Стирка для металлургов: как отделить железо от масла без черного дыма над комбинатом

Реклама в Дзене
6 July
1,8k full reads
3,9k story viewsUnique page visitors
1,8k read the story to the endThat's 48% of the total page views
6,5 minutes — average reading time

При производстве стали на металлургических заводах образуется побочный продукт — окалина. Она содержит до 75% железа и до 15% технологического масла. Из-за этого масла окалину сложно использовать повторно без дополнительной обработки, поэтому ее отправляют в отходы. Раньше окалину захоранивали, и у некоторых комбинатов ее накопились в буквальном смысле горы. Потом стали выжигать масло при высоких температурах. Это вредно для экологии: продукты горения попадают в атмосферу.

Среди участников интенсива Архипелаг 2121 мы обнаружили проект компании «Эко-градиент», авторы которого нашли способ отделять масло от окалины без вреда для природы. Руководитель проекта Юрий Хрипко рассказал нам об этой технологии.

Начинали с масляного следа военных подлодок

Металлургией мы заинтересовались недавно. Наш основной профиль — очистка воды от нефтепродуктов. При Севастопольском приборостроительном институте в советское время работала лаборатории средств очистки воды.

Наши ветераны-технологи выполняли спецзадание ВМФ — решали проблему масляного следа от подлодок. Дело в том, что при работе дизелей охлаждающая жидкость с маслом выбрасывается за борт. Этот шлейф можно засечь датчиками и обнаружить судно. Чтобы масляного следа не было, надо разделять воду и нефтепродукты и выбрасывать за борт только воду.

Юрий Хрипко: «Наша команда сформировала основные научные и технологические компетенции в военном проекте»
Юрий Хрипко: «Наша команда сформировала основные научные и технологические компетенции в военном проекте»
Юрий Хрипко: «Наша команда сформировала основные научные и технологические компетенции в военном проекте»

Этот закрытый проект потом вышел в гражданский сектор. Уже как руководитель частной компании я занимался очисткой портовых вод. Сейчас суда, например танкеры с нефтью, обязаны сдавать загрязненные воды в порты. Вода с примесями нефтепродуктов скапливается в машинных отделениях судов из-за утечек масла, топлива, конденсации паров, а еще морскую воду используют для обеспечения работы судовых установок — часть ее попадает в производственные помещения судна и смешивается с загрязняющими веществами.

Судовладельцы платят за утилизацию такой воды большие деньги. Раньше в портах загрязненную воду просто отстаивали в огромных припортовых резервуарах — шламохранилищах. Нефтепродукты всплывали, а мазуты, гудроны и другие тяжелые фракции оседали на дно.

Затем стали использовать установки для разложения и первичной переработки загрязненной нефтепродуктами воды. В основном там применяют химические методы. Это дорого, к тому же происходит вторичное загрязнение реагентами. Устройства с мембранами и простейшими фильтрами нуждаются в постоянном обслуживании — это тоже дорого.

Использовали физику, а не химию

Наша технология работает только на уровне физики, без агрессивных химических реагентов: отделяет нефтепродукты от воды по разности плотностей и других физических параметров.

Если описать процесс бытовым языком, то загрязнения чистим водой с пузырьками и устраиваем при этом небольшие бури.

В инженерных терминах — это мелкодисперсная аэрация, кавитация на границе раздела двух сред и последующая коалесценция.

Кавитация — это процесс образования пузырьков, которые схлопываются и высвобождают энергию. Кавитация в нашей технологии — это образование и разрыв воздушных пузырьков на границе с нефтяной пленкой.

Коалесценция — это слияние капель внутри жидкости или на поверхности тела. Коалесценция обусловлена действием сил межмолекулярного притяжения: из маленьких капель нефтепродукта получаются большие.

Основные наши потребители: порты, железные дороги, нефтебазы. На предприятиях нефтекомплекса России мы запустили около сотни установок очистки сточных вод и песка от нефтепродуктов. Еще работали в Белоруссии, Казахстане, Кувейте. Мы построили универсальный цех по очистке грунтов и нефтезагрязненных вод на припортовой нефтебазе в Феодосии.

В Азербайджане чистили озеро Бёюк-Шор на Апшеронском полуострове — одно из самых сложно загрязненных озер мира.

В 2015 году наш проект очистки воды от нефти новыми физическими методами занял третье место в конкурсе Сколково по нефтепереработке и нефтехимии «Катализатор инноваций» и прошел в финал Startup Village — 2016.

До 2009 года вот так выглядел припортовый нефтеперевалочный комплекс в Феодосии. Шламохранилище, его еще называют нефтяным амбаром, имело емкость 57 000 м³. Сейчас все его содержимое переработано нашими установками, хранилища больше нет
До 2009 года вот так выглядел припортовый нефтеперевалочный комплекс в Феодосии. Шламохранилище, его еще называют нефтяным амбаром, имело емкость 57 000 м³. Сейчас все его содержимое переработано нашими установками, хранилища больше нет
До 2009 года вот так выглядел припортовый нефтеперевалочный комплекс в Феодосии. Шламохранилище, его еще называют нефтяным амбаром, имело емкость 57 000 м³. Сейчас все его содержимое переработано нашими установками, хранилища больше нет

Очистили металлургическую окалину без вреда для экологии

Я случайно узнал, что «Северсталь» ищет решение по очистке окалины от масла на металлургическом комбинате. Я никогда не был на таких заводах, не знаком с металлургией. Но я задумался: а чем окалина отличается от песка, с которым мы уже работали? Открыл справочники. Оказалось, всего три отличия: окалина мельче, тяжелее, а еще содержит железо — так это ж хорошо! Поставить электромагниты — и установка сможет отделять окалину быстрее и увереннее. Мы стали копать эту тему.

У металлургов нет единого решения, что делать с окалиной. Раньше ее просто складировали в шламохранилища. Например, у Нижнетагильского металлургического комбината накопилось 1,3 миллиона тонн замасленной окалины, а при Выксунском металлургическом заводе даже построили специальный полигон.

Шламохранилища — больная тема для металлургических комбинатов, так как сам факт существования таких полигонов с опасными отходами вызывает возмущение людей, которые живут рядом
Шламохранилища — больная тема для металлургических комбинатов, так как сам факт существования таких полигонов с опасными отходами вызывает возмущение людей, которые живут рядом
Шламохранилища — больная тема для металлургических комбинатов, так как сам факт существования таких полигонов с опасными отходами вызывает возмущение людей, которые живут рядом

Сейчас некоторые предприятия выгружают окалину в отстойники. Они устроены как каскад фонтанов в Петергофе: в первых отстойниках оседает крупная окалина, потом все мельче и мельче. В последнем отстойнике уже жижа, как в канализации.

Крупную окалину металлурги мешают с известковой пылью — панируют, как котлеты, чтобы не пригорали. Потом все это загружают в высокотемпературные печи агломерации: железо остается, масло сгорает.

Раньше окалину выжигали в печах при температуре 700 градусов без «панировки»: масло сгорало «черным дымом» — с образованием сажи и вредных газов. С «панировкой» масло не выгорает сразу, при низкой температуре, а при высокой — сажи меньше.

Так выглядит окалина в натуральную величину и под микроскопом

Однако и с «панировкой» дым и сажа все равно есть. Вредные выбросы попадают на фильтры, но фильтры улавливают их не полностью и быстро засоряются. Металлурги хотят добиться минимального содержания масла в окалине, чтобы не превышать допустимые показатели по выбросам. «Северсталь» аналитически подошла к проблеме и точно поставила задачу — добиться не более 1,17% остаточного содержания масла в окалине.

Наша разработка — это стиральная машина

Мы предложили металлургам практически ту же технологию, что использовали для очистки воды от масляного следа подлодок, чистки припортовых вод и загрязненного нефтью песка.

1. Предварительная очистка в миксерах. Здесь происходит практически то же самое, что у вас дома на первых циклах в стиральной машине, но в нашем барабане не 1000 оборотов в минуту, а всего 20. А вода подается нагретой до той же температуры, что в стиральной машине, — 60 градусов.

Считайте, что в стиральную машину кинули кольчугу: ее нужно аккуратно покрутить в барабане на режиме для деликатных тканей, а вот отжимать, пожалуй, не стоит
Считайте, что в стиральную машину кинули кольчугу: ее нужно аккуратно покрутить в барабане на режиме для деликатных тканей, а вот отжимать, пожалуй, не стоит
Считайте, что в стиральную машину кинули кольчугу: ее нужно аккуратно покрутить в барабане на режиме для деликатных тканей, а вот отжимать, пожалуй, не стоит

2. Гидродинамическая обработка окалины. В смеси замасленной окалины и воды создается «искусственный нарзан»: происходит кавитационная обработка поверхности с масляной пленкой. Микровзрывы воздушных пузырьков разрывают пленку и отделяют ее от металла.

Турбулентный поток срывает с поверхности пленку масла
Турбулентный поток срывает с поверхности пленку масла
Турбулентный поток срывает с поверхности пленку масла

3. Отделение твердой фракции. Когда в результате гидродинамической обработки мы отделили масло от окалины, важно, чтобы оно не прилипло обратно. Поэтому мы применяем закон Стокса и физически разделяем вещества по разности плотностей: масляная пленка улетает вверх, а окалина оседает вниз. Здесь можно применить и электромагниты, чтобы точно собрать всю окалину.

4. Разделение воды и масла. На специальных поверхностях коалесцирующих фильтров капли масла объединяем в концентрированный нефтепродукт, который можно собрать.

Все это для нас довольно простой процесс. Загрязненный нефтью песок, например, чистить гораздо сложнее.

Но еще нужно куда-то девать стоки. За счет эффекта коалесценции мы добились того, что воды в собранном нефтепродукте не более 2%. Конечно, этот нефтепродукт нельзя снова использовать для прокатного стана, но это ценный товар для вторичной переработки у нефтехимиков: есть целый рынок такого рода технических жидкостей.

Итого на выходе получаем три продукта:

  • окалина с остаточным содержанием масла менее 1%, которую можно пустить на переплавку;
  • нефтепродукт с содержанием воды менее 2%, который можно продать, например, для изготовления печного топлива;
  • очищенная технологическая вода, которую снова пускаем в оборотный цикл.

Подчеркну, что пока мы все это делаем для металлургов не промышленным способом, а в лаборатории на опытных установках.

Переделаем наши установки для металлургов

Наш проект для металлургов победил в конкурсе Startup Village — 2020, мы получили грант на развитие технологии. Чтобы работать с окалиной, нам нужно переделать наши аппараты. Но в целом уже понятно, что окалину чистить легче, чем песок, а масло отделить проще, чем тяжелые фракции нефти.

Мы взяли на «Северстали» образцы окалины, наши специалисты ее почистили и обеспечили целевой показатель содержания масла меньше 1%. Это позволило нам перейти к следующему этапу пилотного проекта с заказчиком: к разработке мобильного комплекса по отмывке окалины. Мы решили начать с мобильного решения, так как заказчик пока просто хочет увидеть, как это все работает. У нас будет четыре контейнера с оборудованием.

Одним таким комплексом мы сможем почистить 5–7% годового объема окалины «Северстали». Но если дело пойдет, предложим металлургам стационарные промышленные комплексы.

Это одна из наших мобильных установок для очистки воды от нефтепродуктов. Такие же контейнеры будут и в составе оборудования по очистке окалины

В нефтянке нужен клинер на день, а в металлургии — штатный уборщик

Металлургия — это перспективный рынок. Нефтяникам нужны только справки, что чисто, а запрос от них такой: вы приезжайте, перелопатьте все, а куда вы что денете — нас это вообще не волнует.

Мы им показываем оборудование, они говорят: «Да, Юрий, все работает, но зачем нам это? Вот вам деньги, приезжайте и уберите». Им нужны клининговые компании для решения проблемы, а мы продаем стиральные машины для ежедневного использования.

У металлургов совсем другая задача. Им нужен не клинер, а штатный уборщик. Окалина образуется каждый день, когда нагретая почти до 1000 градусов заготовка идет по прокатному стану. За время полной обработки заготовки до 2% массы металла уходит в окалину.

Окалина — это ценное сырье. А если качественно выделить нефтепродукт, который потом можно продать, то экономика будет еще лучше. Когда процесс из сугубо затратного переходит в чуть-чуть прибыльный, металлурги готовы за такое решение платить.