При плавке металлургического сырья на штейн протекают процессы диссоциации высших и сложных сульфидов с образованием простых:

2CuFeS₂=Cu₂S+2FeS+l/2S₂;

FeS₂=FeS+1/2S₂;

3NiS=Ni₃S₂+1/2S.

В исходном сырье или в продуктах после окислительного обжига сульфидных минералов извлекаемые металлы присутствуют в виде оксидов (например, никель в окисленных никелевых рудах). Поэтому при образовании штейнов идут обменные реакции между сульфидами шлакообразующих металлов и оксидами извлекаемых металлов:

[Ме0]_шл+(Me*S)_шт®(МеS)_шт+[Ме*О]_шл,

где Me* – извлекаемый металл.

В настоящее время штейны цветных металлов получают в отражательных печах, отапливаемых мазутом или угольной пылью. Содержание меди в штейне достигает 20–35 %, в шлаках 0,4–0,6 %. Получила развитие также плавка сульфидных медных концентратов во взвешенном состоянии в печах на кислородном дутье. Эта плавка позволяет исключить углеродистое топливо из процесса, т.к. использует энергию окисления сульфидов исходного сырья (автогенный процесс).

Никелевые штейны получают из окисленных никелевых руд также в шахтных печах. Штейнообразование начинается при температурах более 600^о С по реакциям:

NiO+CaS=NiS+CaO;

FeO+CaS=FeS+CaO;

NiO+FeS=NiS+FeO.

При плавке получают шлаки, штейн, пыли, газы. Шлаки содержат 0,09–0,22 % Ni. Шахтные печи малоэкономичны, отличаются низким извлечением никеля в штейн и достаточно высокой производительностью. Медно-никелевые руды и концентраты плавят на штейн также в мощных современных электропечах.

Конвертирование штейнов тяжелых металлов, т.е. обработка их кислородом воздуха проводится для окисления некоторых составляющих штейна и перевода их в шлаковые расплавы:

MeS+1,5O₂=MeO+SiO₂;

xMeO+ySiO₂=xMeO*ySiO₂,

а также для превращения сульфида основного металла в черновой металл:

MeS+O₂=Me+SO₂.

Горизонтальные конвертеры для переработки медных, медно-никелевых и никелевых штейнов – аппараты достаточно совершенные, концентрация отходящих сернистых газов относительно высока (8–10 % SO₂), что позволяет перерабатывать их на серную кислоту. Шлаки конвертеров либо возвращают на доизвлечение меди в отражательную плавку, либо извлекают медь флотационными методами.

Рафинировочные плавки цветных металлов являются источниками как ценных, так и малоценных вторичных материалов, часто небезопасных в экологическом отношении и весьма перспективных для извлечения, например, редких металлов. Ликвационные методы рафинирования широко применяются в процессах очистки металлов от примесей вследствие своей простоты. Таким образом очищают, например, черновой свинец от меди. Этот процесс основан на понижении растворимости меди в свинце при уменьшении температуры. При этом образуются медные шликеры, содержащие до 18–30 % Сu и 50–70 % Рb. В медистых шликерах концентрируются индий и таллий (частично).

Распространенные металлургические процессы рафинирования металлов от примесей основаны на различном сродстве металлов к другим химическим элементам. Окислительное рафинирование (различное сродство металлов к кислороду) применяется для очистки от примесей меди, свинца, олова и др. Метод реализуется продувкой воздуха (кислорода) через слой расплавленного металла (например, свинца). Примеси в виде свободных или ошлакованных оксидов всплывают на поверхность металлической ванны. Некоторые высоколетучие примеси, такие как Аs₂О₃, Sb₂О₃, SnO переходят в парогазовую фазу. Эти примеси весьма токсичны. В современных технологиях используют присадки оксидов, легко отдающих кислород. В качестве таковых можно использовать оксиды самого рафинируемого металла.

Щелочное рафинирование предполагает использование в качестве окислителя натриевой селитры, т.е. окисление примесей и взаимодействие образовавшихся оксидных примесей с расплавленной щелочью с получением нерастворимых в металле (свинце) соединений Na₂SnO₃, Na₂AsO₄, Na₂SbO₄. Затем следует ликвационное разделение примесей; образующиеся щелочные съемы утилизируются.

Огневое (окислительное) рафинирование меди проводят в отражательных печах для выплавки анодов, используемых при получении электрохимически чистой меди. Черновая медь содержит, %: <0,16 As; 0,2–0,3 Sb; селен; теллур; благородные металлы (<160 г/т Au, 2 кг/т Ag). Для удаления из расплава сурьмы вводят щелочные присадки (соду или известь). Это позволяет выделить нерастворимые в меди арсенаты и антимонаты кальция и натрия. Остальные ценные компоненты вместе с черновой медью концентрируются в анодном шламе электрохимического передела.

Цели и задачи инженерной экологии

Цель инженерной экологии – это формирование системы знаний по реализации ресурсосберегающих и экологичных решений в сфере материального производства.

Указанная цель согласуется с объективной реальностью в развитии биосферы Земли.

Развитие биосферы на протяжении многих столетий свидетельствовало и свидетельствует о постоянно нарастающем и ускоряющемся техногенезе, носящем порой скрытый, неявный характер. Всепроникающее действие глобального техногенеза условно аппроксимируется законом дивергенции, выражающим сложную иерархическую структуру материальных превращений, обусловливающих деградационные процессы в биосфере. Своеобразной индикацией таких процессов являются объекты флоры, фауны и сам человек, составляющие предмет исследования популяционной экологии.

«Выживание человечества обеспечивается разумным управлением глобальным техногенезом в жестко регламентируемых доверительных границах. Задачей инженерной экологии является изыскание и реализация надежных способов и средств обеспечения необходимых и достаточных условий выживания. Решение такой задачи возможно только с позиции системного подхода, реализующего комплексность решений во всех сферах материального производства и жизнедеятельности».

«Несмотря на очевидную дифференциацию природоохранных функций, задействованных в различных отраслях народного хозяйства, разнохарактерность организационно-управленческих структур, различие в специфике трудовых процессов и условиях их реализации, необходима разработка единой научной методологии, объединяющей в себе следующие основополагающие направления инженерно-экологического обеспечения:

- анализ обратимых и необратимых деградационных процессов в районах со сложными инженерно-геологическими, гидрологическими, геокриологическими и другими природно-климатическими условиями;

- количественная оценка общих и локальных потерь окружающей природной среды (соотнесение этих потерь на региональном, общегосударственном и общепланетарном уровнях);

- разработка и классификация объективных критериев состояния равновесия экосистем «человек – природный объект», «промышленный объект – окружающая среда», «человек – машина – природный ландшафт» и т.п.;

- нормирование способов и средств получения экологической информации по конкретным природно-техническим геосистемам;

- разработка локальных и региональных экологических шкал по видам строительного и промышленного воздействия;

- создание экологически чистых материалов, продуктов производства, машин и технологий;

- разработка методов инженерно-экологической профилактики, опережающего планирования природоохранных мероприятий, восстановление и комплексная реконструкция антропогенных ландшафтов;

- внедрение экономических методов эффективного управления природоохранной деятельностью на всех этапах формирования промышленной или строительной продукции и др.»

Перечисленные направления по своему характеру являются комплексными, опирающимися на исследования, строго отвечающие специфике конкретной экосистемы. Однако, несмотря на возможные различия методических подходов реализации того или иного направления, главная цель инженерной экологии – это преодоление экологических противоречий в системе "человек – природа".

Особенно остро сегодня стоят вопросы дестабилизации экосистем Крайнего Севера, природных ландшафтов субарктических и арктических районов ввиду повышенной чувствительности их биогеоценозов и крайне слабой саморегенерации популяций флоры и фауны.

Экологическую проблему следует рассматривать с социально-исторических, экономических и нравственно-этических позиций, поскольку многие столетия и тем более последние десятилетия насаждался культ насилия над природой. Экстенсивные формы развития экономики стимулировали хищническое использование природных ресурсов.

К сожалению, современная наука далеко не всегда в состоянии дать точную оценку глобального экологического ущерба от стереотипных методов хозяйствования. Отсутствие до настоящего времени объективных методов оценивания негативных экологических последствий породило прагматический стиль решения хозяйственных вопросов.

С этой точки зрения, необходимо форсировать консолидацию всех научных, инженерно-технических и производственных сил на единой методологической основе в направлении защиты природы и снижения экологического риска на Земле.

Рис. 1.1. Структура СИЭОП. Связи прямого формирования и обратные связи

«Реализацией концепций инженерной экологии является система инженерно-экологического обеспечения производства (СИЭОП). СИЭОП – это комплекс взаимосвязанных, взаимодействующих элементов (подсистем), функционирующих в оптимальных режимах управления. Причем под управлением в инженерно-экологическом смысле понимается система постоянного контроля и целенаправленного воздействия на условия и факторы, влияющие на экологическую обстановку природно-технической геосистемы, с целью установления, обеспечения и поддержания необходимого уровня экологической безопасности в процессе проектирования, производства (в том числе строительства) и эксплуатации искусственных объектов. СИЭОП функционирует в развитии подсистем (рис. 1.1): научно-методологического обеспечения» (общие принципы формирования решений, нормативный регламент, оптимизация критериев управления СИЭОП и т.д.); проектно-конструкторского обеспечения (формирование расчетных моделей и структур, конструктивные исполнения экологически чистых объектов и т.п.); технологического обеспечения (способы и средства экологически рационального использования конструктивных решений – технологические процессы, нормативно-технологический регламент экологического восстановления природно-технических геосистем и др.); организационно-методического обеспечения (оптимальные организационно-методические структуры производства, принципы обеспечения экологической эффективности производства, экологически оптимальные формы организации трудовых процессов и т. д.); комплексного экологического контроля (экологическая экспертиза научно-методических, проектно-конструкторских и организационно-технологических решений, промышленная эколометрия, мониторинг и др.); информационного обеспечения (принцип накопления, передачи, хранения и использования экологической информации, критерии качества информации и показатели ее результативности); количественной оценки и прогнозирования (методология объективного оценивания экологических ситуаций в региональном и планетарном масштабе, многоуровневая идентификация, инженерно-технические аспекты предельных прогнозов и т.д.); оптимального управления (обоснование допустимых границ регулирования трудовых процессов и управления природно-техническими геосистемами, социально-методологические аспекты формирования экологических знаний и культуры трудовых коллективов, общие принципы экологически оптимального управления и др.).

Перечисленные подсистемы СИЭОП составляют комплекс первоочередных задач в составе общего курса "Инженерная экология".

Ученые, инженеры, рабочие – контингент особого экологического приоритета и высочайшей экологической ответственности. Их деятельность самым непосредственным образом связана с судьбой природы. И чем скорее будет идти процесс трансформации мышления этих людей в пользу охраны природы, тем меньше непоправимых потерь мы будем иметь.

«Инженерная экология создает необходимые условия для мобилизации всех природоохранных действий в сфере материально-технического производства. Нельзя ожидать от людей правильных решений, не дав им необходимой информации, на основе которой они должны действовать. С этой точки зрения инженерная экология формирует ответы на вопросы: в каком направлении и как необходимо действовать, какие материально-технические, организационно-экономические и методические предпосылки должны быть созданы для обеспечения действительной, а не мнимой экологической безопасности на Земле».

ЛЕКЦИЯ № 2. Устройства и схемы комплексной очистки газовых выбросов в атмосферу.

«Для улавливания пыли применяют аппараты, действие которых основано на использование различных способов сепарации частиц из газового потока.

Ниже приведена классификация пылеуловителей и кратко изложены принципы их действия».

Пылеуловители

Газоходы и пылевые камеры

Под действием силы тяжести частицы пыли движутся ко дну аппарата или газохода. На них, кроме этой тяжести, действует сила движущегося газа и сопротивление газовой среды.

На данное сопротивление оказывают влияние ряд факторов, в том числе размера частиц, скорость оседания мелких частиц при этом небольшая. Пылевые камеры целесообразно применять только для улавливания крупных частиц пыли.