Metalurgické strusky: Specifický druh odpadu, složení a využití

Strusky, zvláště strusky z metalurgie neželezných kovů, představují v posledních letech velmi aktuální a problematickou množinu odpadů.

Pomineme-li termín „struska“ jako alternativní název pro tuhý zbytek po spalování v energetice, resp. při termickém zpracování odpadů, jsou strusky i odpady na bázi strusek výhradně termínem z oboru metalurgických procesů.

V tzv. černé metalurgii (výroba oceli, litiny, feroslitin) i v metalurgii neželezných kovů představují strusky jeden z rozhodujících faktorů dosažení žádoucího průběhu tavebního procesu a získání výsledného kovu o požadovaných vlastnostech (chemické složení, homogenita, čistota z hlediska výskytu nežádoucích nekovových příměsí - tzv. vměstků, eliminace obsahu rozpuštěných plynů, atd.).

Úloha strusek v metalurgii

Strusky v tomto směru plní dvě základní úlohy: úlohu pasivní a úlohu aktivní.

Pasivní úloha strusky spočívá především v ochraně hladiny roztaveného kovu v pecním agregátu nebo během navazujících operací před reakcí taveniny s atmosférou, zejména s kyslíkem (eliminace ztrát kovu jeho „propalem“). Význam mají i další pasivní funkce vrstvy strusky na hladině taveniny: tepelná izolace taveniny, kumulace nečistot vyplouvajících z taveniny přirozenou či vynucenou cestou apod.

Čtěte také: Oxid uhelnatý a životní prostředí

S ohledem na funkci, jakou má struska při konkrétním metalurgickém procesu plnit, a na podmínky vlastního metalurgického procesu (teplota tavení, typ pece, způsob „stahování“ strusky z povrchu taveniny) se volí její výchozí látkové složení, tedy složení směsi výchozích struskotvorných materiálů.

V případě metalurgie oceli a dalších železných slitin jsou obvyklými struskotvornými složkami křemičitý písek, vápno, magnezit, kazivec, resp. další materiály, vytvářející ve vhodné směsi za vysokých teplot tavení dostatečně funkční (silnou, homogenní a tekutou) roztavenou vrstvu na hladině kovové lázně.

Při metalurgickém zpracování neželezných kovů, tj. slitin na bázi mědi, olova, hliníku, hořčíku aj., tedy metalurgických procesech probíhajících za podstatně nižších teplot, jsou ovšem používány zcela jiné struskotvorné materiály, jejichž podstatu tvoří převážně různé typy alkalických solí (chloridy, fluoridy, fluorokřemičitany, sírany) spolu s nejrůznějšími funkčními přísadami.

Druhy a vlastnosti strusek

Odpadní strusky z výroby oceli, litiny resp. dalších železných slitin patří mezi v podstatě bezproblémové typy odpadů. Jejich finální chemické a fázové složení (zatuhlá tavenina oxidů hliníku, křemíku, vápníku a hořčíku skelného charakteru, minimum kovů, nepřítomnost solí) činí z tohoto odpadu zcela inertní materiál, nerozpustný ve vodě a velmi málo i v kyselinách, disponující velmi dobrými mechanickými vlastnostmi.

S výhodou je proto možné takovéto strusky využít jako stavební materiál, po vhodné granulaci jako materiál pro posyp komunikací, bazické strusky v disperzní formě jako součást zemědělských hnojiv, atd.

Čtěte také: Listonoh letní: Charakteristika a ohrožení

Jistou výjimku pouze mohou představovat malé objemy specifických strusek z rafinačního tavení ocelí, které mohou obsahovat některé problémové složky.

Naprostou výjimku však v oblasti černé metalurgie představují strusky, které se v posledních letech objevily jako odpad v některých tuzemských slévárnách šedé litiny. Jedná se o strusky, jejichž složkou je karbid vápníku (přísada používaná pro snížení „propalu“ uhlíku v tavenině). Odpadní strusky tohoto typu přirozeně reagují s vodou (srážky, vzdušná vlhkost) za tvorby acetylénu, a jejich přechovávání či skládkování je proto spojeno s možností vzniku nebezpečných situací (zahoření, exploze). Jedná se tedy o typický druh reaktivních strusek, které mají nebezpečnou vlastnost číslo H3-A.

Z výsledků analýz souboru takovýchto strusek, provedených v laboratořích společnosti Analytické laboratoře Plzeň a.s. v uplynulých letech, vyplynulo, že jejich reakcí s vodou dochází z jednoho kilogramu za hodinu k vývoji až 200 litrů plynné fáze, jejíž dominantní složkou je právě acetylén. Vodný výluh z uvedených strusek se vyznačuje vysokým obsahem DOC (až 1000 mg/l) a významným obsahem rozpuštěných látek, překračujícím limit III. výluhové třídy vyhlášky MŽP č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky.

V jejich nativním stavu je tedy nezbytné dané strusky kategorizovat jako odpad kategorie N-nebezpečný a nelze je z principiálních důvodů odstraňovat ukládáním na skládky.

Odpadní strusky z metalurgie neželezných slitin oproti struskám z metalurgie železa představují co do objemu menší, ale podstatně pestřejší a problematičtější množinu odpadů. Tato skutečnost je dána jak širokou škálou chemických látek a přípravků, používaných jako struskotvorné komponenty, tak současně i řadou sloučenin a reakčních produktů, které vznikají během tavebního procesu a stávají se součástí výsledné odpadní strusky.

Čtěte také: Ekologické psací potřeby

V případě strusek z výroby olova se lze setkat v podstatě se dvěma - co do vlastností velmi odlišnými - typy odpadních strusek. Pro strusky z historicky používaného způsobu výroby olova je typická jejich vysoká stabilita vůči působení okolních vlivů. Oba základní typy těchto strusek (struska a tzv. kaminek) se z hlediska vyluhovatelnosti vodou ve smyslu stávající odpadové legislativy řadí do výluhové třídy II.a, resp. II.b a jejich vysokou odolnost proti povětrnostním vlivům (srážky, změny teploty, zvětrávání) dokladují například odvaly, na které byly tyto strusky dlouhodobě ukládány.

Zcela odlišným typem jsou však solné strusky, vznikající v procesu recyklace olova, resp. slitin olova. V důsledku použití struskotvorných přísad na bázi alkalických síranů a chloridů se výsledné odpadní strusky vyznačují vysokým solným podílem, který může činit až 80 % hmot. Vodný výluh ze strusky pak až desetinásobně překračuje limity III. výluhové třídy v případě chloridů, síranů a rozpuštěných látek a výrazně jsou překračovány i limitní hodnoty arsenu, antimonu resp. dalších parametrů výluhu. Ve svém nativním stavu proto může mít daný typ strusky nebezpečnou vlastnost číslo H13, vyvolanou vysokou vodivostí výluhu.

Za velmi problematické je nutno považovat strusky z výroby nebo recyklace hliníkových slitin. Tato skutečnost vyplývá z používaných rafinačních solí (alkalické chloridy, fluoridy) jako struskotvorných materiálů a je obvykle prohloubena přítomností některých reaktivních reakčních produktů (hydridy, nitridy, karbidy), vznikajících během tavení reakcí hliníku či dalších složek se struskou, s pecní atmosférou nebo s nečistotami v kovové vsázce.

Typickou vlastností takovýchto strusek je jejich vysoký solný podíl na bázi alkalických chloridů, který se pohybuje na hladině 50 až 70 % hmot. Vodné výluhy z daných strusek až desetkrát překračují limity III. výluhové třídy obsahem chloridů a mnohonásobně obsahem rozpuštěných látek, významně bývá překročen i limitní obsah fluoridů. Vysokou reaktivitu pak vykazuje většina odpadních strusek z recyklace hliníkových slitin s vodou, kdy dochází k vývoji problematické plynné fáze (až 10 litrů z kilogramu za hodinu), jejíž podstatu tvoří amoniak a vodík s možnou příměsí methanu. Ve svém nativním stavu se proto vesměs jedná o odpady kategorie N-nebezpečný, jež mají nebezpečnou vlastnost číslo H13 a obvykle i H12 a H3-A.

Za zřejmě nejproblematičtější skupinu odpadních strusek současnosti lze považovat strusky z recyklace hořčíkových slitin. Jejich podstatu opět tvoří vysoký podíl solné fáze na bázi alkalických chloridů (dle typu používaného pecního agregátu 20 až 70 % hmotn.) a vodné výluhy ze strusek překračují limity III. výluhové třídy až patnáctkrát obsahem chloridů a mnohonásobně obsahem rozpuštěných látek.

Mimořádným problémem daného typu strusek je ovšem jejich extrémní reaktivita s vodou, způsobená jak přítomností reaktivních reakčních produktů z metalurgického procesu ve strusce (především vysoké obsahy nitridů - obvykle důsledek rafinačního probublávání taveniny v peci dusíkem), tak reakcí zbytkových obsahů kovového hořčíku ve strusce s vodou. V důsledku těchto okolností dochází při kontaktu strusky s vodou k vývoji velkých objemů plynné fáze (až 100 litrů za hodinu z jednoho kilogramu - dle typu tavebního procesu), jejíž podstatou jsou amoniak a vodík, doprovázené příměsemi některých uhlovodíků.

Průvodním projevem reakce daných strusek s vodou je navíc velký vývoj tepla: při laboratorním zpracování asi desetikilogramového odlitku takovéto strusky reakcí se 100 litry vody došlo během necelé hodiny k ohřevu reakčního systému k bodu varu vody!

Uváděný typ strusek je proto jednoznačně odpadem kategorie N-nebezpečný, vyznačujícím se nebezpečnými vlastnostmi číslo H13, H12 a H3-A (nebezpečná vlastnost č. 14 nebyla testována).

Laboratorní zkoušky reaktivních strusek

Provádění laboratorních zkoušek reaktivních typů strusek, tj. jejich chemických analýz a dalších testů, představuje poměrně náročnou činnost, jež musí ve všech krocích respektovat charakter těchto odpadů.

Prvním problematickým krokem, způsobeným vysokou heterogenitou strusek (zejména v případě strusek z recyklace hořčíku jde o kompaktní bloky, které vedle solné frakce jsou „prošpikovány“ oxidickou a kovovou fází hořčíkové slitiny), je již odběr reprezentativního vzorku odpadní strusky a navazující příprava laboratorních a analytických vzorků.

V laboratořích společnosti Analytické laboratoře Plzeň a. s., se v tomto směru osvědčil odběr bloků strusky o hmotnosti 10 až 20 kg, které byly postupným rozřezem zpracovány na díly, relativně spolehlivě reprezentující celý odlitek. Pro získání pokud možno objektivních informací o strusce (zejména pro stanovení obsahu solného podílu a podílu kovové fáze) pak byly v řadě případů ve velkých objemech vody rozpouštěny celé odlitky o hmotnosti až 25 kg.

Při přípravě vodných výluhů ze strusek je nutné počítat s vývojem plynné fáze (možnost roztržení laboratorního kontejneru či vzniku dalších problémů) ale i s nárůstem teploty reakčního systému, jež se může promítnout do konečných hodnot parametrů výluhu.

Specifickou analytickou činností pak jsou testy nebezpečných vlastností číslo H3-A a H12, orientované na vývoj toxických nebo hořlavých plynů. Zde je obvykle vhodné kombinovat kroky založené na stanovení celkového objemu vzniklé plynné fáze a kroky vedoucí k látkové analýze vznikající plynné fáze.

Při provádění testů nebezpečné vlastnosti číslo H12 je nutné vzít například v úvahu i vysokou rozdílnost vývoje amoniaku reakcí nitridů s vodou a s kyselinou (způsobeno reakcí amoniaku s kyselinou za vzniku amonných solí).

Nakládání s reaktivními struskami

Otázka způsobů vhodného a účelného nakládání s reaktivními struskami, zejména struskami z metalurgie neželezných kovů, pochopitelně leží mimo rámec uváděného příspěvku. S ohledem na doposud známé údaje o popisovaných odpadech lze ovšem konstatovat řadu omezujících podmínek. Většinu z těchto odpadů nelze v jejich nativním stavu ukládat na skládky žádné skupiny. Vylučuje to převážně vysoká reaktivita odpadů s vodou a extrémně vysoký obsah ve vodě rozpustných solí. Sama podstata solné fáze v uvedených odpadech, tj. alkalické chloridy, pak do značné míry limituje i možnosti jejich účelné stabilizace.

Jako jedna z vhodných, environmentálně čistých, ale ekonomicky poměrně nákladných cest zpracování reaktivních strusek, se jeví jejich řízená reakce s vodou, spojená s eliminací vznikající plynné fáze (sorpce, spalování), a navazující zpracování tuhé fáze (podle podstaty uložení balastních frakcí na skládku, zpětné využití kovových frakcí, využití sloučenin hořčíku např. pro zemědělské účely) a kapalné fáze (např.

Nejlepší dostupné techniky (BAT) pro snižování emisí

Techniky uvedené a popsané v těchto závěrech o nejlepších dostupných technikách nejsou ani normativní, ani vyčerpávající.

• BAT 7.e: Používání rozprašovačů vody a mlhy s přísadami. Nelze použít pro procesy, které vyžadují suché materiály nebo rudy/koncentráty, které přirozeně obsahují dostatečnou vlhkost zabraňující tvorbě prachu.
• BAT 8.n: Umístění dopravníků a potrubí v bezpečných, otevřených prostorech nad zemí, aby bylo možné rychle zjistit netěsnosti a zabránit poškození vozidly a jiným vybavením.
• BAT 10: Monitorování komínových emisí do ovzduší minimálně s níže uvedenou frekvencí a v souladu s normami EN.
• BAT 16: Použití normy ISO 5667 pro odběr vzorků vody a monitorování emisí do vody v místě, kde emise opouštějí zařízení, nejméně jednou měsíčně a v souladu s normami EN.
• BAT 25: Nejlepší dostupnou technikou umožňující vyloučit nebo snížit rozptýlené emise z předběžného zpracování je používání systémů snižování prašnosti. Nelze použít pro míchací operace prováděné ve vnitřních prostorech.
• BAT 47: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit emise organických sloučenin do ovzduší z extrakce rozpouštědlem v hydrometalurgické výrobě mědi je použití uzavřeného zařízení a roční stanovení emisí VOC.
• BAT 61: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit emise prachu, PAH a fluoridu do ovzduší z vypalovacího zařízení v samostatném zařízení na výrobu anod je použití předfiltrační jednotky a regenerativního tepelného oxidátoru následovaného suchým odlučovačem plynů.
• BAT 69(a): Anody s ročním průměrem obsahu síry nižším než 1,5 % lze vyrábět vhodnou kombinací použitých surovin.
• BAT 70(c): K anodovému efektu dochází v případě, že obsah oxidu hlinitého v elektrolytu klesne pod úroveň 1-2 %.
• BAT 73: Nejlepší dostupnou technikou umožňující omezit likvidaci použité vyzdívky pánve je taková organizace činností na místě, která usnadňuje externí recyklaci, jako např. ve výrobě cementu, v rekuperaci solné strusky, jako nauhličovadlo v odvětví oceli nebo feroslitin nebo jako druhotná surovina.
• BAT 83: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit emise organických sloučenin a PCDD/F z tepelného zpracování kontaminovaných sekundárních surovin je použití uzavřeného zařízení.
• BAT 84: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit emise do ovzduší HCl, Cl2 a HF z tepelného zpracování kontaminovaných sekundárních surovin je použití zředěného chloru s inertním plynem místo samotného čistého chloru pro snížení emisí chloru.
• BAT 90: Nejlepší dostupnou technikou umožňující vyloučit nebo snížit rozptýlené emise ze zpracování je použití uzavřeného zařízení. Použitelné pouze pro prašné materiály.
• BAT 91: Nejlepší dostupnou technikou umožňující vyloučit nebo snížit rozptýlené emise z předběžného zpracování materiálu je přípravné zpracování prašného materiálu v uzavřeném zařízení.
• BAT 94: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit emise prachu a kovů do ovzduší ze zpracování surovin je používání systémů omezování prašnosti.
• BAT 134: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit rozptýlené emise do ovzduší z předběžného zpracování je použití ochranných opatření.
• BAT 140: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit emise prachu a kovů do ovzduší ze všech prašných operací je použití odlučovače s oxidačními a redukčními činidly pro nádoby v hydrometalurgických operacích s potenciálem vytvářet vysoké koncentrace NOX.
• BAT 171: Nejlepší dostupnou technikou při zpracování sulfidických rud umožňující snížit emise prachu a kovů do ovzduší ze skladování surovin a manipulace s nimi, předběžného zpracování materiálu je použití kondenzace pomocí externího a/nebo interního chlazení se systémem vedení vzduchu a/nebo vody.
• BAT 178: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit emise prachu do ovzduší ze skladování a dopravy koksu a dehtu, z manipulace s nimi, z mechanických procesů je použití tkaninových filtrů a elektrostatických odlučovačů.
• BAT 183: Nejlepší dostupnou technikou umožňující snížit emise organických sloučenin, včetně fenolu a formaldehydu, do ovzduší z impregnační fáze, v níž byla použita speciální impregnační činidla, je použití biofiltru a/nebo biopračka.

Techniky snižování emisí

• Tkaninové filtry: Jsou vyrobeny z pórovité tkané nebo plstěné látky, kterou proudí plyny a která odstraňuje částice.
• Elektrostatické odlučovače: Pracují tak, že částice jsou nabíjeny a odlučovány působením elektrického pole. Jsou schopné pracovat v širokém rozsahu podmínek.
• Mokré praní: Představuje separaci prachu intenzivním směšováním přiváděného plynu s vodou, obvykle ve spojení s odstraňováním hrubých částic pomocí odstředivé síly.
• Hořáky s nízkým obsahem NOX: Omezují tvoření NOX snížením nejvyšší teploty plamene, oddálením, ale dokončením spalování a zvýšením přenosu tepla.
• Recirkulace spalin: Tato technika předpokládá opakované přivedení kouřových plynů z pece do plamene, aby se snížil obsah kyslíku, a tedy teplota plamene.
• Suché vypírání: Suchý prášek nebo suspenze/roztok alkalického činidla (např. vápna nebo hydrogenuhličitanu sodného) se přivádí a rozptyluje v toku odpadních plynů.
• Adsorpce: Lze rovněž dosáhnout použitím plněných kolon.

tags: #metalurgické #strusky #specifický #druh #odpadu #složení

Oblíbené příspěvky:

• Fungování Evropské agentury pro životní prostředí
• Prodej bývalé školy v přírodě
• Charakteristika severoamerické přírody
• Jak Krtek vyčistí odpad
• Co vědět o odpadu ve Fryštáku