Элементопоток ванадия в техносфере.

Ванадий занимает семнадцатое место в перечне наиболее распространенных химических элементов. Его содержание в земной коре оценивается 0,019 % (масс.), а концентрация в воде морей и океанов составляет 1,5∙10^-6 г/л. /241, 244/. Распределение ванадия между осадочными и гранитными слоями литосферы, растительностью континентов, педосферой и гидросферой представлены в таблице 34. /243, 245/

 

Таблица 34. Ванадий в природной среде, млн. т

Литосфера		Гидросфера	Педосфера	Растительность
Осадочные породы	Гранитный слой
171	623	2004	9,3	3,75

 

В природе происходит постоянное перераспределение ванадия. В глобальные миграционные потоки ванадия вовлечено свыше 3 млн. т металла /243…246/. Основным направлением миграции ванадия в природной среде является вынос в мировой океан, в котором накоплено свыше 2 млрд. т металла. Ванадий относится к рассеянным элементам и в литосфере встречается в основном в комплексных полиметаллических рудах. Местом концентрации ванадия являются титаномагнетитовые и ильменит-магнетитовые руды, основные запасы которых сосредоточенны в ЮАР, России, Китае и США. В повышенных концентрациях ванадий также встречается в бокситах и в ряде других комплексных руд: уран-ванадиевых, свинцово-цинковых.

 

Таблица 35. Глобальные миграционные потоки ванадия, тыс. т/год

Биологический круговорот		Эоловый вынос с континента	Речной сток
На суше	В океанах		В растворах	В составе взвесей
260	330	250	40	2300

 

Общие мировые промышленные запасы ванадия в рудах (в пересчете на пентаоксид ванадия) составляют около 28 млн. т, а прогнозные оцениваются в 100 млн. т. /246…249/. Большие запасы ванадия сосредоточены в осадочных месторождениях: битуминозных сланцах, сырой нефти и нефтеносных песках, фосфатных породах и т.п. При их переработке ванадий накапливается в различных отходах перерабатывающих производств, шлаках, шламах, золах, которые складируются в непосредственной близости от перерабатывающих предприятий и представляют собой техногенные месторождения. К ванадиевым ресурсам техногенного происхождения относятся: золы и шлаки тепловых электростанций (ЗШО ТЭС), отработанные катализаторы сернокислотного производства, шламы титанового и глиноземного производств, попутные продукты и вторичные материалы ванадиевого и феррованадиевого производств /243, 249, 250/.

Богатым источником ванадия является нефть. При крекинге нефти ванадий переходит в тяжелые фракции, где его концентрация возрастает в десятки раз. Тяжелые фракции нефтеперегонки впоследствии сжигают на ТЭС, при чем органическая часть сгорает, а неорганическая часть оседает на поверхностях котлоагрегатов и газовых трактов ТЭС. При этом содержание ванадия в ЗШО ТЭС возрастает до 20-40 % (масс.).

На многих глиноземных заводах предусмотрено выделение соединений ванадия из алюминатных растворов в виде «ванадиевого шлама». Количество ванадия, переходящего в глиноземном производстве в ванадиевый шлам, оценивается в 1500-1600 т/год /248/.

Металлургию ванадия подразделяют на три основных способа:

· пирометаллургический – ванадий извлекают из ванадийсодержащего шлака, получаемого в качестве попутного продукта при производстве стали деванадацией ванадиевого чугуна, выплавляемого из титаномагнетитовых и ильменит-магнетитовых руд;

· гидрометаллургический– при котором ванадий извлекают химическим выщелачиванием из обожженных (с необходимыми добавками) титаномагнетитовых и ильменит-магнетитовых концентратов;

· из техногенных материалов – ванадий экстрагируют из вторичных материалов техногенного происхождения с использованием различных гидрохимических технологий.

Развитие технологий извлечения ванадия из вторичных материалов в настоящее время обусловлено в основном отсутствием в некоторых странах необходимой рудной базы ванадийсодержащего титаномагнетитового сырья, наличием большого количества отходов других производств, богатых по содержанию ванадия (от 1,5 до 50 % (масс.)), а также жестким экологическим законодательством, предусматривающим высокие платежи за загрязнение окружающей среды.

При определении параметров элементопотока ванадия в техногенной среде были приняты следующие исходные данные и сделаны допущения /243, 246, 249…258/:

· расчет выполнен на металлический ванадий, годовое производство которого в мире принято равным 43000 т;

· не учитывались потери при транспортировке материалов;

· структура источников сырья: ванадийсодержащий шлак (68 %), первичная руда (23,4 %), техногенные (8,6 %);

· использование ванадия: для легирования стали в черной металлургии (87 %), в цветной металлургии (8 %), в химической промышленности (5 %);

· потери ванадия при производстве пентаоксида по гидрометаллургической технологии – 15 %;

· потери ванадия при обогащении по гидрометаллургической схеме – 48 %;

· переход ванадия в шлак в ходе конвертерной плавки составляет 90 %;

· годовая добыча нефти составляет 3,3 млрд. т при среднем содержании ванадия 50 г/т;

· при переработке нефти 90% ванадия остается в мазуте;

· 70 % мазута используется для сжигания на ТЭС;

· при сжигании мазута на ТЭС улавливание ванадийсодержащей пыли составляет 50%;

· потери ванадия при производстве ферросплава составляют 8%;

· при легировании стали феррованадием, металлом усваивается 80 % ванадия;

· потери ванадия в химической промышленности составляют 20 %;

· потери ванадия при производстве лигатур и при легировании цветных металлов приняты 20%;

· основная часть отработанных ванадийсодержащих аккумуляторов (ОВК) возвращается на переработку, а оставшаяся аккумулируется в виде отходов в специальных накопителях, остальные виды ванадийсодержащих изделий не утилизируются и содержащийся в них ванадий постепенно распространяется в окружающую среду;

· ванадий, находящийся в металлофонде, частично поступает в окружающую среду в процессе коррозии стальных изделий, а частично снова вовлекается в металлургическое производство в составе металлолома, пропорционально железу, участвующему в этих процессах;

· цветные металлы, содержащие ванадий (в основном титан и его сплавы) и применяющиеся в авиационных и космических отраслях, после использования, как правило, безвозвратно теряются, и ванадий попадает в окружающую среду.

Результаты расчетов параметров элементопотока ванадия в техногенной среде представлены на рисунке 11 и в таблице 36.

 

 

Рисунок 11. Движение ванадия в техносфере, тыс. т / год.

 

 

Таблица 36. Распределение ванадия в техногенной среде.

Параметры	тыс. т/год	%
1. Извлечение из природной среды:	280,285	100,0
2. Диссипация в окружающую среду:	118,800	42,4
в т.ч. от сжигания:	68,475	24,4
выветривания и вымывания:	1,628	0,6
использования химической продукции	0,170	0,1
из металлофонда	3,257	1,2
из техногенной среды (строительство и пр.)	45,270	16,2
3. Накопление в металлофонде и готовой продукции  химической промышленности	25,200	9,0
4. Поступление в техногенные месторождения	136,285	48,6
т.ч. металлургические отходы	34,065	12,2
отходы химической промышленности	0,380	0,1
отходы энергетики	46,170	16,5
вскрышные породы и хвосты	55,670	19,9
Повторное использование (рециклинг)
в т.ч. активное (ЗШО для извлечения ванадия)	5,250	-
пассивное (в составе металлолома)	3,029	-