冶金工業清潔技術研究

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1冶金企業廢棄物回收利用模式

1.1清潔生產及其實現

1992年在里約聯合國環境開發大會上,正式承認清潔生產是可持續發展的先決條件.《中國21世紀議程》中也將其列入其中,并制定了相應的法律[1].清潔生產的實現途徑包括清潔材料、清潔工藝和清潔產品,要求在提高生產效率的同時,必須兼顧削減或消除危險物及其他有毒化學品的用量,改善勞動條件,減少對操作者的健康威脅,并能生產出安全的與環境兼容的產品.清潔生產的實施途徑包括:1)材料投入,有用副產品的利用,回收產品的再利用,以及對原材料的就地再利用,特別是在工藝過程中的循環利用;2)生產工藝或制造技術,改善工藝控制,改造原有設備,將原材料消耗量、廢物產生量、能源消耗、健康與安全風險以及生態的損壞減少到最低程度;3)自然資源使用以及空氣、土壤、水體和廢物排放的環境評價;根據環境負荷的相對尺度,確定其對生物多樣性、人體健康、自然資源的影響評價.

1.2冶金企業廢棄物回收利用模式

廢棄物的采集、回收、儲存、運輸、加工處理、利用途徑等各個環節構成了鋼鐵生產廢棄物的回收系統,這個系統中具有輸入、輸出、轉化處理、環境制約等要素.系統輸入就是來源于生產過程的廢棄物.系統輸出則是具有價值的再生資源、加工原料,能夠重新投入鋼鐵生產和其他部門使用的消費品.系統轉換是指將廢棄物變為再生資源的全過程,其中廢棄物的采集回收、撿選分類、加工處理是系統轉換的重要環節,直接關系著作為再生資源的數量、質量和價值.同時,廢棄物的資源管理、計劃管理、信息管理、運作管理也是系統轉換中必不可少的內容.社會的發展,鋼鐵工業水平,科技進步與人員素質,資源能源現狀對回收系統起著環境制約的作用,圖1為鋼鐵企業廢棄物回收利用模式.

2冶金工業中清潔生產技術

2.1建立冶金協同優化體系

冶金協同優化體系,將涉及鋼材制造過程、加工組裝過程、使用過程、廢棄過程、回收利用過程等因果鏈,組成若干區域性的兼顧社會整體節能、降低社會環境負荷、協同優化的冶金生產體系是一種發展趨勢.諸如鋼廠與發電廠的結合,鋼廠與建筑材料廠的結合,甚至某些地區的鋼廠(利用排出的CO、CH4、H2等)與石油加工或某些化工廠的結合,是一種社會的需求.冶金企業還可成為污染處理基地,如高爐噴吹廢塑料是消除“白色污染”的最佳途徑.這樣,在某些特定條件下,有可能形成包括冶金生產企業在內的工業生態鏈,甚至形成工業生態區.

2.2冶金流程及工藝的改進

冶金制造過程正以積極推進最有效技術為基本,不斷使冶金制造流程從間歇—停頓—流程長向緊湊化—準連續化—流程短的方向發展,以使物質收得率最大化、能源效率最佳化和制造流程時間最小化.從鐵礦石+能源—鋼材—制品(工程)—廢棄—再利用的過程看,分析不同類型鋼廠的能源效率和環境負荷顯得尤為重要,如短流程鋼廠的能耗及噸鋼有害氣體排放量都遠低于高爐長流程鋼廠[2].在冗長的鋼鐵冶金過程中,頻繁地加熱和冷卻物料引起了能量消耗增高.從鋼水澆注成鋼錠開始到鍛造、軋制成各種鋼材、型材,經歷了臺車式退火爐、室狀爐、均熱爐、連續加熱爐、步進式加熱爐、輥底式退火爐等多種爐型的反復加熱、冷卻,多次加熱及不同目的退火處理,鋼經歷了漫長多次的熱循環過程,消耗了巨大能源,包括煤氣、重油、電能、天然氣等的消耗.這大量能源的燃燒,消耗了巨大的熱能.研究鋼的熱循環工藝;建設和改造高爐熱風爐、大型燒結冷卻機、軋鋼加熱爐等生產裝置的余熱回收裝置,提高余熱回收率;開展連鑄熱裝熱送等,在不同工序上大面積的進行工藝改革,使加熱工藝、熱處理工藝全面系列化、規范化、科學化,必為冶金企業節能降耗,提高生產率及改進鋼的冶金質量帶來巨大經濟效益和社會效益.在冶金生產過程中實現清潔生產,注意工藝變革,可以將污染消除在過程內.如南非Saldanha鋼鐵廠率先在鋼鐵企業實現了工業化的清潔生產,其工藝引起了全世界同行的關注.它將Corex熔態還原工藝,Midrex直接煉鐵工藝,電爐煉鋼和薄板連鑄集成,將CorexC2000產生的大量剩余氣體經除CO2凈化工序后,用作Midrex直接還原鐵法的還原氣體,由Corex產出的生鐵和Midrex的直接還原鐵再作為電爐煉鋼的原料,時間短,有害元素少,提高煉鋼效率,從而形成了一條完整的綠色鋼鐵生產工藝;根據我國鋼鐵企業的經濟和生產特點,提出的基于多級流化移動床的熔態還原新工藝[3],可以徹底解決污染問題.

2.3冶金過程排放清潔處理

冶金企業從原料、焦化、燒結到煉鐵、煉鋼、連鑄以及軋鋼的生產過程中產生大量含有可利用熱量的廢氣、廢水、廢渣,同時在各工序之間存在著含有可利用能量的中間產品和半成品.

2.3.1再能源化冶金企業排放的廢氣主要包括:燒結廢氣、高爐煤氣、電爐煙氣和軋鋼加熱爐煙氣等,其余熱回收后可用于預熱助燃空氣、預熱煤氣和生產蒸汽.1)燒結廢氣在鋼鐵生產過程中,燒結工序的能耗約占總能耗的10%,僅次于煉鐵工序而位居第二.在燒結工序總能耗中,有近50%的熱能以燒結機煙氣和冷卻機廢氣的顯熱形式排入大氣,既浪費了熱能又污染了環境.采用熱管蒸汽發生器可回收燒結廢氣余熱.2)高爐煤氣高爐煤氣的回收利用比其它廢氣的回收利用意義更為重大,因為這涉及到冶金企業的氣體燃料平衡、減少燒油等重要的能源問題,所以應是廢氣余熱、余能回收利用的重點之一.對鋼鐵聯合企業來說,目標應當是努力降低高爐煤氣的放散率,增加混合煤氣量,或采用低熱值煤氣燃燒技術將其用于軋鋼加熱爐;對獨立鐵廠而言,則應盡快建設高爐煤氣電站.3)電爐煙氣電爐煉鋼過程中的廢氣余熱回收技術,有可能使電爐煉鋼節電100kW•h/t(鋼)以上,并提高電爐的生產效率.在電弧爐的熱平衡中,煙氣顯熱一般占電爐熱量的20%.一臺100t電弧爐廢鋼預熱器的綜合效益為:廢鋼平均預熱溫度可達200~250℃;電能消耗減少40~50kWh/t;熔煉時間縮短5~8min;電極消耗下降0.2~0.4kg/t;電爐熱效率達70%(不預熱廢鋼時一般為50%~60%)[4].4)軋鋼加熱爐煙氣可通過以下措施來提高軋鋼加熱爐煙氣回收利用率:采用高保溫性能、高密封性能的輕型地上煙道和高回收率的多行程優化排列的翅片或插入件強化傳熱的金屬換熱器;采用絕熱性能良好的熱回收管路;采用爐頂間隔墻來改善爐內熱交換及降低排煙溫度;采用能在高預熱溫度下以全熱風方式工作的高效燃燒裝置.

2.3.2再資源化以回收廢鋼為原料,在電弧爐內溶化.溶化后的鋼水在鋼包內進行精練,再經過連鑄和軋制成型.最初再生法只能生產低級產品,特別是鋼筋,現在它占鋼鐵市場份量越來越大.目前美國40%以上的鋼是用這種方法煉的.美國環境保護局的測試表明,使用廢鋼代替鐵礦石煉鋼時,總能耗降低近2/3,空氣污染排放物可減少86%.冶金生產中產生許多種排放物,對這些排放物進行適當處理,不僅可防止二次污染,而且可回收作為資源利用.例如:1)廢油回收設備→油水分離器→做燃料.2)粉塵和污染除塵器和脫水后污泥→造球→做燒結原料或轉爐原料.3)碎耐火磚回收→分選和加工→供制造廠做原料.4)廢料回收→再生→利用.5)礦渣高爐渣→重礦渣→做道路→修道路或做混凝土骨料;高爐渣→水淬渣→脫水加工→做水泥原料或肥料;轉爐渣→重礦渣→破碎、磁選→返回燃結、轉爐做原料或修道路.

2.3.3無害化處理冶金企業的無害化處理比較集中在水處理、煙塵處理以及某些有害刺激性氣體的處理上.冶金企業廢水排放量大.掌握各工序廢水的特點,對整體研究企業節水及廢水治理、以廢治廢大有益處.例如利用不同工序的酸性廢水和堿性廢水調節混合,中和為中性后,不僅可滿足環保上對廢水pH值的要求,而且可消除廢水復用時對管道的腐蝕,提高廢水循環復用的實際可能性.另外,利用有些廢水混合后反應產生沉淀物及產生的沉淀物的吸附性能,降低廢水中懸浮物含量及其它有害物質含量,不僅提高廢水水質,而且可使本不能復用的廢水能夠復用.然而更為根本的問題是:如何少用水、不用水或是水的充分循環利用.作為再能源化和不用水的絕妙結合的例子就是干熄焦(CDQ).北美有的新建焦爐將原來煉焦—化工系統轉為煉焦—發電系統也是值得注意的新動向.煙氣脫硫對于酸雨等大面積區域生態環境以及居民的健康有著直接的影響.目前氮氧化合物(NOx)的防治也應引起人們的重視.

3結語

冶金工業是國民經濟支柱產業,鋼鐵仍然是非常重要的結構材料和迄今為止產量最大的功能材料,在眾多的使用領域內鋼鐵仍屬必選材料,是工、農業、交通運輸業和國防工業的基礎.冶金工業屬于流程制造業,在冶金制造體系中大量的物質/產品流、大量能量轉換過程、多種形式的排放過程和大量的排放/廢棄物都對環境造成不同層次、不同程度上的影響,其污染困惑著這一行業的發展,走清潔生產的道路是冶金工業面向新世紀的重要命題.