környezetet károsítja. Sok feldolgozatlan salakot hányókon tárolnak, amelyek nagy területű földeket foglalnak el. A káros környezeti hatások csökkentésére irányuló jelentős erőfeszítések ellenére nincs mód megakadályozni a talaj és a talajvíz szennyezését sem. A kohósalak nem kellő mértékű hasznosításának az okai ismertek: az újrafeldolgozás nehézségei a nem állandó vegyi összetétel miatt, valamint a viszonylag nagy szállítási és újraolvasztási költségek. A kohósalak legteljesebb feldolgozását lehetővé tévő egyik módszer olvasztó konverterek kifejlesztése és ezeknek a kohászati kemencék közelében való elhelyezése. A lassan (levegőn) hűlő salak általában kristályosodik, és egy idő után, nem egyenletes összetétele következtében, dezintegrálódik. Gyors hűlés esetén (közvetlen csapolás vízbe vagy vízpermetes hűtés, ún. vizes granulálás) azonban a szerkezet amorfabbá válik (üveges salak). Az olvadt salak gyors, vízpermetes hűtése kemény, üvegszerű szemcséket eredményez. Ezeket nagyon széles körben alkalmazzák töltőanyagként betonokhoz, illetve adalékként a cement- és téglagyártásban. A kohósalakból készített más építőanyagok a salakgyapot, a salakpaplan, az üvegkerámia és sok egyéb. Az ilyen termékeket rendszerint a

2 salak olvasztásával állítják elő, adalékokkal vagy anélkül, olyan berendezésekben, mint kupolókemencék, üvegolvasztó kemencék stb. Az ilyen olvasztás javítja az anyag egyenletes minőségét és bővíti az építőipari felhasználás lehetőségeit. A salak újrafeldolgozásának hasznossága és előnyei az alkalmazott technológiai berendezés hatékonyságától függnek. Korábbi munkák A kohósalak építőanyagokká újrafeldolgozásának a gondolata nem új. Az 1960-as években az ukrajnai Konsztantyinovkában kohósalakújrafeldolgozó művet építettek, amelyben ipari padlóburkolásra alkalmas üvegkerámia lapokat gyártottak. E célból Krylov konstrukciójára épülő konvertert létesítettek (1. ábra). Az eljárás fő gondolata az volt, hogy a kohósalakot az olvasztó konverterben kvarchomokkal savanyították. kw m 2 1. ábra Krylov-olvasztó konverterének elvi vázlata a méretekkel és a hőveszteségekkel a magasság mentén (a) és hőelemzési ábra a hőáramokkal (b) 1 olvadék; 2 alap; 3 földgázbevezetés; 4 levegőbevezetés; 5 fúvókás lándzsa; 6 vízhűtéses falak; 7 láng; 8 szuszpenzió (elragadott olvadékcseppek); 9 égéstermékek elszívása; 10 kicsapó kamra; 11 levegő-előmelegítő (rekuperátor); A hőkiáramlás a füstgázokkal; B hőáram a levegővel; C hőbeáramlás az égő gázzal; D hőáramlás a csapolt olvadékkal; E hőbeáramlás az olvadt salakkal; F hőkiáramlás a hűtővízzel; G hőbeáramlás a betétanyagokkal

3 A kohósalak rendszerint sok CaO-t tartalmaz, így gyorsan dezintegrálódó, bázikus salaknak tekintik. Az olvasztó konverter termikus hatásfokának a növelésére két megközelítés szolgált: (1) szabadon folyó, 1000 C feletti hőmérsékletű salak használata; (2) az égéstermékek felhasználása a betét (kvarchomok) előmelegítésére az olvasztó konverterben. A salakot üstben szállították át a kohótól az újrafeldolgozó üzembe, és közvetlenül az olvasztó konverterbe csapolták. A konverter mindkét oldalán egy-egy gáz/levegő lándzsát alkalmaztak az olvadék szintje alatt. Az égéstermékek átbuborékoltak az olvadékon, majd áthaladtak a felülről adagolt, előmelegített, szabadon eső kvarchomokon. Ez a konverter azonban kezdettől fogva kudarcot vallott. A kísérleti eredmények elemzése, a konverter rossz konstrukciója következtében több jelentős hibát tárt fel. Az első probléma a konverternek az olvadék szintje feletti, szükségtelenül nagy magasságával függött össze (1. ábra). Azt gondolták, hogy ez a magasság szükséges a betétanyagok hatékony előmelegítéséhez, ellenáramban és közvetlen érintkezésben az égéstermékekkel, de valójában nagy felületet képezett a hőveszteségekhez, aminek következtében a konverter termikus hatásfoka kisebb volt 7%-nál. Ennek a hőveszteségnek a kompenzálása hatalmas mennyiségű gáz/levegő keveréket ( m 3 /óra) igényelt, ami a második problémához vezetett. Ennek lényege az, hogy az égéstermékek az olvadék jelentős mennyiségét ragadták magukkal diszpergált részecskék formájában. Ehhez hozzájárult az is, hogy a gáz/levegő keverék hatalmas mennyiségét mindössze két lándzsán át injektálták. A konverter így inkább erős porlasztóként működött, mintsem olvasztó kamraként. Az elhordott olvadékrészecskék és betétanyagok teljesen eltömték az ülepítő kamrát és a hőcserélő rekuperátort. A harmadik probléma az volt, hogy a hűtővíz egyenlőtlenül oszlott el a csövekben, ami azok kiégéséhez vezetett. A csövekben nem voltak válaszfalak a víz szervezett keringtetéséhez. Ezek miatt a problémák miatt az olvasztó konverter üzemeltetését beszüntették. Új eljárások a kohósalak újrafeldolgozására A kohósalak újrafeldolgozása az üstben, bemerülő égővel Kutatók kísérleteket folytattak a forró kohósalak közvetlenül a salaküstben történő feldolgozására. Az új megoldás fő pontjai a következők:

4 gáz/levegő égő bemerítése a salakolvadékba (1. táblázat); a szükséges mennyiségű kvarchomok és adalékok üstbe adagolása az előre meghatározott fizikai-kémiai tulajdonságú olvadék előállításához (2. táblázat). Végül az olvadék üvegolvasztó kemencébe/olvadékgyűjtőbe csapolása, majd folyamatos formába öntése. 1. táblázat Az üstben salakot és adalékokat olvasztó kísérleti berendezés jellemzői Gáz Levegő A teszt sorszáma Fogyasztás (m 3 /óra) Nyomás (MPa) Fogyasztás (m 3 /óra) Nyomás (MPa) Légfelesleg Az adalékok mennyisége (kg) Az üveggyártás időtartama (óra-perc) Az olvadék véghőmérséklete ( C) Hőfogyasztás (kj/kg) , ,1 0, , ,12 0, , ,17 0, táblázat Az üstben salak és szilárd adalékok keverésével és olvasztásával előállított üveg vegyi összetétele, % Termék CaO SiO 2 Al 2 O 3 MgO MnO S K 2 O FeO TiO 2 Na 2 O ZnO Primer salak A készítendő olvadék 43,57 34,16 11,36 6,48 1,66 1,44 0,50 0,37 0,28 0,27 24,48 53,47 8,93 3,66 0,88 1,13 0,26 0,03 0,23 4,95 2,07 2. teszt 25,98 51,36 9,07 5,24 1,32 0,29 0,30 0,28 0,21 4,20 1,75 3. teszt 27,68 51,69 8,33 4,43 1,62 0,16 0,30 0,22 0,47 3,89 1,21 5. teszt 25,83 50,35 10,96 5,42 0,93 0,16 0,45 0,32 0,27 3,70 1,61

5 2. ábra Az olvadt salak újrafeldolgozása az üstben A kísérleti berendezés (2. ábra) belül tűzálló téglával bélelt ernyőből (5) és mozgatható, vízhűtéses égőből (3) állt. 0,9 1,1 légfeleslegegyütthatójú gáz/levegő keveréket adagoltak egy belső csövön át. A salaküstöt (4) kocsin (1) húzták az ernyő (5) alá, és a hézagot az üst és az ernyő között tűzálló téglákkal zárták el. Az égőt (3) az olvadt salakba (2) merítették a vékony, dermedt kérgen át. Az égéstermékek átbuborékoltak az olvadékon, és az elszívó csövön (7) át távoztak. A végtermék kívánt tulajdonságaitól függően, megfelelő betétanyagokat adagoltak az ernyő nyílásán (9) át. A salak stabilizálása céljából az olvadt salakhoz kvarchomokot adtak, és az olvasztást mintegy 45 percen át folytatták (3. táblázat). Az üvegkerámia gyártására alkalmas olvadék előállításához különféle adalékokat használtak kg/üst (vagy 9 25%) mennyiségben. A végtermék előre meghatározott tulajdonságú üveg volt, egyenletes eloszlással az egész olvadékban. A fluor és a kén nagymértékű leégését tapasztalták. Megfigyelték, hogy a kén leégése függ a légfeleslegtől: a kéntartalom a légfelesleg növelésével lineárisan csökken. Az olvasztás során vett üvegmintákat a laboratóriumban hőkezelték. Elemzésük jó kristályosodást és homogenitást mutatott (4. táblázat).

6

7 4. táblázat Az üstben előállított kiinduló üveg és az átolvasztás után tégelyben és egyfürdős kemencékben előállított üvegkerámia jellemzői A kiinduló üveg Az üvegkerámia Adagszám Szín Kristályosodás Deformáció Szerkezet Szín Fázisösszetétel (tégelykemence) 2 barna teljes jelentős közepes szemcseméret világos szürke wollasztonit, anortit és részben okermanit 3 sötétbarna teljes jelentős nagy szemcseméret világos szürke egyfürdős kemence 2 sötétbarna teljes jelentős nagy szemcseméret tejfehér anortit és wollasztonit Az üstök, rendes üzemeltetés esetén, több száz adagot bírnak ki. Az erre ható fő tényező a termikus feszültség, amely a forró salak betöltésének és kiürítésének a következménye. A jelentős túlhevítés megelőzése érdekében a külső fal hőmérsékletét az üst magassága mentén három ponton mérték (3. ábra). A hőmérséklet a legmelegebb pont sem haladta meg az 550 C értéket, így az üst élettartamát az olvasztás nem csökkentette. Ø3140 mm 500 az üst falának külső hőmérséklete, C 2300 mm idő, óra 3. ábra Az üst felületi hőmérsékletének változása az égő bemerítésétől kezdve a módosított salak további olvasztása során

8 A hőmérsékleti görbéken a második kidudorodás az égő további lemerítésének a következménye. Ezzel a kísérlettel az optimális mélységet kívánták meghatározni. 4. ábra Kísérleti kohósalak-újrafeldolgozó sor: (A) salakolvasztó kemence; (B) olvasztó konverter; (C) olvadéktisztító kemence A kísérleti salakfeldolgozó sor terve Kísérleti konstrukció Az Ukrán Tudományos Akadémia gázintézete kísérleti kohósalakújrafeldolgozó sort tervezett, és azt a konsztantyinovkai Avtosteklo üveggyárban felépítették, azzal a céllal, hogy megvizsgálják a technológiai folyamat különböző aspektusait. A kísérleti sor (4. ábra) salakolvasztó kemencéből (A), konverterből (B), és olvadéktisztító kemencéből (C) állt; fő jellemzőit az 5. táblázat tartalmazza. A sor a következő módon működött. A hideg salakot (10) a salakolvasztó kemencébe (A) adagolták és ott megolvasztották, majd a salakcsatornán (2) át a konverterbe (B) csapolták. Az ablakon (8) át adagolták az adalékokat. A tisztító kemencébe (C) csapolt olvadékot formákba öntötték üvegkerámia lapok gyártásához. A berendezést folyamatos üzemre, 400 kg/óra teljesítményre tervezték. A konverterben előállított adagok megfeleltek az előre meghatározott vegyi összetételnek. A hatásfok javítása céljából a konverter égéstermékeit a salakcsatornán át a salakolvasztó kemencébe vezették, ahol ez 10 15%-kal csökkentette a gázfogyasztást.

9

10 A salaktároló olvasztókonverter aggregát fejlesztése Az Akadémia gázintézete néhány tervezőintézet közreműködésével innovatív berendezést (5. ábra) dolgozott ki salak újrafeldolgozására a fent ismertetett eljárással, a mariupoli kohászati üzemben. A tervezett kapacitás napi 250 tonna volt. az olvadék térfogata 10 m 3 5 ábra 250 t/nap teljesítményű olvasztó konverter olvadt salak újrafeldolgozására építőanyagokká A salakfogadó kemence (1) két tengellyel (9) görgőkre (2) támaszkodott. Az olvadt salakot az üstből közbenső tölcséren (10) át a nyílásba öntötték a fogadó kemence felső részében. A konverterbe (3) ömlő salak mennyisége a fogadó kemence dőlésszögével arányos, ami megkönnyíti a folyamat irányítását. A betétanyagok mennyiségét a konverterben mérlegbunkerrel szabályozták. A nyíláson (8) át, az olvadék szintje alá adagoltak, hogy csökkentsék a poros anyag elhordását. A konvertert gáz/oxigén lándzsákkal (4) fűtötték. A kész olvadékot csapoló nyíláson (5) át ürítették. A rendszer termikus hatásfokának növelése céljából hulladékhőt hasznosító, melegvizet szolgáltató kazánt lehet felszerelni a konverterre. A kohósalak újrafeldolgozása útépítésben hasznosítható üvegkerámiává A Dorcil üvegkerámiát a moszkvai állami üvegintézetben dolgozták ki töltőanyagként való használatra aszfaltbetonokban és saválló betonokban. Előállításához nyersanyagként kohósalakot és homokot hasz-

11 nálnak. A gyártás során az üvegmasszát egyenletesen telíteni kell gázzárványokkal. A kristályosítóban végzett hőkezelés után az anyag eléri a szükséges szilárdságot és fehérséget. Az üvegkerámia műszaki jellemzői a 6. táblázatban láthatók. A kifejlesztett üvegkerámia jellemzői 6. táblázat Ömlesztett sűrűség: kg/m 3 Rakodási sűrűség: kg/m 3 Vízfelvétel: 3 5% Nyomószilárdság: MN/m 2 Fagyállóság: > 300 ciklus Vegyi ellenállás: H 2 SO 4 -ben: HCl-ben: legalább 99% legalább 96% Integrált reflexiós együttható: 52 55% A tulai kísérleti üveggyárban évi 1000 t kapacitású, sikeresen működő, üvegkerámia töltőanyagot gyártó sort létesítettek. A sor részei: olvasztó konverter (6. ábra), CM-739 típusú törőgép és kristályosító forgókemence. 6. ábra Olvasztó konverter üvegkerámia töltőanyag gyártására

12 A konverter olvasztó egységként választása a következőkön alapult: 1. Az olvasztó konvertereket nagy fajlagos termelékenység jellemzi, amely egy nagyságrenddel felülmúlja az üvegolvasztó fürdős kemencékét. 2. A konverterekben fehér, kis kéntartalmú, üveges kristályos, porózus, durva felületű anyagot lehet előállítani, habosító adalékok nélkül. 3. Az olvasztó konverterek betétanyagai nem igényelnek speciális előkezelést. A konverterben %(V/V)-nyi gázzárványt tartalmazó, homogén üvegmassza állítható elő. Az olvasztási hőmérséklet eléri az 1600 C-t. A fajlagos termelékenység 15 t olvadék az olvadékmentes felület 1 m 2 -ére, 4 8 m 3 üzemi térfogat és 2 4 m 2 olvadékmentes felület mellett. Moszkvában m 2 -en használtak fel zúzott üvegkerámia követ útburkolatok építéséhez. A tapasztalatok azt mutatták, hogy az ilyen anyagok jól használhatók nagy forgalmú utak burkolatában is. Az üvegkerámia töltőanyagú aszfaltbeton burkolatok előnyei a következők: 1. A burkolatok javítják a városok utcáinak képét, megfelelnek a dekoratív tervezés korszerű követelményeinek. 2. A világos színű burkolat a napenergia jelentős részét visszaveri, javítva az utcák mikroklímáját. Csökken a világításra fordítandó villamos energia költsége is. 3. Az ilyen burkolatok érdessége csökkenti a járművek féktávolságát, javítja a forgalom biztonságát. Az üvegkerámia töltőanyag viszonylag könnyű, alkalmazása gránit és más töltőanyagok helyett a különböző betonokban csökkenti azok térfogatsúlyát. Az üvegkerámia töltőanyagokat sikeresen alkalmazzák vegyileg ellenálló és polimer betonokban is a széntüzelésű erőművek füstgázvezetékeinek a védelmére a kénsav romboló hatásával szemben. A porózus üveges kristályos anyagokból különböző színű saválló anyagok készíthetők, amelyek jól ellenállnak az atmoszférikus igénybevételnek, a koptatásnak, az ütéseknek, a víz, a savak és a lúgok hatásának. A rendelkezésre álló színek széles választéka (fehér, világosbarna, zöld, sárga, kék, sötétvörös, stb.) következtében az ilyen anyag sikerrel használható épületek homlokzatai és belső falai burkolására is. A konverter egyetlen év alatt 980 tonna üvegkerámia töltőanyagot és 560 tonna üvegszemcsét (zúzalékot) termelt. Az utóbbit saválló töltő-

13 anyagként használták fel füstgázvezetékek építéséhez széntüzelésű erőművekben. Összeállította: Szende György Pioro, L. S.; Pioro, I. L.: Reprocessing of metallurgical slag into materials for the building industry. = Waste Management, 24. k. 4. sz p Dangeleit, M.; Stockhowe, A. : Neue Aufbereitungsanlage für Hochofenschlacke.= Aufbereitungs-Technik (Mineral Processing), 39. k. 12. sz p Lindert, M.; Görtz, W. : Vergleich der Verwertbarkeit von Aschen und Schlacken. = Müll und Abfall, 29. k. 11. sz p Röviden Folyamatosan csökken a PET-palackok újrahasznosítása Az USA-ban 2002-ről 2003-ra valamelyest csökkent a PET-palackok újrahasznosítási aránya, amiben csak az a riasztó, hogy ez egy 1990-es évek közepe óta folyamatosan fennálló trend folytatása ban a hasznosítási arány 19,6% volt, ami 0,3%-os csökkenés 2002-höz képest höz képest azonban a hasznosítási arány kb. 20%-kal csökkent, miközben a felhasználás 855 ezer tonnáról kb. a 2,3-szorosára nőtt. A növekvő felhasználás nagyobb részét egyszer használatos, nem szénsavas üdítőitalok palackjai teszik ki (elsősorban ásványvizekhez). Az ilyen termékek jó részét nem otthon fogyasztják, gyakran olyan helyen, ahol nincs gyűjtőkonténer. Egyelőre az USA tíz államában van törvény a begyűjtésre vonatkozóan, de a tízből nyolcban az nem terjed ki a szénsavmentes üdítőitalokra. A csökkenő mértékű újrahasznosítás azt is jelenti, hogy a kieső palackokat pótolni kell, aminek energia-egyenértéke kb. 6,5 millió hordó olaj. Az ipari csoportok arra törekszenek, hogy 2007-re ismét 40% körülire emeljék az újrahasznosítás mértékét, ami csak akkor valósítható meg, ha javul a nem otthon fogyasztott italok palackjainak begyűjtési hányada. Még jobb lenne az újrafeldolgozás arányát 80% körülire növelni. A begyűjtött hulladék újrahasznosításában Kína és más olcsó bérű országok konkurenciát jelentenek az USA-nak, és még bizonyos felárat is hajlandók fizetni a begyűjtött értékes másodnyersanyagért. (Waste Age, 35. k. 12. sz p. 8. )

14 Új technológiák a K 2004 műanyagipari szakkiállításon A Deutsche Gesellschaft für Kunstoff-Recycling (DKR, magyarul kb. német műanyag-újrafeldolgozó társaság) a októberében Düsseldorfban megtartott műanyagipari szakkiállításon két partnercéggel, a Schwarztaler Kunstsoffe és az olaszországi SIR vállalatokkal közösen bemutatta a műanyagok újrafeldolgozásához legújabban kifejlesztett és széles körben alkalmazható újragranuláló berendezését. A Systemtechnologie (SYSTEC) leányvállalata, a Pla.to a kevert műanyagok újrahasznosításához kapcsolódóan azok osztályozására és a feldolgozására kifejlesztett, új technológiájáról számolt be. A szakkiállítás újdonságaként a DKR standján mutatták be a DC300 típusú, tárcsás tömörítő berendezés új generációját, egy egyszerűen szállítható, kisméretű berendezést, amelyben műanyag fóliák, szálak és habok homogén, ömleszthető anyagokká dolgozhatók fel. A berendezés teljesítménye kg/óra és kis térben, teljesen automatizálva, integrált hűtőegységgel felszerelve működik. A DC300 számos műanyagtípus feldolgozására felhasználható, így például a csomagolóanyagok előállításakor keletkező maradékok átalakítására is. A Schwarztaler Kunstsoffe Németország egyik legkorszerűbb palack-újrafeldolgozó üzemében hulladék palackokból nagy tisztaságú alapanyagot állít elő pelyhek és granulátum gyártásához. A visszanyert polietilént (PE) és polipropilént (PP) a társaság saját maga granulálja, a PET-frakciót a textil- és a szálipar alapanyagaként pehellyé vagy a vevők kívánságára granulátummá dolgozzák fel. A fóliákból kis sűrűségű fóliagranulátumot állítanak elő, de nagy- és kissűrűségű PE-keverékek előállítása is lehetséges. (Recycling Magazin, 58. k. 15. sz szept. 8. p. 10.) Új konstrukciójú aprítógép műanyaghulladékok feldolgozásához Az ilsfeldi Weima Maschinenbau vállalat WLK sorozatában továbbfejlesztette és rotorokkal szerelte fel egytengelyes aprítóját, úgy, hogy a rotorok meghajtásoldali tengelycsapjait elcsavarta. Az így elért keménységnövekedés lehetővé teszi a tengelycsapok nagyobb forgató- és hajlí-

15 tó igénybevételét, jelentősen csökkentve az üzemvitel során jelentkező kopási és egyéb károsodások mértékét. A berendezést elsősorban az autógyártásban, az elektromos és az elektronikai iparban keletkező műanyaghulladékok darabolására alkalmazzák. Ezen erősen koptató hatású anyagok miatt a rotorokat Hardox köpennyel borították. (Recycling Magazin, 58. k. 15. sz szept. 8. p. 12.)