冶金工業(yè)清潔技術(shù)研究
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1冶金企業(yè)廢棄物回收利用模式
1.1清潔生產(chǎn)及其實(shí)現(xiàn)
1992年在里約聯(lián)合國(guó)環(huán)境開(kāi)發(fā)大會(huì)上,正式承認(rèn)清潔生產(chǎn)是可持續(xù)發(fā)展的先決條件.《中國(guó)21世紀(jì)議程》中也將其列入其中,并制定了相應(yīng)的法律[1].清潔生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)途徑包括清潔材料、清潔工藝和清潔產(chǎn)品,要求在提高生產(chǎn)效率的同時(shí),必須兼顧削減或消除危險(xiǎn)物及其他有毒化學(xué)品的用量,改善勞動(dòng)條件,減少對(duì)操作者的健康威脅,并能生產(chǎn)出安全的與環(huán)境兼容的產(chǎn)品.清潔生產(chǎn)的實(shí)施途徑包括:1)材料投入,有用副產(chǎn)品的利用,回收產(chǎn)品的再利用,以及對(duì)原材料的就地再利用,特別是在工藝過(guò)程中的循環(huán)利用;2)生產(chǎn)工藝或制造技術(shù),改善工藝控制,改造原有設(shè)備,將原材料消耗量、廢物產(chǎn)生量、能源消耗、健康與安全風(fēng)險(xiǎn)以及生態(tài)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(huán)境評(píng)價(jià);根據(jù)環(huán)境負(fù)荷的相對(duì)尺度,確定其對(duì)生物多樣性、人體健康、自然資源的影響評(píng)價(jià).
1.2冶金企業(yè)廢棄物回收利用模式
廢棄物的采集、回收、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加工處理、利用途徑等各個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成了鋼鐵生產(chǎn)廢棄物的回收系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)中具有輸入、輸出、轉(zhuǎn)化處理、環(huán)境制約等要素.系統(tǒng)輸入就是來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程的廢棄物.系統(tǒng)輸出則是具有價(jià)值的再生資源、加工原料,能夠重新投入鋼鐵生產(chǎn)和其他部門(mén)使用的消費(fèi)品.系統(tǒng)轉(zhuǎn)換是指將廢棄物變?yōu)樵偕Y源的全過(guò)程,其中廢棄物的采集回收、撿選分類(lèi)、加工處理是系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié),直接關(guān)系著作為再生資源的數(shù)量、質(zhì)量和價(jià)值.同時(shí),廢棄物的資源管理、計(jì)劃管理、信息管理、運(yùn)作管理也是系統(tǒng)轉(zhuǎn)換中必不可少的內(nèi)容.社會(huì)的發(fā)展,鋼鐵工業(yè)水平,科技進(jìn)步與人員素質(zhì),資源能源現(xiàn)狀對(duì)回收系統(tǒng)起著環(huán)境制約的作用,圖1為鋼鐵企業(yè)廢棄物回收利用模式.
2.1建立冶金協(xié)同優(yōu)化體系
冶金協(xié)同優(yōu)化體系,將涉及鋼材制造過(guò)程、加工組裝過(guò)程、使用過(guò)程、廢棄過(guò)程、回收利用過(guò)程等因果鏈,組成若干區(qū)域性的兼顧社會(huì)整體節(jié)能、降低社會(huì)環(huán)境負(fù)荷、協(xié)同優(yōu)化的冶金生產(chǎn)體系是一種發(fā)展趨勢(shì).諸如鋼廠與發(fā)電廠的結(jié)合,鋼廠與建筑材料廠的結(jié)合,甚至某些地區(qū)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(jié)合,是一種社會(huì)的需求.冶金企業(yè)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(chǎn)企業(yè)在內(nèi)的工業(yè)生態(tài)鏈,甚至形成工業(yè)生態(tài)區(qū).
2.2冶金流程及工藝的改進(jìn)
冶金制造過(guò)程正以積極推進(jìn)最有效技術(shù)為基本,不斷使冶金制造流程從間歇—停頓—流程長(zhǎng)向緊湊化—準(zhǔn)連續(xù)化—流程短的方向發(fā)展,以使物質(zhì)收得率最大化、能源效率最佳化和制造流程時(shí)間最小化.從鐵礦石+能源—鋼材—制品(工程)—廢棄—再利用的過(guò)程看,分析不同類(lèi)型鋼廠的能源效率和環(huán)境負(fù)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(yuǎn)低于高爐長(zhǎng)流程鋼廠[2].在冗長(zhǎng)的鋼鐵冶金過(guò)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(kāi)始到鍛造、軋制成各種鋼材、型材,經(jīng)歷了臺(tái)車(chē)式退火爐、室狀爐、均熱爐、連續(xù)加熱爐、步進(jìn)式加熱爐、輥底式退火爐等多種爐型的反復(fù)加熱、冷卻,多次加熱及不同目的退火處理,鋼經(jīng)歷了漫長(zhǎng)多次的熱循環(huán)過(guò)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(huán)工藝;建設(shè)和改造高爐熱風(fēng)爐、大型燒結(jié)冷卻機(jī)、軋鋼加熱爐等生產(chǎn)裝置的余熱回收裝置,提高余熱回收率;開(kāi)展連鑄熱裝熱送等,在不同工序上大面積的進(jìn)行工藝改革,使加熱工藝、熱處理工藝全面系列化、規(guī)范化、科學(xué)化,必為冶金企業(yè)節(jié)能降耗,提高生產(chǎn)率及改進(jìn)鋼的冶金質(zhì)量帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.在冶金生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn),注意工藝變革,可以將污染消除在過(guò)程內(nèi).如南非Saldanha鋼鐵廠率先在鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的清潔生產(chǎn),其工藝引起了全世界同行的關(guān)注.它將Corex熔態(tài)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(chǎn)生的大量剩余氣體經(jīng)除CO2凈化工序后,用作Midrex直接還原鐵法的還原氣體,由Corex產(chǎn)出的生鐵和Midrex的直接還原鐵再作為電爐煉鋼的原料,時(shí)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(chǎn)工藝;根據(jù)我國(guó)鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)特點(diǎn),提出的基于多級(jí)流化移動(dòng)床的熔態(tài)還原新工藝[3],可以徹底解決污染問(wèn)題.
2.3冶金過(guò)程排放清潔處理
冶金企業(yè)從原料、焦化、燒結(jié)到煉鐵、煉鋼、連鑄以及軋鋼的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量含有可利用熱量的廢氣、廢水、廢渣,同時(shí)在各工序之間存在著含有可利用能量的中間產(chǎn)品和半成品.
2.3.1再能源化冶金企業(yè)排放的廢氣主要包括:燒結(jié)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(yù)熱助燃空氣、預(yù)熱煤氣和生產(chǎn)蒸汽.1)燒結(jié)廢氣在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中,燒結(jié)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(jié)工序總能耗中,有近50%的熱能以燒結(jié)機(jī)煙氣和冷卻機(jī)廢氣的顯熱形式排入大氣,既浪費(fèi)了熱能又污染了環(huán)境.采用熱管蒸汽發(fā)生器可回收燒結(jié)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?yàn)檫@涉及到冶金企業(yè)的氣體燃料平衡、減少燒油等重要的能源問(wèn)題,所以應(yīng)是廢氣余熱、余能回收利用的重點(diǎn)之一.對(duì)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來(lái)說(shuō),目標(biāo)應(yīng)當(dāng)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(shù)將其用于軋鋼加熱爐;對(duì)獨(dú)立鐵廠而言,則應(yīng)盡快建設(shè)高爐煤氣電站.3)電爐煙氣電爐煉鋼過(guò)程中的廢氣余熱回收技術(shù),有可能使電爐煉鋼節(jié)電100kW•h/t(鋼)以上,并提高電爐的生產(chǎn)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(tái)100t電弧爐廢鋼預(yù)熱器的綜合效益為:廢鋼平均預(yù)熱溫度可達(dá)200~250℃;電能消耗減少40~50kWh/t;熔煉時(shí)間縮短5~8min;電極消耗下降0.2~0.4kg/t;電爐熱效率達(dá)70%(不預(yù)熱廢鋼時(shí)一般為50%~60%)[4].4)軋鋼加熱爐煙氣可通過(guò)以下措施來(lái)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(yōu)化排列的翅片或插入件強(qiáng)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(lái)改善爐內(nèi)熱交換及降低排煙溫度;采用能在高預(yù)熱溫度下以全熱風(fēng)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(nèi)溶化.溶化后的鋼水在鋼包內(nèi)進(jìn)行精練,再經(jīng)過(guò)連鑄和軋制成型.最初再生法只能生產(chǎn)低級(jí)產(chǎn)品,特別是鋼筋,現(xiàn)在它占鋼鐵市場(chǎng)份量越來(lái)越大.目前美國(guó)40%以上的鋼是用這種方法煉的.美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的測(cè)試表明,使用廢鋼代替鐵礦石煉鋼時(shí),總能耗降低近2/3,空氣污染排放物可減少86%.冶金生產(chǎn)中產(chǎn)生許多種排放物,對(duì)這些排放物進(jìn)行適當(dāng)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(shè)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(jié)原料或轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐渣→重礦渣→破碎、磁選→返回燃結(jié)、轉(zhuǎn)爐做原料或修道路.
2.3.3無(wú)害化處理冶金企業(yè)的無(wú)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(yè)廢水排放量大.掌握各工序廢水的特點(diǎn),對(duì)整體研究企業(yè)節(jié)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(diào)節(jié)混合,中和為中性后,不僅可滿(mǎn)足環(huán)保上對(duì)廢水pH值的要求,而且可消除廢水復(fù)用時(shí)對(duì)管道的腐蝕,提高廢水循環(huán)復(fù)用的實(shí)際可能性.另外,利用有些廢水混合后反應(yīng)產(chǎn)生沉淀物及產(chǎn)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(zhì)含量,不僅提高廢水水質(zhì),而且可使本不能復(fù)用的廢水能夠復(fù)用.然而更為根本的問(wèn)題是:如何少用水、不用水或是水的充分循環(huán)利用.作為再能源化和不用水的絕妙結(jié)合的例子就是干熄焦(CDQ).北美有的新建焦?fàn)t將原來(lái)煉焦—化工系統(tǒng)轉(zhuǎn)為煉焦—發(fā)電系統(tǒng)也是值得注意的新動(dòng)向.煙氣脫硫?qū)τ谒嵊甑却竺娣e區(qū)域生態(tài)環(huán)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(yīng)引起人們的重視.
3結(jié)語(yǔ)
冶金工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè),鋼鐵仍然是非常重要的結(jié)構(gòu)材料和迄今為止產(chǎn)量最大的功能材料,在眾多的使用領(lǐng)域內(nèi)鋼鐵仍屬必選材料,是工、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)和國(guó)防工業(yè)的基礎(chǔ).冶金工業(yè)屬于流程制造業(yè),在冶金制造體系中大量的物質(zhì)/產(chǎn)品流、大量能量轉(zhuǎn)換過(guò)程、多種形式的排放過(guò)程和大量的排放/廢棄物都對(duì)環(huán)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(yè)的發(fā)展,走清潔生產(chǎn)的道路是冶金工業(yè)面向新世紀(jì)的重要命題.
