鋼鐵企業(yè)主要用水系統(tǒng)與節(jié)水技術(shù)
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摘要：通過剖析鋼鐵企業(yè)用水系統(tǒng)及其主要組成，結(jié)合我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展與用水變化，梳理出適合我國鋼鐵企業(yè)的主要節(jié)水技術(shù)，為推進(jìn)國家節(jié)水行動(dòng)、促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)與水資源高效利用協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞：鋼鐵；水資源；節(jié)水技術(shù)；需水管理
鋼鐵工業(yè)是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)用水過程復(fù)雜，包括主要生產(chǎn)設(shè)施用水、輔助生產(chǎn)設(shè)施用水、附屬生產(chǎn)設(shè)施用水以及道路灑水、綠化用水等其他用水。同時(shí)，隨著余熱余能利用、污染治理、固廢利用等各種新興節(jié)能環(huán)保和資源化利用的生產(chǎn)輔助設(shè)施的不斷改進(jìn)，鋼鐵企業(yè)用水環(huán)節(jié)及工藝過程更趨復(fù)雜。另外，各鋼鐵企業(yè)主要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各不相同，并可能隨著銷售市場(chǎng)需求而變化，也對(duì)企業(yè)用水造成一定影響。鋼鐵企業(yè)85%以上用水為各工序工藝設(shè)備間接與直接冷卻循環(huán)水，其余為原料場(chǎng)抑塵灑水、燒結(jié)球團(tuán)混合用水、煙氣脫硫用水、焦化熄焦用水、煉鐵高爐煤氣除塵用水、高爐沖渣用水、煉鋼轉(zhuǎn)爐除塵用水、鋼渣處理用水、連鑄二次冷卻用水等。針對(duì)鋼鐵行業(yè)用水量大、用水工序多、工藝復(fù)雜以及燒結(jié)脫硫及焦化等環(huán)節(jié)廢水高污染等特點(diǎn)，嚴(yán)格控制鋼鐵行業(yè)用水總量和水污染物排污總量，提升用水效率，對(duì)于鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。本文介紹了鋼鐵企業(yè)的主要用水系統(tǒng)，并結(jié)合我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展與用水變化，梳理出適合我國鋼鐵企業(yè)的節(jié)水技術(shù)，為推進(jìn)國家節(jié)水行動(dòng)、促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)與水資源高效利用協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。
一、鋼鐵工業(yè)發(fā)展及用水狀況
鋼鐵工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目用水工藝在生產(chǎn)過程中屬生產(chǎn)輔助性環(huán)節(jié)，企業(yè)用水受生產(chǎn)規(guī)模、工序用水方式和節(jié)水技術(shù)狀況等影響。總體來看，我國鋼鐵工業(yè)在鋼產(chǎn)量持續(xù)上升的情況下，總用水量基本得到有效控制，見圖1。
1.鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展情況經(jīng)過新中國成立初期的艱難發(fā)展，我國粗鋼年產(chǎn)量由1949年的15.8萬t發(fā)展到1965年的1223萬t，突破1000萬t，并于1996年達(dá)到10124萬t，突破1億t，我國成為世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國。之后我國鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展，鋼產(chǎn)量長期保持全球第一。2014年我國粗鋼產(chǎn)量超過8億t，2018年超過9億t，約占世界產(chǎn)量的一半。
2.鋼鐵工業(yè)用水狀況我國鋼鐵工業(yè)早期多沿江而建，采用大進(jìn)大出的直流用水系統(tǒng)。由于企業(yè)規(guī)模不大，用水問題并不突出。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，企業(yè)規(guī)模和用水量不斷增加，用水方式也逐步改為循環(huán)用水。隨著資源節(jié)約保護(hù)理念不斷深入，近年我國鋼鐵工業(yè)用水亦發(fā)生明顯變化，在確保產(chǎn)量持續(xù)增長的同時(shí)，用水效率也全面提升。據(jù)對(duì)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)不完全統(tǒng)計(jì)，1996—2000年，我國鋼鐵工業(yè)取水量由38.52億m3降至21.05億m3，年均遞減6.4%，噸鋼取水量由38.1m3降至29.6m3，年均遞減11.8%，水重復(fù)利用率由82.3%提高到87.3%。2001—2005年，取水量由21.05億m3增至30.59億m3，年均遞增9.8%，噸鋼取水量由18.3m3降至8.7m3，年均遞減17.0%，水重復(fù)利用率由89.3%提高到94.0%。2006—2010年，我國鋼鐵工業(yè)逐步推廣污水回用措施，取水量由28.8億m3降至26.2億m3，年均遞減2.3%；噸鋼取水量由6.86m3降至4.11m3，年均遞減12.0%，水重復(fù)利用率由95.4%提高到97.3%。2015年和2018年，取水量分別為28.4億m3、27.0億m3，平均噸鋼取水量分別降至3.53m3、2.91m3。盡管如此，我國鋼鐵工業(yè)用水指標(biāo)在地區(qū)之間、企業(yè)之間仍差距明顯，鋼鐵產(chǎn)能過度集中在缺水地區(qū)。同時(shí)，鋼鐵企業(yè)因規(guī)模、工藝等差異導(dǎo)致噸鋼用水量相差懸殊。2018年部分鋼鐵企業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，噸鋼取水量低于3.5m3的企業(yè)占20%，高于4.2m3的企業(yè)占18.2%。其中，南方地區(qū)噸鋼取水量4.22m3，北方地區(qū)噸鋼取水量3.05m3，二者相差1.17m3；在南方地區(qū)，長三角地區(qū)噸鋼取水量3.81m3，其他地區(qū)4.14m3，相差0.33m3；在北方地區(qū)，京津冀地區(qū)噸鋼取水量2.41m3，其他地區(qū)3.66m3。
二、鋼鐵企業(yè)主要用水系統(tǒng)
鋼鐵行業(yè)是以鋼鐵冶煉及壓延加工為主要生產(chǎn)活動(dòng)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)，通常以含鐵金屬礦石、廢鋼鐵、煉焦煤為原料，主要包括原料場(chǎng)、焦?fàn)t煉焦、用焙燒裝置生產(chǎn)人造塊礦（燒結(jié)或球團(tuán)）、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐和電爐煉鋼連鑄、熱軋和冷軋軋機(jī)軋制以及能源介質(zhì)供應(yīng)、物流輸送、制氧和熱電等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是一個(gè)復(fù)雜而龐大的生產(chǎn)體系，對(duì)應(yīng)的用水過程亦是一個(gè)復(fù)雜龐大的體系。
1.原料場(chǎng)原料場(chǎng)主要用水包括除塵灑水、洗車沖洗、車間地坪沖洗、道路灑水等用水，可優(yōu)先利用雨水、回用廢水和濃鹽水；對(duì)于料場(chǎng)抑塵用水，料條兩側(cè)宜設(shè)排水溝并設(shè)置調(diào)節(jié)水池和灑水泵，以便灑水和沖洗水重復(fù)利用；進(jìn)出料場(chǎng)道口設(shè)洗車設(shè)備，汽車沖洗水應(yīng)循環(huán)使用；料場(chǎng)區(qū)域初期雨排水應(yīng)收集處理回收利用。
2.燒結(jié)球團(tuán)燒結(jié)工序主要用水包括混合機(jī)添加水、工藝設(shè)備和余熱利用設(shè)施冷卻水、煙氣脫硫脫硝用水、轉(zhuǎn)運(yùn)站及通廊地坪灑水等。其中，冷卻水可循環(huán)使用，混合機(jī)添加水可優(yōu)先采用回用水，混合用水亦可采用回用水。球團(tuán)工序主要用水包括造球加水、工藝設(shè)備和余熱利用設(shè)施冷卻水、煙氣脫硫脫硝用水、濕球磨礦用水等。燒結(jié)設(shè)備冷卻水冷卻后循環(huán)使用。
3.焦化焦化工序主要用水環(huán)節(jié)有煤氣上升管水封蓋水封、熄焦、除塵、設(shè)備冷卻、煤氣凈化、化工產(chǎn)品回收和精制等。其中濕熄焦用水經(jīng)沉淀處理后循環(huán)使用，煤調(diào)濕、煤氣凈化、干熄焦、制冷機(jī)、干熄焦發(fā)電等設(shè)備冷卻水冷卻后循環(huán)使用。焦化廠化工產(chǎn)品回收和精制區(qū)域雨水收集處理利用，焦化廢水經(jīng)生化處理和深度處理后回用。
4.煉鐵煉鐵工序主要用水包括高爐爐體冷卻壁、爐底水冷管、風(fēng)口各套、熱風(fēng)爐閥門、各液壓站設(shè)備、各種大型風(fēng)機(jī)、TRT等冷卻壁冷卻用水，以及高爐沖渣、煤氣清洗、鑄鐵塊冷卻等用水。設(shè)備冷卻水采用閉路循環(huán)或開路循環(huán)用水，高爐爐體冷卻壁、熱風(fēng)爐閥門、風(fēng)口大中套、爐底冷卻水管等可考慮采取并聯(lián)和串級(jí)用水，煤氣清洗用水經(jīng)沉淀處理后循環(huán)使用，高爐沖渣水經(jīng)處理后循環(huán)使用，沖渣過程中產(chǎn)生的水蒸氣集中收集利用。
5.煉鋼煉鋼工序主要用水環(huán)節(jié)有轉(zhuǎn)爐氧槍和副槍冷卻、爐體冷卻、煙道冷卻、轉(zhuǎn)爐煙氣洗滌、鋼渣粒化等，電爐爐體冷卻、變壓器冷卻、煙道冷卻、鋼渣粒化等，連鑄設(shè)備冷卻、結(jié)晶器冷卻、二冷段冷卻等。設(shè)備冷卻水采用閉路循環(huán)或開路循環(huán)用水，轉(zhuǎn)爐煙氣洗滌用水經(jīng)沉淀處理后循環(huán)使用，連鑄二冷段冷卻水經(jīng)沉淀過濾處理后循環(huán)使用。
6.軋鋼生產(chǎn)棒線材和型鋼主要用水包括加熱爐、高壓除鱗、液壓潤滑等設(shè)備冷卻用水，軋輥和軋制產(chǎn)品直接冷卻用水以及沖渣用水等，板帶軋制還需要層流冷卻用水。加熱爐煙道可采用汽化冷卻或水冷方式，水冷煙道冷卻用水冷卻后循環(huán)使用。高壓除鱗用水直接循環(huán)使用，直接冷卻用水經(jīng)除油沉淀處理后循環(huán)使用，層流冷卻用水經(jīng)沉淀過濾后循環(huán)使用。冷軋廢水經(jīng)物化處理和深度處理后回用。7.生產(chǎn)輔助鋼鐵企業(yè)配套的生產(chǎn)輔助設(shè)施包括氧氣站、空壓站和煤氣加壓站以及余熱余能發(fā)電設(shè)施等，其設(shè)備冷卻用水分別經(jīng)冷卻后循環(huán)使用。
三、鋼鐵企業(yè)主要節(jié)水技術(shù)
鋼鐵企業(yè)主要節(jié)水技術(shù)包括干熄焦、高爐煤氣干式除塵、轉(zhuǎn)爐煙氣干式除塵等“三干”技術(shù)，汽化冷卻技術(shù)和空冷技術(shù)等工藝節(jié)水技術(shù)；冷卻水和清洗用水等循環(huán)用水技術(shù)、梯級(jí)用水和串級(jí)用水等水再利用節(jié)水技術(shù)；廢污水再生利用，雨水、海水、中水和礦井水利用等非常規(guī)水源替代技術(shù)；水系統(tǒng)集約化、智慧化管控技術(shù)等。由于用水系統(tǒng)涉及復(fù)雜水網(wǎng)絡(luò)及不同水處理工藝，實(shí)際中應(yīng)針對(duì)企業(yè)不同生產(chǎn)工序合理選擇節(jié)水技術(shù)。
1.原料場(chǎng)在原料場(chǎng)合理布置噴灑、加濕等作業(yè)用水的管網(wǎng)、噴頭，采用新型節(jié)水噴頭，各用水點(diǎn)設(shè)置用水計(jì)量設(shè)施，實(shí)施智能分區(qū)控制，可利用滿足要求的回用水作水源。原料場(chǎng)設(shè)收集、貯存雨水設(shè)施并對(duì)雨水回收利用。原料場(chǎng)底部設(shè)滲水層，收集地表滲透水，減少廢水滲漏對(duì)地下水的污染。
2.燒結(jié)球團(tuán)合理控制燒結(jié)和球團(tuán)混合料含水率，降低物料吸附損失水量。精礦粉、燃料、溶劑等加濕混勻工藝用水可采用回用水。設(shè)備冷卻用水經(jīng)冷卻降溫后循環(huán)使用。燒結(jié)球團(tuán)主要采用干式除塵，對(duì)局部產(chǎn)生粉塵點(diǎn)加濕降塵時(shí)可采用回用水。
3.焦化熄焦可采用干熄焦和新型低水熄焦等節(jié)水技術(shù)。濕熄焦系統(tǒng)可采用低質(zhì)廢水。焦?fàn)t裝煤、出焦及干熄焦煙氣的冷卻可采用風(fēng)冷。裝煤、出焦、干熄焦的煙塵治理采用干式除塵技術(shù)。焦化生產(chǎn)工藝介質(zhì)可進(jìn)行余熱利用，并采用循環(huán)冷卻水冷卻。焦化循環(huán)水系統(tǒng)主要包括煤氣凈化循環(huán)水系統(tǒng)、制冷設(shè)施循環(huán)水系統(tǒng)、干熄焦發(fā)電循環(huán)水系統(tǒng)等。焦化廢水深度處理后回用。
4.煉鐵高爐煤氣凈化可采用干法除塵技術(shù)。有高爐煤氣濕法除塵水沉淀處理后循環(huán)使用。高爐爐渣粒化用水循環(huán)使用，可補(bǔ)充低質(zhì)廢水和回用水。設(shè)冷凝塔對(duì)爐渣粒化產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行冷卻，回收冷凝水。高爐煤氣透平余壓發(fā)電機(jī)和煤氣管道均會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水，可將其回收，經(jīng)處理后接入煤氣清洗循環(huán)水系統(tǒng)，也可直接由焦化廢水處理設(shè)施處理。高爐爐體可采用下區(qū)、上區(qū)聯(lián)合（串聯(lián)）供水等分區(qū)冷卻供水方式。高爐爐體、熱風(fēng)爐等高熱負(fù)荷設(shè)備采用間冷閉式循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充軟水或除鹽水。循環(huán)使用高爐爐齡后期爐殼灑水。高爐鼓風(fēng)機(jī)可采用冷卻水用量低的電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)。采用汽動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)時(shí)，汽輪機(jī)冷卻水循環(huán)使用。鑄鐵機(jī)冷卻水循環(huán)使用。
5.煉鋼轉(zhuǎn)爐一次煙塵凈化可采用干法電除塵凈化技術(shù)，也可采用濕法除塵技術(shù)。轉(zhuǎn)爐、電爐煙道冷卻可采用汽化冷卻技術(shù)。轉(zhuǎn)爐氧槍、電爐變壓器、連鑄結(jié)晶器可采用間冷閉式循環(huán)水系統(tǒng)，補(bǔ)充軟水或除鹽水。其他設(shè)備冷卻用水循環(huán)使用。蒸汽噴射真空泵冷凝器冷卻水可沉淀過濾處理后循環(huán)使用。連鑄二冷段采用高效氣霧噴頭，冷卻用水經(jīng)沉淀過濾后循環(huán)使用。轉(zhuǎn)爐渣水淬用水循環(huán)使用，可補(bǔ)充低質(zhì)廢水和回用水。
6.軋鋼熱軋帶鋼精軋機(jī)的廢氣凈化采用干式過濾凈化系統(tǒng)。冷軋軋機(jī)、平整機(jī)的乳化液廢氣凈化采用干式不銹鋼過濾網(wǎng)凈化系統(tǒng)。加熱爐爐底水梁和立柱冷卻可采用汽化冷卻技術(shù)。冷軋水淬冷卻裝置采用雙水淬槽逆行串聯(lián)冷卻技術(shù)。軋機(jī)、軋輥、軋材冷卻用水經(jīng)處理后循環(huán)使用。鋼板及帶鋼軋后冷卻用水可采用水泵和水箱聯(lián)合供水，冷卻水循環(huán)使用。冷軋罩式退火爐采用波紋內(nèi)罩水噴淋冷卻技術(shù)。冷軋各機(jī)組的含酸堿廢氣凈化用水循環(huán)使用。冷軋含油、酸堿廢水深度處理后回用。
7.生產(chǎn)輔助氧氣站、空壓站、煤氣加壓站的冷卻均為間接冷卻，可采用循環(huán)水系統(tǒng)。
8.冷卻水處理間冷閉式循環(huán)水系統(tǒng)可減少水的蒸發(fā)、滲漏、排污等損失，節(jié)約軟化水、除鹽水等。高溫?zé)煔夂蜔霟岬蔫T坯、軋材等的冷卻使用直冷循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)回水通常含有鐵皮、粉塵、油等，應(yīng)根據(jù)回水水質(zhì)適當(dāng)處理后循環(huán)使用。熱軋板帶層流冷卻水系統(tǒng)或淬火冷卻水系統(tǒng)回水中含有的油、氧化鐵皮等雜質(zhì)數(shù)量較少，將部分循環(huán)回水簡(jiǎn)單處理后即可循環(huán)使用。直冷循環(huán)水系統(tǒng)在設(shè)有旋流池及其提升泵、平流池及其提升泵（或化學(xué)除油器、稀土磁盤、一體化高效污水處理裝置等其他形式的處理構(gòu)筑物）等多環(huán)節(jié)處理設(shè)施時(shí)，應(yīng)合理優(yōu)化聯(lián)絡(luò)管網(wǎng)系統(tǒng)和水量平衡方案。
9.化水處理化水處理后道工序的反沖洗排水水質(zhì)較好，可作為前道工序的水源或沖洗用水。膜法處理可充分利用余熱對(duì)原水加熱，降低原水黏度，增加產(chǎn)水量。通過離子交換處理或膜法處理制備軟化水、除鹽水，排放濃鹽廢水回收直接用于高爐沖渣串級(jí)利用。除鹽水制備一般采用“一級(jí)超濾+兩級(jí)反滲透”或“一級(jí)超濾+一級(jí)反滲透”流程處理。二級(jí)反滲透排出的濃鹽水可作為一級(jí)反滲透進(jìn)水。
10.廢水回用采用雨污分流系統(tǒng)，收集生活污水、生產(chǎn)廢水和初期雨水處理利用。其中，生活污水有機(jī)物含量較高，應(yīng)單獨(dú)處理。同時(shí)，單獨(dú)設(shè)置低質(zhì)廢水系統(tǒng)收集濃含鹽廢水，盡量將濃含鹽廢水濃縮減量后回收利用，也可提質(zhì)分鹽處理資源化利用。濃含鹽廢水包括軟化水、除鹽水制備車間離子交換工藝產(chǎn)生的再生廢水或膜反滲透工藝產(chǎn)生的濃含鹽廢水，以及廢水處理站采用膜深度處理時(shí)產(chǎn)生的濃含鹽廢水。生產(chǎn)廢水和初期雨水收集送至廢水處理廠集中處理后利用，為有效監(jiān)控鹽水排放，各工序區(qū)域生產(chǎn)廢水應(yīng)加壓輸送，并設(shè)置計(jì)量設(shè)施。
11.供用水輸送采用管道或暗渠（隧洞）輸送水源時(shí)應(yīng)采取防污染和防滲漏的措施。對(duì)局部水壓要求較高的特殊用水戶可在用戶內(nèi)部單獨(dú)加壓供給。可對(duì)供水管網(wǎng)實(shí)施智能檢測(cè)滲漏技術(shù)措施。
四、結(jié)語
①鋼鐵生產(chǎn)工序和主要用水系統(tǒng)復(fù)雜。一般鋼鐵生產(chǎn)工序包括原料場(chǎng)、燒結(jié)和球團(tuán)、焦化、煉鐵、煉鋼連鑄、軋鋼和輔助生產(chǎn)。主要用水環(huán)節(jié)包括焦化用水系統(tǒng)、煉鐵用水系統(tǒng)、煉鋼連鑄用水系統(tǒng)和軋鋼用水系統(tǒng)。②應(yīng)加大推廣鋼鐵行業(yè)節(jié)水力度。鋼鐵行業(yè)節(jié)水技術(shù)是鋼鐵工業(yè)節(jié)水的重要措施，通過收集整理鋼鐵行業(yè)主要節(jié)水技術(shù)并分析不同技術(shù)要點(diǎn)，為節(jié)水技術(shù)推廣提供參考。③鋼鐵工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)加強(qiáng)節(jié)水設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收，并制定相關(guān)節(jié)水標(biāo)準(zhǔn)，開展節(jié)水設(shè)施實(shí)施核查和后評(píng)估工作，通過強(qiáng)化監(jiān)督管理，推進(jìn)鋼鐵行業(yè)節(jié)水減排。
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作者：王小軍 程繼軍 王海東 單位：南京水利科學(xué)研究院