پسماندهای یک صنعت
وقتی از بازیافت صنایع فولاد صحبت میکنیم از چه چیزی صحبت میکنیم؟
به همین دلیل شناسایی و آنالیز و مدیریت چنین پسماندی در این نوع صنایع ضرورت دارد. رهاسازی پسماندهای خطرناک فوق‌الذکر در طبیعت می‌تواند در صورت تجاوز از شرایط قابل پذیرش محیط، مسائل و مشکلاتی را برای محیط زیست و نهایتاً سلامتی انسان در پی داشته باشد. از این‌رو مدیریت مناسب این مواد زائد خطرناک به منظور کاهش و کنترل آلودگی محیط زیست از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
مقدمه
فولاد به آلیاژهایی گفته می‌شود که حداقل 50 درصد آن را آهن تشکیل می‌دهد و شامل یک یا چند عنصر دیگر است. این عناصر معمولاً شامل کربن، منگنز، سیلیسیوم، نیکل، کروم، وانادیوم، مولیبدن، تیتانیوم، نیوبیم و آلومینیوم هستند. پس از عبور بشر از مراحل ابتدایی تولید فولاد و آغاز عصر آهن به تدریج روش‌های صنعتی برای تولید این فلز به کار گرفته شد. فرآیند تولید فولاد نیازمند چند مرحله پی‌درپی است. امروزه دو نوع تکنولوژی برای تولید فولاد استفاده می‌شود؛ کوره اکسیژنی (BOF) و کوره قوس الکتریکی (EAF). اگرچه در این دو تکنولوژی از مواد ورودی مختلفی استفاده می‌شود، ولی خروجی هر دو نوع کوره، فولاد مذاب است که محصولات فولادی را تشکیل می‌دهد.
مواد ورودی BOF، آهن مذاب، قراضه و اکسیژن است. درEAF، برق و قراضه به عنوان مواد ورودی استفاده می‌شود. روش BOF معمولاً برای تولید تناژ بالای فولاد کربنی مورد استفاده قرار می‌گیرد، در حالی که EAF برای تولید فولادهای کربنی و آلیاژهای تناژ پایین و فولادهای ویژه کاربرد دارد. فرآیندهای قبل از تولید فولاد در BOF بسیار متفاوت از کوره قوس الکتریکی است، اما مراحل پس تولید فولاد مذاب در هر دو روش یکسان است.
تولید فولاد به صورت کاهش شیمیایی سنگ آهن، یا یک فرآیند کاهش مستقیم تعریف می‌شود. در فرآیند تولید فولاد به صورت متعارف، آهن حاصل از کوره بلند در BOF به فولاد تبدیل می‌شود. همان‌طور که اشاره شد، فولاد نیز می‌تواند در کوره قوس الکتریکی از قراضه‌های فولاد و در برخی موارد، از کاهش مستقیم آهن ساخته شود. در تکنولوژی جدید، فولاد به‌طور مستقیم از سنگ آهن تولید می‌شود. در فرآیند BOF، ساخت کک و ساخت آهن، مراحل قبل از فولاد است در حالی که، این مراحل در EAF لازم نیست. آهن خام از توده سنگ معدن آهن (کلوخه یا اسفنجی) با استفاده از کک و سنگ آهک در کوره بلند تولید می‌شود. پس از آن به صورت مذاب همراه قراضه‌های فلزی، کمک ذوب، آلیاژها، و اکسیژن با خلوص بالا برای تولید فولاد به BOF وارد می‌شود. در برخی از کارخانه‌های تولید فولاد، کلوخه‌سازی (گرمایش، بدون ذوب) برای به هم بستن و سخت شدن سنگ آهن استفاده می‌شود.
در ساخت فولاد با استفاده از BOF، مراحل کک‌سازی و آهن‌سازی پیش از فولادسازی قرار دارد، این مراحل برای ساخت فولاد به روش EAF مورد نیاز نیست. کک، که منبع سوخت و کربن است، از طریق گرم کردن زغال‌سنگ در غیاب اکسیژن در دمای بالا در کوره‌های کک تولید می‌شود. سپس با گرم کردن کک، سنگ آهن و سنگ آهک در کوره ذوب آهن، آهن خام تولید می‌شود. در BOF، آهن مذاب از کوره بلند با مواد کمک ذوب و فولاد قراضه ترکیب شده و اکسیژن با خلوص بالا تزریق می‌شود. این فرآیند، به همراه مراحل ساخت کک، ساخت آهن، فولادسازی، و پس از آن فرم‌دهی و عملیات پایانی به عنوان تولید کامل یکپارچه تعریف می‌شود. در EAF، ماده ورودی در درجه اول قراضه فولاد است که با عبور جریان الکتریکی از طریق الکترودها، قراضه‌ها ذوب و تصفیه می‌شود. فولاد مذاب از هر دو فرآیند به صورت شمش و ورقه درآمده که به محصولات نهایی نورد می‌شود. عملیات نورد ممکن است نیاز به دوباره گرم کردن، لوله کردن، تمیز کردن و پوشش دادن فولاد داشته باشد. در فرآیند اسیدشویی، سطح فولاد را به‌طور شیمیایی، از زنگ‌زدگی‌ها، و سایر مواد تمیز می‌کند. اسیدهای معدنی مانند اسید هیدروکلریک و اسیدسولفوریک معمولاً برای اسیدشویی استفاده می‌شود. فولادهای ضدزنگ با اسیدهای هیدروکلریک، نیتریک و هیدروفلوریک غوطه‌ور می‌شوند. مایع اسیدشویی پس از مصرف، اگر حاوی اسید باقی‌مانده قابل توجه و غلظت بالایی از نمک‌های آهن محلول باشد جزو پسماند خطرناک محسوب می‌شود.
برآورد پسماندهای تولیدی در طول فرآیند فولادسازی
در ساخت فولاد به روش‌های BOF و EAF، از مواد کمک ذوب و آلیاژکننده‌ها استفاده می‌شود که ممکن است شامل: فلوریت، دولومیت و عوامل آلیاژی مانند آلومینیوم، منگنز باشد. پسماند جامد ناشی از فرآیند عمومی تولید فولاد شامل لجن کوره و غبار جمع‌آوری‌شده، با سرعت متوسط تولید 300 کیلوگرم/ تن از ساخت فولاد تا 500 کیلوگرم / تن است که 30 کیلوگرم آن ممکن است شامل مواد خطرناک متناسب با غلظت فلزات سنگین باشد. حدود 65 درصد لجن BOF از ساخت فولاد می‌تواند در صنایع مختلف مانند مواد ساختمانی و در برخی موارد پشم شیشه بازیافت شود. از پسماندهای ناشی از مراحل مختلف در فرآیند فولادسازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
کک‌سازی: لجن آهک، لجن قیری مخزن جداکننده، باقی‌مانده قیر، ترکیبات گوگردی (انتشاریافته از انباشته‌های کوره‌های کک) و... .
فولادسازی: غبارهای کوره‌های اکسیژن بازی، لجن و پسماندهای حاوی فلزات، غبارهای کوره‌های قوس الکتریکی و لجن (به‌طور کلی، 20 پوند غبار به ازای هر تن فولاد انتظار می‌رود)، گرد فلزی متشکل از ذرات آهن، روی، و سایر فلزات مربوط به قراضه و کمک ذوب (آهک و/ یا فلوریت) و سرباره‌هاست.
بخش‌های پایانی و نورد شامل لجن فاضلاب حاصل از نورد، و عملیات شست‌وشو که ممکن است حاوی کادمیوم، کروم و سرب باشد، روغن و گریس‌ها از نورد سرد و گرم، پساب‌های حاصل از حمام‌های شست‌وشو (آب شست‌وشو از فرآیندهای پوشش ممکن است حاوی روی، سرب، کادمیوم، یا کروم باشد)، تراشه‌های فلزی حاصل از نورد پایانی که ممکن است پسماندی با مشخصه کروم داشته باشد و همچنین پسماند روی است.
پسماندهای تولیدی از فرآیند فولادسازی اکسیژنی عبارت‌اند از: سرباره، منواکسیدکربن، اکسیدهای آهن که به صورت غبار منتشر می‌شود. همچنین، هنگامی که آهن گرم به پاتیل یا کوره ریخته می‌شود، دوده‌های اکسید آهن آزاد می‌شوند، و مقداری از کربن در آهن به صورت گرافیت (به نام کیش) رسوب می‌کند. قسمت‌هایی از سرباره BOFکه دارای فلز بالاست می‌تواند برای استفاده در کوره‌های کلوخه‌سازی یا کوره بلند بازیابی و پردازش شود. کوره‌های اکسیژنی مجهز به سیستم‌های کنترل آلودگی هوا، خنک‌کننده، و تمیزکننده گازهای داغ و بخارات میکرونی منتشر‌شده در طول فرآیند است. در این مرحله از آب برای خنک کردن یا سرد کردن گازها و بخارات برای رسیدن به درجه حرارت قابل استفاده در تجهیزات تصفیه گاز استفاده می‌شود. ضایعات حاصله از عملیات کنترل آلودگی شامل غبار و لجن تصفیه آب است. معمولاً در حدود هزار گالن آب به ازای هر تن فولاد در یک دستگاه تصفیه گاز مرطوب به منظور حذف موثر آلاینده‌های هوا استفاده می‌شود. آلاینده‌های اولیه گرفته‌شده از خروج گازها،TSS و فلزاتی مانند روی و سرب است. عملیات کلوخه‌سازی می‌تواند سطوح قابل توجهی از غبار در حدود 20 کیلوگرم در واحد تن فولاد منتشر کند. همچنین عملیات گندله‌سازی می‌تواند در حدود 15 کیلوگرم/ تن فولاد غبار منتشر کند. نشر گازها به هوا در مراحل مختلف از جمله توده آهن در یک کوره بلند شامل ذرات ریز (PM)، از کمتر از 10 کیلوگرم/ تن تا 40 کیلوگرم/ تن فولاد؛ اکسیدهای گوگرد (Sox) عمدتاً از کلوخه‌سازی و عملیات گندله‌سازی (5/ 1 کیلوگرم/ تن فولاد)، اکسیدهای نیتروژن (NOx) به‌طور عمده از کلوخه‌سازی و پخت (2/ 1 کیلوگرم/ تن فولاد)، هیدروکربن، منواکسیدکربن، در برخی از موارد دیوکسین (عمدتاً از عملیات کلوخه‌سازی) و فلورید هیدروژن صورت می‌گیرد.
نشر گازها از تولید فولاد با استفاده از BOF ممکن است شامل PM (در رنج کمتر از 15 کیلوگرم/ تن تا 30 کیلوگرم/ تن فولاد) باشد. برای سیستم‌های بسته، نشر گازها از مرحله گوگردزدایی بین کوره بلند و BOF؛ انتشار ذرات معلق در حدود 10 کیلوگرم/ تن فولاد است.
در فرآیند عمومی بدون مسیر برگشتی، فاضلاب‌ها، شامل فاضلاب بخش عملیات‌های خنک‌کننده، با سرعت تولید متوسط 80 مترمکعب/ تن فولاد تولید است. آلاینده‌های عمده در فاضلاب تصفیه‌نشده تولیدشده از بخش ساخت آهن خام عبارت‌اند از: کربن آلی کل (معمولاً 100 تا 200 میلی‌گرم/ لیتر)؛ جامدات معلق کل (7 هزار میلی‌گرم/ لیتر، 137 کیلوگرم/ تن)؛ مواد جامد محلول؛ سیانید (15 میلی‌گرم/ لیتر)؛ فلوراید (هزار میلی‌گرم/ لیتر)؛ اکسیژن مورد نیاز واکنش شیمیایی، یا COD (500 میلی‌گرم/ لیتر)؛ و روی (35 میلی‌گرم/ لیتر).
موازنه مواد در کارخانه فولاد
خروجی‌های بسیاری در هر یک از مراحل ساخت کک، آهن و فولاد، فرم‌دهی فلزات به اشکال پایه، و تمیز کردن و پوسته شدن سطوح فلزی تولید می‌شوند. بسیاری از این خروجی‌ها به همراه فرآیندهایشان، در جدول یک دسته‌بندی و فهرست شده‌اند.
نتیجه‌گیری
از پسماندهای حاصل از مراحل مختلف در فرآیند فولادسازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: کک سازی: لجن آهک، لجن قیری مخزن جداکننده، باقی‌مانده قیر، ترکیبات گوگردی (انتشاریافته از انباشته‌های کوره‌های کک) و... در بخش آهن‌سازی، سرباره‌ها، دی‌اکسید گوگرد یا هیدروژن سولفید و ضایعات مرکز تصفیه لجن از جمله پسماندها هستند. در بخش فولادسازی، پسماندهای تولیدشده ممکن است شامل موارد زیر باشد:
غبارهای بازی کوره‌های اکسیژن، لجن و پسماندهای حاوی فلزات، غبارهای کوره‌های قوس الکتریکی و لجن، گرد فلزی متشکل از ذرات آهن، روی، و سایر فلزات مربوط به قراضه و کمک ذوب (آهک و/ یا فلوریت) و سرباره‌ها. بخش‌های پایانی و نورد که ممکن است شامل لجن فاضلاب حاصل از نورد، و عملیات شست‌وشو که ممکن است حاوی کادمیوم، کروم و سرب باشد، روغن و گریس‌ها از نورد سرد و گرم، پساب‌های حاصل از حمام‌های شست‌وشو (آب شست‌وشو از فرآیندهای پوشش ممکن است حاوی روی، سرب، کادمیوم، یا کروم باشد)، تراشه‌های فلزی حاصل از نورد پایانی ممکن است پسماندی با مشخصه کروم داشته باشد و همچنین پسماند روی باشد. رهاسازی این پسماندهای خطرناک از پسماندهای فوق‌الذکر در طبیعت می‌تواند در صورت تجاوز از شرایط قابل پذیرش محیط، مسائل و مشکلاتی را برای محیط زیست و نهایتاً سلامتی انسان در پی داشته باشد. از این‌رو مدیریت مناسب این مواد زائد خطرناک به منظور کاهش و کنترل آلودگی محیط زیست از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
منابع:
1- بررسی کمی و کیفی پسماندهای تولیدشده در صنایع فولاد، زهرا ضمیرایی، علی ناهد
2- آشنایی با صنعت آهن و فولاد، حسن قاسم‌زاده
3- روند جهانی تولید کنسانتره آهن و فولاد و ارائه روش‌های کاهش میزان انرژی مصرفی، فردیس نخعی
