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钢铁冶金制造过程中的清洁生产技术

2010/5/13 8:53:29 来源:中国钢铁产业网信息中心 编辑:王宝玉

  冶金工业作为我国的工业大户不仅是能源与资源的消耗大户,其生产过程释放的大量颗粒物、SOx、NOx、温室气体和废水等也使其成为了环境污染大户。Berry等就21世纪钢铁工业五大趋势指出,除非钢铁工业能够确保环境不受污染与行业的可持续发展密切结合,否则社会将限制钢铁工业的存在。在冶金工业中实施清洁生产,是解决该问题的根本方法和途径。

  冶金企业废弃物回收利用模式

  1 清洁生产及其实现

  1992年在里约联合国环境开发大会上,正式承认清洁生产是可持续发展的先决条件。《中国21世纪议程》中也将其列入其中,并制定了相应的法律。清洁生产的实现途径包括清洁材料、清洁工艺和清洁产品,要求在提高生产效率的同时,必须兼顾削减或消除危险物及其他有毒化学品的用量,改善劳动条件,减少对操作者的健康威胁,并能生产出安全的与环境兼容的产品。清洁生产的实施途径包括:

  (1) 材料投入,有用副产品的利用,回收产品的再利用,以及对原材料的就地再利用,特别是在工艺过程中的循环利用;

  (2) 生产工艺或制造技术,改善工艺控制,改造原有设备,将原材料消耗量、废物产生量、能源消耗、健康与安全风险以及生态的损坏减少到最低程度;

  (3) 自然资源使用以及空气、土壤、水体和废物排放的环境评价;根据环境负荷的相对尺度,确定其对生物多样性、人体健康、自然资源的影响评价。

  2 冶金企业废弃物回收利用模式

  废弃物的采集、回收、储存、运输、加工处理、利用途径等各个环节构成了钢铁生产废弃物的回收系统,这个系统中具有输入、输出、转化处理、环境制约等要素。系统输入就是来源于生产过程的废弃物。系统输出则是具有价值的再生资源、加工原料,能够重新投入钢铁生产和其他部门使用的消费品。系统转换是指将废弃物变为再生资源的全过程,其中废弃物的采集回收、捡选分类、加工处理是系统转换的重要环节,直接关系着作为再生资源的数量、质量和价值。同时,废弃物的资源管理、计划管理、信息管理、运作管理也是系统转换中必不可少的内容。社会的发展,钢铁工业水平,科技进步与人员素质,资源能源现状对回收系统起着环境制约的作用,图1为钢铁企业废弃物回收利用模式。

图1 冶金工业废弃物回收模式

  冶金工业中清洁生产技术

  1 建立冶金协同优化体系

  冶金协同优化体系,将涉及钢材制造过程、加工组装过程、使用过程、废弃过程、回收利用过程等因果链,组成若干区域性的兼顾社会整体节能、降低社会环境负荷、协同优化的冶金生产体系是一种发展趋势。诸如钢厂与发电厂的结合,钢厂与建筑材料厂的结合,甚至某些地区的钢厂(利用排出的CO、CH4、H2等)与石油加工或某些化工厂的结合,是一种社会的需求。冶金企业还可成为污染处理基地,如高炉喷吹废塑料是消除“白色污染”的最佳途径。这样,在某些特定条件下,有可能形成包括冶金生产企业在内的工业生态链,甚至形成工业生态区。

  冶金制造过程正以积极推进最有效技术为基本,不断使冶金制造流程从间歇—停顿—流程长向紧凑化—准连续化—流程短的方向发展,以使物质收得率最大化、能源效率最佳化和制造流程时间最小化。

  从铁矿石+能源—钢材—制品(工程)—废弃—再利用的过程看,分析不同类型钢厂的能源效率和环境负荷显得尤为重要,如短流程钢厂的能耗及吨钢有害气体排放量都远低于高炉长流程钢厂。

  在冗长的钢铁冶金过程中,频繁地加热和冷却物料引起了能量消耗增高。从钢水浇注成钢锭开始到锻造、轧制成各种钢材、型材,经历了台车式退火炉、室状炉、均热炉、连续加热炉、步进式加热炉、辊底式退火炉等多种炉型的反复加热、冷却,多次加热及不同目的退火处理,钢经历了漫长多次的热循环过程,消耗了巨大能源,包括煤气、重油、电能、天然气等的消耗。这大量能源的燃烧,消耗了巨大的热能。研究钢的热循环工艺;建设和改造高炉热风炉、大型烧结冷却机、轧钢加热炉等生产装置的余热回收装置,提高余热回收率;开展连铸热装热送等,在不同工序上大面积的进行工艺改革,使加热工艺、热处理工艺全面系列化、规范化、科学化,全面为冶金企业节能降耗,提高生产效率以及改进钢的质量带来的巨大经济效益和社会效益。

  在冶金生产过程中实现清洁生产,注意工艺变革,可以将污染消除在过程内。如南非Saldanha钢铁厂率先在钢铁企业实现了工业化的清洁生产,其工艺引起了全世界同行的关注。它将Corex熔态还原工艺,Midrex直接炼铁工艺,电炉炼钢和薄板连铸集成,将CorexC2000产生的大量剩余气体经除CO2净化工序后,用作Midrex直接还原铁法的还原气体,由Corex产出的生铁和Midrex的直接还原铁再作为电炉炼钢的原料,时间短,有害元素少,提高炼钢效率,从而形成了一条完整的绿色钢铁生产工艺;根据我国钢铁企业的经济和生产特点,提出的基于多级流化移动床的熔态还原新工艺,可以彻底解决污染问题。

  2 冶金过程排放清洁处理

  冶金企业从原料、焦化、烧结到炼铁、炼钢、连铸以及轧钢的生产过程中产生大量含有可利用热量的废气、废水、废渣,同时在各工序之间存在着含有可利用能量的中间产品和半成品。

  (1) 再能源化 

  冶金企业排放的废气主要包括:烧结废气、高炉煤气、电炉烟气和轧钢加热炉烟气等,其余热回收后可用于预热助燃空气、预热煤气和生产蒸汽。

  ● 烧结废气 在钢铁生产过程中,烧结工序的能耗约占总能耗的10%,仅次于炼铁工序而位居第二。在烧结工序总能耗中,有近50%的热能以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排入大气,既浪费了热能又污染了环境。采用热管蒸汽发生器可回收烧结废气余热。

  ● 高炉煤气 高炉煤气的回收利用比其它废气的回收利用意义更为重大,因为这涉及到冶金企业的气体燃料平衡、减少烧油等重要的能源问题,所以应是废气余热、余能回收利用的重点之一。对钢铁联合企业来说,目标应当是努力降低高炉煤气的放散率,增加混合煤气量,或采用低热值煤气燃烧技术将其用于轧钢加热炉;对独立铁厂而言,则应尽快建设高炉煤气电站。

  ● 电炉烟气 电炉炼钢过程中的废气余热回收技术,有可能使电炉炼钢节电100kW·h/t(钢)以上,并提高电炉的生产效率。在电弧炉的热平衡中,烟气显热一般占电炉热量的20%。一台100t电弧炉废钢预热器的综合效益为:废钢平均预热温度可达200~250℃;电能消耗减少40~50kWh/t;熔炼时间缩短5~8min;电极消耗下降0。2~0。4kg/t;电炉热效率达70%(不预热废钢时一般为50%~60%)。

  ● 轧钢加热炉烟气 可通过以下措施来提高轧钢加热炉烟气回收利用率:采用高保温性能、高密封性能的轻型地上烟道和高回收率的多行程优化排列的翅片或插入件强化传热的金属换热器;采用绝热性能良好的热回收管路;采用炉顶间隔墙来改善炉内热交换及降低排烟温度;采用能在高预热温度下以全热风方式工作的高效燃烧装置。

  (2) 再资源化 

  以回收废钢为原料,在电弧炉内溶化。溶化后的钢水在钢包内进行精练,再经过连铸和轧制成型。最初再生法只能生产低级产品,特别是钢筋,现在它占钢铁市场份量越来越大。目前美国40%以上的钢是用这种方法炼的。美国环境保护局的测试表明,使用废钢代替铁矿石炼钢时,总能耗降低近2/3,空气污染排放物可减少86%。

  冶金生产中产生许多种排放物,对这些排放物进行适当处理,不仅可防止二次污染,而且可回收作为资源利用。例如:

  ● 废油 回收设备→油水分离器→做燃料。

  ● 粉尘和污染 除尘器和脱水后污泥→造球→做烧结原料或转炉原料。

  ● 碎耐火砖 回收→分选和加工→供制造厂做原料。

  ● 废料 回收→再生→利用。

  ● 矿渣 高炉渣→重矿渣→做道路→修道路或做混凝土骨料;高炉渣→水淬渣→脱水加工→做水泥原料或肥料;转炉渣→重矿渣→破碎、磁选→返回燃结、转炉做原料或修道路。

  (3) 无害化处理 

  冶金企业的无害化处理比较集中在水处理、烟尘处理以及某些有害刺激性气体的处理上。

  冶金企业废水排放量大。掌握各工序废水的特点,对整体研究企业节水及废水治理、以废治废大有益处。例如利用不同工序的酸性废水和碱性废水调节混合,中和为中性后,不仅可满足环保上对废水pH值的要求,而且可消除废水复用时对管道的腐蚀,提高废水循环复用的实际可能性。另外,利用有些废水混合后反应产生沉淀物及产生的沉淀物的吸附性能,降低废水中悬浮物含量及其它有害物质含量,不仅提高废水水质,而且可使本不能复用的废水能够复用。然而更为根本的问题是:如何少用水、不用水或是水的充分循环利用。作为再能源化和不用水的绝妙结合的例子就是干熄焦(CDQ)。北美有的新建焦炉将原来炼焦—化工系统转为炼焦—发电系统也是值得注意的新动向。

  烟气脱硫对于酸雨等大面积区域生态环境以及居民的健康有着直接的影响。目前氮氧化合物(NOx)的防治也应引起人们的重视。

  结语

  冶金工业是国民经济支柱产业,钢铁仍然是非常重要的结构材料和迄今为止产量最大的功能材料,在众多的使用领域内钢铁仍属必选材料,是工、农业、交通运输业和国防工业的基础。冶金工业属于流程制造业,在冶金制造体系中大量的物质/产品流、大量能量转换过程、多种形式的排放过程和大量的排放/废弃物都对环境造成不同层次、不同程度上的影响,其污染困惑着这一行业的发展,走清洁生产的道路是冶金工业面向新世纪的重要命题。

(来自 湖北工业大学学报)

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