Природа и основные источники загрязнения воздуха и воды промышленными выбросами комбината Североникель

Технология металлургического производства комбината Североникель основана на переработке сульфидного медно–никелевого сырья, причем до 1998 г. перерабатывали руды и полуфабрикаты, а с 1999 г. цех плавки руды был закрыт, и в качестве основного сырья остался т.н. файнштейн (см. ниже). Безвозвратные потери металлов на комбинате в шлак, пыль и сточные воды до последнего времени составляли 4.5 – 5 % от поступления в сырье – таблицы 1 и 2. Суммарные поступления металлов и сернистого ангидрида в природную среду за последние 50 лет оказались столь велики – никеля и меди ~ по 100 000 -110 000 т, SO₂ ~ 7 500 000 т – что даже после полного прекращения аэротехногенных выбросов мониторинг и изучение их негативного влияния останется актуальным еще многие годы.

Металлургические шлаки содержат токсичные металлы в немобильной, нерастворимой форме, а площадь шлаковых отвалов составляет только несколько гектаров. Металло-содержащие стоки загрязняют близлежащие водоемы, т.е. представляют собой местные источники загрязнений. В противоположность этому аэротехногенные выбросы Североникеля являются глобальными источниками загрязнения природной среды, например обнаружено, что металлургическая пыль Кольских комбинатов переносится на северо-американский континент [Крючков и Макарова, 1989]. Доля Североникеля до недавнего времени составляла 94-96% от общего выброса SO₂ и 100% выбросов меди и никеля в центральной части Кольского полуострова.

Основные медь-никель-содержащие минералы сульфидных руд [Полферов, 1978] это пентландит (Ni,Fe)₉S₈, представляющий собой изоморфную смесь сульфидов никеля и железа; пирротин Fe₇S₈(Nix), содержащий твердые растворы сульфидов никеля; и халькопирит CuFeS₂. Другие сульфидные минералы, как пирит FeS₂ и кубанит CuFe₂S₃, встречаются гораздо реже. Никель сопровождается кобальтом, платиновыми металлами, золотом, серебром, селеном и теллуром.

Содержание в сульфидных рудах никеля 0.3 – 5.5%, меди 0.6-10%, и кобальта ~ 0.2%. Основную массу руды составляют магнетит, пирротин и силикаты железа, алюминия, магния и кальция.

Первой операцией переработки руды была ее плавка с получением медно-никелевого штейна – смеси сульфидов меди, никеля и железа. При этом от 13 до 25% серы выделялось из руды в виде двуокиси SO₂ – сернистого ангидрида. Темные плотные облака, клубившиеся над комбинатом многие годы, состояли именно из этого газа с примесью пыли.

Плавка руды в электрических дуговых печах сопровождалась образованием пыли в результате испарения и разбрызгивания перегретого расплава, пыль выносится с газом из печи. После частичной очистки от пыли газы поступали в атмосферу, частью через трубы, частью через фонари на крыше цеха.

Медно-никелевый штейн продували воздухом в присутствии кварцита SiO₂ для ошлакования железа (процесс конвертирования или Бессемерование) с получением файнштейна – смеси сульфидов меди и никеля. Конвертерный газ содержал до 5-6% SO₂ и после очистки от пыли поступал на производство серной кислоты. Много газа и пыли выделялось в атмосферу при повороте конвертера для слива расплавов.

Файнштейн, поступающий ныне из комбинатов Норильского и Печенганикель, разделяется на никелевый и медный концентраты, из которых по длинной цепи переделов получают конечные продукты – чистые медь и никель. Половина серы из медного концентрата флотации файнштейна выделяется в виде SO₂ с примесью медь-содержащей пыли.

Североникель является также источником выбросов углекислого газа СО₂, окиси углерода (угарного газа) СО, окислов азота NОx, фенола, формальдегида, полициклических ароматических углеводородов, в основном бенз(а)пирена, серной кислоты и серного ангидрида SO₃, сероводорода H2S, хлора, тетракарбонила никеля Ni(CO)₄, соединений ванадия, двуокисей селена SeO₂ и теллура TeO₂, и окислов марганца MnOx – таблица 3.

Окислы углерода и азота образуются в результате сжигания мазута, кокса и при сгорании самоспекающихся электродов в дуговых печах. Источником фенола и формальдегида было использование фенол - формальдегидной связки при получении шлаковатных плит. Бенз(а)пирен в основном образуется при сгорании самоспекающихся электродов в дуговых печах. Источник ванадия – сжигание мазута, а марганца – плавка легированных сплавов в ремонтно-механическом цехе. Селен, теллур и кобальт выделяются вместе с никелем и медью. Тетракарбонил никеля выделяется при производстве чистых никелевых порошков, гидроаэрозоли никеля и меди и хлор – выделяются с вентиляционными газами гидрометаллургических цехов. Источник выбросов серной кислоты и серного ангидрида – сернокислотное производство.

Cуммируя [Barcan, 2003], можно утверждать, что в состав металлургических пылей, выбрасываемых на ландшафт из агрегатов комбината Североникель, входили до последнего времени как рудные минералы - пентландит, пирротин, халькопирит, халькозин, ковеллин, куприт, тенорит, так и частицы шлака, содержавшие соединения железа, алюминия, магния, кальция и кремнекислоты, а также металлические медь и никель. Тонкие фракции пыли были обогащены свинцом, мышьяком и цинком. В малых количествах пыль содержит платиновые металлы, золото и серебро.

Руды (мончегорская и печенгская), перерабатывавшиеся на комбинате до 70-ых годов XX в., содержали серы всего около 3,5%. В процессе рудной плавки на штейн и продувки в конвертерах штейна на файнштейн, сера переходила в технологические и вентиляционные газы. Технологические газы сбрасывались в атмосферу через дымовые трубы, высота которых - 110 метров - обеспечивала перенос газа за пределы города. Газы, выбрасываемые из вентиляционных систем и фонарей цехов, юго-западными ветрами переносятся в город, также как и дымовые газы старых котлов теплоэлектроцентрали, сбрасываемые через трубы высотой 30 м.

Наибольшее загрязнение атмосферы города происходит при безветрии, способствующем накоплению загрязнений. Случаи наиболее длительного, значительного превышения предельно-допустимых концентраций (ПДК) имели место именно при таких метеоусловиях.

Загрязнение атмосферы в городе и вокруг него резко увеличилось после начатой в 1968 году переработки норильской руды, содержавшей около 25% серы. Выбросы сернистого газа в атмосферу увеличились в несколько раз и высокие концентрации сернистого газа в воздухе города стали обычным явлением. Серный ангидрид образуется также и при высокотемпературной окислительной обработке сернистых материалов. В газах конвертеров и обжиговых печей содержится 0,2-0,3% SO₃.

Производственная деятельность любого химико-металлургического предприятия связана в той или иной степени с загрязнением окружающей среды. Не является в этом отношении исключением и Североникель. Выброс в атмосферу или сброс со сточными водами металлов не только загрязняет воздушную среду и водоемы в районе предприятия, но и является прямой потерей ценных материалов, наносящей ощутимый ущерб. Поэтому вопросам сокращения потерь металлов с отходящими газами и сточными водами на всех этапах развития комбината уделялось большое внимание.

Технологическая схема производства никеля, меди и кобальта с попутным извлечением металлов платиновой группы, золота, серебра и селена, с получением серной кислоты из отходящих газов, предусматривает наиболее высокое извлечение полезных элементов и минимальное загрязнение окружающей среды. И все же на всех переделах сложной схемы переработки сульфидного медноникелевого сырья имеют место значительные потери металлов с отходящими газами, со сточными водами и при транспортировке продуктов.

В 1998 году Североникель прекратил плавку рудного сырья и стал рафинировочным заводом, перерабатывающим файнштейн - полупродукт Норильского комбината и комбината Печенганикель, в который на этих предприятиях извлекаются все полезные металлы рудного сырья, кроме железа, и часть серы. Вместе с файнштейном, являющимся сплавом сульфидов, в переработку поступают металлосодержащие материалы - концентраты, лом и отходы сплавов, содержащие медь, никель, кобальт и драгоценные металлы. Из прибывающих на комбинат металлосодержащих материалов источниками потерь и загрязнения окружающей среды могут быть тонкодисперсные, пылящие продукты, хранящиеся на открытых площадках и растворимые соли в неисправной таре.

Дробление и измельчение файнштейна перед первым технологическим переделом - флотационным разделением сульфидов никеля и меди, может приводить к заметным потерям металлов при неисправности укрытий и пылеулавливающих устройств на дробилках. Измельчение в шаровых мельницах, сгущение в сгустителях и флотация файнштейна ведутся практически без потерь, если нет повреждений ткани на фильтрах и утечек пульпы в насосах и трубопроводах. Выброс металлов в атмосферу в настоящее время на участке флотационного разделения файнштейна оценивается всего в несколько тонн в год.

Установленные на очистке аспирационных газов пенные пылеуловители имеют КПД около 99%. Определенную опасность потерь металлов несут системы гидротранспорта, передающие пульпу никелевого концентрата в обжиговое отделение рафинировочного цеха и в металлургический цех. Несвоевременная замена изнашиваемых участков пульпопроводов и их замораживание в зимнее время неизбежно вызывают проливы и потери концентратов.

В рафинировочном цехе все еще велики выбросы никеля на обжиге никелевого концентрата и выплавке анодов. Наиболее полное разделение сульфидов меди и никеля требует весьма тонкого измельчения файнштейна и во флотационных концентратах значительная часть материала представлена частицами размером в несколько микрон. Обжиг никелевых концентратов ведется в печах с кипящим слоем, с активным перемешиванием материала дутьем, способствующим выносу мелких частиц отходящими газами.

С целью уменьшения пылевыноса обжиг ведется при температуре слоя не менее 1050°С. При этом происходит частичное оплавление и укрупнение частиц, уменьшается вынос пыли и полученная закись никеля в меньшей степени выносится обжиговыми газами из трубчатой печи и меньше пылит при перегрузке и в трубчатой печи, при восстановлении закиси перед плавкой на аноды.

Повышение температуры ванны в печах КС свыше 1100°С грозит сильным спеканием материала и залеганием слоя ("козлом"). Поэтому только точное соблюдение установленного оптимального режима обжига дает гарантию минимальных потерь. Не менее важно и соблюдение оптимального состава шихты - низкое содержание серы в ней, вследствие повышенной доли оборотной пыли, снижает температуру слоя и вызывает увеличенный вынос пыли и повышенное содержание тонких частиц в восстановленной закиси.

Газы обжиговых печей поступают на переработку в сернокислотный цех и поэтому потери металлов с выносимой ими пылью происходят только при выгрузке и транспорте пыли из газоходов и электрофильтров. Двуокись серы обжиговых газов утилизируется в сернокислотном цехе (является для этого цеха сырьем для производства серной кислоты) и в атмосферу ее поступает немного. Выбросы сернистого газа из обжигового отделения составляют не более 3000 т/год, в основном вследствие выбивания газа из неплотностей газового тракта, при нарушении тягового режима. Выбросы никеля, в результате нарушений технологического режима обжига (недостаточное разрежение в газоходе, низкая температура кипящего слоя, низкая температура газа и неэффективная работа электрофильтров), и небрежной выгрузки пыли составляют около 150 т/год.

Наиболее неблагополучными переделами рафинировочного цеха являются электропечные отделения. Содержание серы в закиси никеля, поступающей в электропечи весьма мало, а токсичная окись углерода, образующаяся в процессе плавки, сгорает на выходе из печи. Загрязняет атмосферу пыль, выделяющаяся при загрузке восстановленной закиси никеля в шихтарник и электропечи, и выносимая газами из электродных отверстий и рабочих окон печей, а также образующаяся при разливе металла. При переливе анодного никеля в миксер и разливе металла в изложницы, жидкий металл охлаждается и пузырьки выделяющегося из него газа выносят пленку жидкого металла в воздух, в котором она мгновенно окисляется, образуя тончайшую пыль.

В меньшей степени на загрязнении воздуха в городе сказывается работа электропечей в новом отделении, газы которых очищаются в электрофильтре, а аспирационные газы шихтарника очищаются от пыли в рукавных фильтрах и сбрасываются через дымовую трубу высотой 160 метров. Выбросы никеля в старом электропечном отделении составляют более 230 т/год, а в новом около 110 т/год. Передел получения никелевого порошка, используемого в электролизном цехе для очистки никелевого электролита от меди, можно отнести к благополучным. Скоростные газопромыватели с КПД до 99% обеспечивают годовой объем выбросов никеля всего около 6 т.

Цех электролиза никеля загрязняет атмосферу аэрозолями хлоридов и сульфатов никеля. Они выносятся отработанным воздухом из агитаторов с воздушным перемешиванием (пачуков) и пузырьками водорода из ячеек электролизных ванн. Часть выносимого из пачуков электролита конденсируется в газопроводах вытяжных систем, но много выносится из вентиляционых шахт в атмосферу.

В атмосферу, в виде аэрозолей сульфата никеля NiSO₄ и хлорида NiCl₂ в никелевых электролизных цехах выносится около 80 т никеля в год, причем при юго-западном ветре часть этих выбросов переносится в город.

При очистке электролита от железа и кобальта применяется газообразный хлор. Избыточный хлор улавливают не полностью раствором соды в скрубберах с керамическими насадками в первом цехе электролиза и в пенных аппаратах во втором, Выбросы хлора в ЦЭН-1 и ЦЭН-2 составляют соответственно 168 и 40 т/год. Кроме хлора злектролизные цехи загрязняют воздух сероводородом, выделяющимся при растворении никелевого концентрата для пополнения дефицита никеля в электролите. Сероводород улавливают раствором соды не полностью, и в атмосферу из электролизного цеха попадает около 36 т/год.

Основной канал потерь никеля и кобальта в корпусах электролизного цеха и загрязнения сточных вод комбината - это проливы электролита и протечки через полы в грунт и далее в грунтовые воды. Особо неблагополучен в этом отношении первый (старый) корпус цех электролиза, не имеющий гидроизоляционного экрана под полами на первом этаже.

Многолетний опыт показал, что практически невозможно создать абсолютно водонепроницаемые полы. По тем или иным причинам в них появляются трещины, через которые протекает пролитый электролит. Он выносится грунтовыми водами в озеро Нюд и металлы попадают в промышленные сточные воды, загрязняющие Монче-губу озера Имандра.

Высокая стоимость платиновых металлов, золота и серебра, извлекаемых из шламов электролизных ванн, вызвала необходимость самой тщательной проработки проектных решений в шламовом отделении, отходящие газы которого очищаются перед сбросом в дымовую трубу в мокрых электрофильтрах с КПД превышающем 98%. Вся баковая аппаратура в этом отделении помещена на подставках, позволяющих контролировать отсутствие течей. Полы сделаны особо тщательно, с двойным слоем гидроизоляции, без заглубленных сборников растворов. Потери металлов в шламовом цехе составляют десятые доли процента. Также невелики выбросы в цехе карбонильного никеля (ЦКН). Особая токсичность тетракарбонила никеля потребовала проведения специальной программы работ по исключению его выбросов в атмосферу. Годовой выброс никеля в атмосферу в виде карбонила никеля составляет в ЦКН 0,7 т и в других формах (металл и окислы) еще 1 т.

Крупным загрязнителем окружающей среды является металлургический цех (бывший цех анодной меди). Неудачная конструкция напыльников у вертикальных конвертеров, не забирающих газы при заливке в конвертер штейна, при повороте конвертера на дутьe и выводе из дутья, приводит к выделению в пролет значительных объемов газа с высоким содержанием двуокиси серы и пыли. Потом эти газы через фонарь главного пролета выносятся в атмосферу. Ошибочно принятая схема газоходов конвертеров с общим коллектором и без устройств для осаждения грубой пыли непосредственно за каждым конвертером, приводит к осаждению массы пыли в газоходе и ее выгрузке с большими потерями. Кроме того, коллектор дает значительные подсосы воздуха через затворы для выгрузки пыли и от других конвертеров, снижающие температуру газа и КПД электрофильтров.

До последнего времени в этом цехе выбрасывалось в воздух 740 т меди, 240 т никеля и более 60 тыс. т двуокиси серы в год. Сернистый газ, выбрасываемый через 160 м дымовую трубу после очистки в электрофильтрах и частично направляемый в сернокислотный цех, обычно не попадает в город, но наносит ущерб лесу в окрестностях. Опасность для города представляет газ, выбрасываемый из фонаря плавильного пролета, юго-западным ветром он переносится в город.

Свою долю в загрязнение атмосферы вносят еще и газы печей анодного рафинирования, сбрасываемые в дымовую трубу без очистки. Также не решена задача очистки отходящих газов электропечи РКЗ-12,5, плавящей вторичные материалы в бывшем плавильном цехе.

Цех электролиза меди выбрасывает в атмосферу аэрозоли серной кислоты, сульфата меди и мышьяковистый водород, выделяющийся из ванн регенерации электролита. Объем выбросов невелик - 4,4 т серной кислоты, 0,7 т сульфата меди и 0,3 сульфата никеля в год.

Сернокислотный цех, утилизируя основную массу двуокиси серы, содержащейся в обжиговых и конверторных газах, все же загрязняет атмосферу двуокисью серы и аэрозолем серной кислоты. Выброс двуокиси серы определяется полнотой ее окисления в серный ангидрид в контактных аппаратах, а выбросы аэрозоля серной кислоты - степенью улавливания серного ангидрида в абсорбционных колоннах.

При соблюдении оптимального технологического режима объемы выброса SO₂ около 6000 т/год, H₂SO₄ - 152 т/год и серного ангидрида - 108 т/год, но при нарушении режима они могут существенно возрастать.

Второе место по загрязнению атмосферы сернистым газом, после металлургического цеха, в настоящее время занимает ТЭЦ [Инструментальные …, 1999]. Котлы теплоэлектроцентрали, сжигающие серосодержащий мазут, выбрасывают в атмосферу около 10500 т/год сернистого газа. Кроме того, в дымовых газах ТЭЦ выносится мазутная зола, содержащая вредную пятиокись ванадия, окислы азота, серный ангидрид, окись углерода и бенз(а)пирен. Газы котлов №№ 1, 2, 3, 4, сбрасываемые через трубы высотой 30 м и котлов №№ 5 и 9, с трубой 80 м, при неблагоприятном направлении ветра переносятся в город.

Сравнительно невелики выбросы в атмосферу в ремонтно-механическом цехе. В кузнечном отделении отапливаемые мазутом печи для нагрева поковок и вагранка литейного отделения сбрасывают окись углерода и окислы азота. Кроме того, сварочные посты загрязняют атмосферу марганцем и пылью. При работе участка шлаковатных изделий, в котором применялась в качестве связующего компонента фенол- формальдегидная смола, выбрасывалось в год 23,7 т формальдегида, 0,7 т фенола и 5,4 т пыли. В настоящее время этот передел не работает.

Значительную долю вредных веществ вносит в атмосферу города автотранспорт. Выхлопные газы автомашин содержат формальдегид, бенз(а)пирен, окись углерода, окислы азота и сажу. Относительно небольшую, но заметную долю в загрязнение воздуха восточного района города вносила котельная городской бани, сейчас эта котельная переведена на электроподогрев.

При северных ветрах воздух города загрязняется выбросами котельных в военном поселке 25 и 27 км, работающих на каменном угле, без очистки дымовых газов.

Надо особо отметить, что выбросы пыли, содержащей металлы, в атмосферу, являются и источником загрязнения водоемов - выпавшие на почву соединения металлов постепенно переходят в растворимую форму и потом смываются дождями и талыми водами в реки и озера. Поэтому улучшение режима работы электрофильтров и оснащение пылеулавливающими установками агрегатов, на которых они отсутствуют, остается неотложной задачей Североникеля.