Рециклинг. Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов в черной металлургии

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
П.И. Черноусов
Рециклинг.
Технологии переработки
и утилизации техногенных 
образований и отходов
в черной металлургии
Монография
Москва  2011

УДК 669.054.8
 
Ч-49
Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. А.Н. Пыриков, 
д-р техн. наук,  проф. А.Н. Селезнев
Черноусов, П.И.
Ч-49  
Рециклинг. Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов в черной металлургии : моногр. / 
П.И. Черноусов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 428 с.
ISBN 978-5-87623-366-0
Изложена методология анализа рециклинга и элементопотока черных металлов в техносфере исходя из новой парадигмы развития черной металлургии, базирующейся на принципах Инициативы 3R и экологически чистого 
производства. Разработана имитационная модель рециклинга железа и выполнены исследования экологических сценариев развития черной металлургии в 
первой половине XXI в. Предложены методика анализа фазовых превращений элементов-микропримесей в доменном процессе и методика определения 
мощности техногенных месторождений в металлургических регионах. Описаны оригинальные технологические схемы переработки техногенных образований на базе шахтных печей. Рассмотрены особенности рециклинга вторичных 
ресурсов нового поколения: автомобилей и электронных и электробытовых 
приборов. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, студентов технических вузов, а также читателей, интересующихся проблемой 
устойчивого развития современной индустриальной цивилизации.
УДК 669.054.8
ISBN 978-5-87623-366-0
© Черноусов П.И., 2011

ОГ
ЛАВЛЕНИЕ
Список принятых сокращений ............................................................................6
Введение ................................................................................................................9
Глава 1. Формирование современной методологии оценки эффективности 
технологий, процессов и продуктов черной металлургии с точки зрения 
концепции экологически чистого производства .............................................. 11
1.1. Устойчивое развитие и экологически чистое производство 
...................11
1.2. Выбросы в окружающую среду 
.................................................................16
1.3. Обращение с отходами, техногенные ресурсы и месторождения .........20
1.4. Концепция общества с оборотным использованием ресурсов ..............28
1.5. Интегрированная политика производства экопродукта 
..........................33
1.6. Экобаланс и анализ жизненного цикла изделия ......................................38
1.7. Инициатива 3R и новая парадигма черной металлургии .......................42
1.8. Методология анализа техногенного элементопотока металлов 
.............48
Глава 2. Глобальные элементопотоки металлов в техносфере .......................58
2.1. Ноосфера: движение вещества, энергии, информации 
...........................58
2.2. Металлизация биосферы ............................................................................63
2.3. Глобальный элементопоток железа ...........................................................67
2.4. Глобальный элементопоток хрома 
.............................................................74
2.5. Глобальный элементопоток марганца 
.......................................................82
2.6. Элементопоток ванадия в техносфере ......................................................91
2.7. Элементопоток галлия в техносфере ........................................................95
2.8. Сопоставительная количественная оценка элементопотоков черных 
металлов в природной и техногенной среде 
....................................................98
Глава 3. Движение макро- и микроэлементов на современном 
интегрированном предприятии черной металлургии 
......................................99
3.1. Современные схемы утилизации текущих и накопленных отходов
на отечественных и зарубежных интегрированных предприятиях 
..............99
3.2. Макро- и микроэлементы в черной металлургии 
..................................104
3.3. Методика определения параметров элементопотоков
для предприятий черной металлургии. Элементопоток железа .................109
3.4. Элементопоток марганца ..........................................................................116
3.5. Элементопоток галлия ..............................................................................119
3.6. Баланс углерода и методология оценки энергоэффективности 
производства черных металлов и выбросов СО2 
..........................................122
3.7. Оценка возможности энергосбережения при очистке
металлургических газов от пыли 
....................................................................133
Глава 4. Микроэлементы в доменной плавке .................................................137
4.1. Методология комплексных исследований поведения
микроэлементов в сложных металлургических системах на примере 
доменной плавки 
...............................................................................................137
4.2. Принципиальная схема поведения микроэлементов в доменной
плавке .................................................................................................................146
4.3. Галлий .........................................................................................................155
3

4.4. Стронций. ...................................................................................................165
4.5. Свинец 
.........................................................................................................173
4.6. Мышьяк ......................................................................................................176
4.7. Фосфор 
........................................................................................................178
Глава 5. Прогноз образования и оценка мощности техногенного 
месторождения для металлургического региона ...........................................189
5.1. Прогноз образования техногенного месторождения на территории 
металлургического региона 
.............................................................................189
5.2. Оценка мощности техногенного месторождения для 
металлургического региона (на примере ОАО «Северсталь») ...................193
Глава 6. Технологические схемы переработки техногенных
образований на базе шахтных печей ...............................................................207
6.1. Техногенные материалы – перспективное сырье металлургии 
ближайшего будущего 
......................................................................................207
6.2. Доменная печь – агрегат XXI в.  ..............................................................211
6.3. Печи малого объема – будущее доменного производства ....................214
6.4. Ресурсосберегающая технология утилизации шламов
гальванического производства с использованием МДП 
..............................232
6.5. Вагранки и решение проблемы утилизации цинксодержащих 
металлургических пылей 
.................................................................................237
Глава 7. Пирометаллургические способы утилизации отходов 
энергетической промышленности 
...................................................................247
7.1. Ванадий в продуктах нефтепереработки и золах ТЭС 
..........................247
7.2. Технологии извлечения ванадия из техногенного сырья 
......................252
7.3. Экспериментальные исследования ванадийсодержащих ЗШО 
...........256
Глава 8. Вторичные ресурсы нового поколения 
.............................................264
8.1. Международный опыт организации авторециклинга ...........................264
8.2. Современная технологическая схема авторециклинга..........................275
8.3. Оценка ресурсов авторециклинга в России 
............................................282
8.4. Электронные и электробытовые отходы 
.................................................291
Глава 9. Прогнозные сценарии развития черной металлургии
и рециклинга железа в техносфере .................................................................302
9.1. Развитие моделей, описывающих потребление металлолома
в черной металлургии ......................................................................................302
9.2. Проблема учета в экобалансе стадии рециклинга металлолома 
..........322
9.3. «Имитационная модель рециклинга» вторичных ресурсов черной 
металлургии в Обществе рециклинга ............................................................332
9.4. Анализ влияния различных факторов на параметры рециклинга 
вторичных ресурсов железа 
.............................................................................337
Библиографический список .............................................................................354
Приложение 1. Металлургические материалы, учитываемые
в блок-схеме математического описания «ПОТОК» .....................................377
Приложение 2. Содержание галлия в металлургических материалах 
Качканарского ГОК и ОАО НТМК по данным Гиредмета 
............................382
4

Приложение 3. Баланс углерода металлургических предприятий
и ГОКов России 
.................................................................................................383
Приложение 4. Содержание элементов-микропримесей
в металлургических материалах 
......................................................................386
Приложение 5. Характерные балансы микроэлементов при выплавке 
передельного чугуна .........................................................................................399
Приложение 6. Лабораторные образцы, содержащие галлий 
.......................403
Приложение 7. Схема элементопотока свинца в доменной плавке 
..............405
Приложение 8. Химический состав гальваношламов некоторых 
промышленных предприятий г. Кургана ........................................................406
Приложение 9. Характерный состав ванадийсодержащих ЗШО ТЭС ........407
Приложение 10. Основные положения европейской Директивы 2000/53/EC ..... 408
Приложение 11. Распределение некоторых элементов-металлов
в результате авторециклинга 
............................................................................409
Приложение 12. Описание составляющих элементов/подсистем 
имитационной модели рециклинга  ................................................................410
Приложение 13. Исходные данные для расчета движения железа в 
экономике Японии в период 1958 – 2008 гг. 
...................................................426
5

Список принятых сокращений
3R – три приоритетных направления «Индустриального общества циркуляционного типа»: reduce, reuse, recycling (recycling – оборотное использование, reuse – повторное использование, reduce – переработка, утилизация); 
в последнее время часто добавляют четвертое R – recovery – восстановление
AHSS – Advanced High Strength Steels – многофазные стали – эффективные высокопрочные стали, которые обладают повышенным уровнем прочности при хороших пластических свойствах
ВАТ – Best available technology – лучшая из осуществленных на практике 
технологий
BDSV е.V. – Bundesvereinigung Deutscher Stahlrecycling und Entsorgungsunternehmen e.V – Федеральное объединение немецких предприятий по рециклингу лома черных металлов и избавлению от отходов
BIR – Bureau International Recycling – Международное бюро по рециклингу отходов
ВРТ – Best practicable control technology currently available – лучшая из 
возможных технологий 
BREF – Best available techniques reference – ссылка на наилучшие имеющиеся технологии
cradle to gate – от истока до выхода – методика расчета затрат различных 
ресурсов на технологические процессы
CSR – Corporate Social Responsibility – корпоративная социальная ответственность – составная часть концепции экокомбината для передовых предприятий Европы
DSD – Dual System Deutschland – Немецкая двойная система, занимающиеся утилизацией и сепарацией упаковочных отходов
DUX – итоговый индекс, характеризующий состояние окружающей среды, предложенный Комиссией ООН по устойчивому развитию для макроэкономических систем отчетности
EBRD – European Bank for Reconstruction and Development – Европейский 
Банк реконструкции и развития (ЕБРР) 
EINECS – European Inventory of Existing Commercial Chemical Substances 
– база данных предварительной регистрации опасных веществ в рамках регламента REACH
ELV – End of Life Vehicle – Директива ЕС по утилизации отслуживших 
автомобилей 2000]53]ЕС
ELV – Emission Limit Value – предельные величины выбросов во все природные среды, Директива 96/61/ЕС
EMAS – Community ecomanagementand audit scheme – О добровольном 
участии предприятий в системе экологического менеджмента и аудита (Директива ЕС 1836/93)
ЕР – end-of-pipe – на конце трубы
6

EPA – Environmental Protection Agency – Управление охраны окружающей 
среды, США
ESID – Ecologically sustainable industrial development – устойчивое экологически безопасное промышленное развитие
EWC – European Waste Catalogue – Европейский каталог отходов (Директива ЕС 94[3]ЕС)
HWL – Hazardous Waste List – Перечень опасных отходов (Директива 
94/904/ЕС)
IISI – International Iron and Steel Institute – Международный институт черной металлургии
IPM – Impact Pathway Methodology – методология последовательности 
воздействия
IPP – Integrated Product Policy – Интегрированная политика производства 
продукта, устанавливающая экологические стандарты изделий с учетом всего жизненного цикла изделия (ЖЦИ)
IPPC – Integrated Prevention and Pollution Control – Комплексное предупреждение и регулирование загрязнений (Директива 96/61/ЕС)
ISWA – International Solid Waste Association – Международная ассоциация 
по переработке твердых отходов
LCA – Life Cycle Analysis (Assessment) – Анализ жизненного цикла изделия (оценка жизненного цикла)
LCI – Life Cycle Inventory Analysis – анализ – инвентаризация жизненного цикла
МАСТ – Maximum achievable control technology – лучшая на данном этапе технология охраны окружающей среды
NMAB – National Materials Advisory Board – Национальный консультативный совет по материаловедению
NSB – New Steel Body – проект сверхлегкого автомобильного кузова компании ThyssenKrupp Stahl AG
OTA – Offi
 ce of Technology Assessment – Бюро технической оценки проектов при Конгрессе США
PI – Prevention Integrated Technology – мероприятия по охране окружающей среды, встроенные в технологический процесс
PRTR – Pollutant Release and Transfer Registers – регистр выбросов и переноса загрязнителей (Япония) 
REACH – Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals – Регламент по Регистрации, Оценке, Уничтожению и Ограничению Химических веществ
StEP – Solving the E-waste Problem – решение проблемы электронного мусора
TA-Luft – Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – нормативное положение ЕС по защите воздушного бассейна
7

TRI – Toxic Release Inventory – Кадастр токсичных выбросов (США) 
Ulcos – ultra low СО2 steelmaking – производство стали со сверхнизким 
объемом выбросов СО2 (программа Международного института черной металлургии)
ULSAB – UltraLight Steel Auto Body – сверхлегкий стальной кузов автомобиля.
USGS – Mineral Commodity Summaries – Геологическая служба США
UVP – GVP – концепция аудиторской проверки технологий и производств 
на совместимость: с окружающей средой – UVP – Umweltverträglichkeitsprüfung и требованиями здоровья – GVP; составная часть международной серии 
стандартов ISO14000.
VDEh – Verein Deutscher Eisenhüttenleute – Общество немецких металлургов
WFD – Waste Framework Directive – Рамочная директива ЕС по отходам
8

ВВЕДЕНИЕ
Наступившее тысячелетие окончательно утвердило глобальный подход к оценке эффективности использования и управлению вторичными ресурсами, важнейшими из которых являются ресурсы вторичных 
металлов. В последнее десятилетие активно разрабатываются теоретические основы организации рециклинга как необходимой составной 
части экологически чистого производства. Получили развитие инновационные концепции «Общества рециклинга» («Общества с оборотным использованием ресурсов»), «Экогорода», «Экопродукта», «Экокомбината», «Венозного потока вторичных сырьевых материалов». Их 
реализация осуществляется на базе передовых научных разработок динамических математических моделей жизненного цикла изделий с использованием методологии «экологических сценариев».
В передовых индустриальных странах (ЕС, Японии, США) приняты законы, нормирующие методы переработки автомобилей, электробытовых и электронных отходов (ЭЭО), упаковочных, строительных 
и пищевых вторичных ресурсов. Таким образом, законодательно закладывается фундамент экономической системы, ориентированной 
на рециклинг. В качестве приоритетных подходов в отношении вторичных ресурсов упомянутые законы определяют: 
1) оборотное использование (recycling); 
2) утилизацию (reuse), в том числе тепла; 
3) восстановление вторичных материалов (recovery); 
4) ограничение образования и безопасное для окружающей среды 
и человека депонирование отходов (reduce).
Ключевыми принципами экологически чистого производства 
(ЭЧП) являются ресурсосбережение, рациональное обращение с отходами, снижение выбросов в окружающую среду и рециклинг. Эти 
принципы являются основополагающими понятиями при обучении 
как в технических, так и в гуманитарных вузах.
В основу инновационной концепции экогородов положена методология глобального рециклинга техногенных материалов. Среди 
типовых экогородов Японии особое место заняли города, системы 
оборотного использования ресурсов которых базируются на металлургических технологиях. Для реализации концепции экогородов на базе 
металлургических технологий организован Специальный комитет по 
изучению перспектив экотехнологии в металлургии. В разработанной 
9

комитетом стратегии развития технологий рециклинга отмечается, что 
металлургия представляет собой технологический комплекс, в котором 
представлены многочисленные специальные области, включая технологию металлов, материаловедение, машиностроение, электротехнику, 
информационные технологии. Металлургические процессы отличаются большой энерго- и материалоемкостью, и отрасль в целом располагает уникальными возможностями с точки зрения использования 
в качестве вторичного сырья отходов других производств. Общественная система рециклинга, использующая в качестве основы металлургические технологии и инфраструктуру, получила название «экокомбинат». Совершенствование экокомбинатов уже в ближайшем будущем 
потребует существенной модернизации металлургических технологий. 
Естественным этапом создания общества с оборотным использованием 
ресурсов стало формирование и законодательное оформление инфраструктуры транспортной системы рециклинга получившей название 
«Венозный поток вторичных сырьевых материалов».
Рециклинг является ключевым понятием в охране окружающей 
среды в металлургии. Производство металлов от обогащения сырья и 
во всех последующих переделах является процессом, для которого требуются большие количества сырьевых и вспомогательных материалов. 
Рециклинг представляет собой стратегию, позволяющую справиться с 
большими потоками материалов и связанными с этим факторами воздействия на окружающую среду.
Современные центры рециклинга, которые функционируют во 
многих регионах мира, особое внимание уделяют проблеме переработки сложного лома и смешанных отходов цветных металлов, а 
также мелкодисперсных отходов шредирования. Для их решения организуются специальные международные проекты под эгидой ООН. 
Например, в 2007 г. начал разрабатываться проект «StEP» (Solving the 
E-waste Problem – решение проблемы электронного мусора).
Для технологов-металлургов особую актуальность и научный интерес представляют вопросы промышленной переработки вторичных ресурсов в соответствии с принципами экологически чистого 
производства, с учетом миграции в их составе загрязняющих металл 
элементов – вагантов. Это, в частности, требует разработки новых 
принципов управления потоками лома, как черных, так и цветных металлов.
10