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如何打造固废“零”排放钢厂?

来源:中国冶金报社
作者:张寿荣
发布时间:2017-05-22
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【摘要】钢铁工业是国民经济的基础产业,也是高消耗、高排放行业,其最大的排放是钢铁生产过程产生的固体废弃物。2015年,我国粗钢产量8.04亿吨,以每吨钢产生固体废弃物600千克~800千克估算,全年共产生固体废弃物4.8亿吨~6.4亿吨,主要构成为冶炼过程形成的炉渣、含铁尘泥、烧结脱硫产物等,仅冶金渣就超过2亿吨。
  钢铁工业是国民经济的基础产业,也是高消耗、高排放行业,其最大的排放是钢铁生产过程产生的固体废弃物。2015年,我国粗钢产量8.04亿吨,以每吨钢产生固体废弃物600千克~800千克估算,全年共产生固体废弃物4.8亿吨~6.4亿吨,主要构成为冶炼过程形成的炉渣、含铁尘泥、烧结脱硫产物等,仅冶金渣就超过2亿吨。固体废弃物占用大量的土地资源,污染周边环境,为此,提高钢铁流程固体废弃物资源化高附加值利用效率,是钢铁企业必须解决的重大问题。
 
  我国钢铁业追求绿色发展
 
  我国是全球最大的钢铁生产国和消费国,支撑我国大规模钢铁生产的主要是以高炉、转炉为主的长流程钢铁企业,我国钢产量中约90%采用长流程生产。近年来,我国陆续投产了一批先进长流程生产工艺的钢铁厂,包括鞍钢鲅鱼圈钢铁厂,首钢京唐钢铁厂、宝武集团宝钢股份湛江钢铁厂等。这些厂在规划建设之初就规避了以往钢铁厂工程投资高、生产成本高、能耗高、碳排放高的被动局面,侧重打造节能减排、可持续发展的新特点。
 
  “十三五”期间,我国将继续加快处理钢铁工业大宗固体废弃物的步伐。国务院发布的《“十三五”节能减排综合工作方案》要求,钢铁行业把“绿色发展、循环发展、低碳发展、两化融合”作为实施途径,大力发展循环经济,拓宽钢铁生产流程中固体废弃物协同处置渠道。我国钢铁工业绿色发展仍面临挑战,固体废弃物再利用和全量处理是须要重点解决的课题。
 
  钢企固废资源化处理模式
 
  固体废弃物产生情况与特性分析。研究者以年粗钢生产规模约900万吨的某长流程钢铁厂为研究对象,统计得出,伴随钢铁生产各工序,年固体废弃物约为608.5万吨,主要为含铁类固废产物、含碳类固废产物和其他类固废产物3类。
 
  含铁类固体废弃物。图1和图2分别为主要含铁类固体废弃物细分情况和产量分布,合计产生26种约253万吨,吨钢产生量约280千克。其中,铁前与炼铁工序产生9种,占总重的29.8%;炼钢工序产生8种,占总重的58.5%;轧钢和其他工序产生9种,占总重的11.7%。
图1 钢铁生产工序主要含铁类固废细分情况
 
 
图2 钢铁生产工序含铁类固废产物年产量分布
 
  表1是3种含铁类固废的主要化学成分,该类固废含较高的铁锰等元素,利用价值很大。
表1 三种含铁类固体废弃物主要化学成分 
 
  
 
  含碳类固体废弃物。图3为各工序含碳类固体废弃物细分情况,包括筛下焦末、焦化环境灰、生化污泥和焦油渣。
图3 钢铁生产工序主要含碳类固体废弃物细分情况
 
  表2是各种含碳类固体废弃物年产生量,总计约55.5万吨,相当于吨钢产生量65千克,筛下焦末占比达87.5%,主要作为烧结燃料使用。
表2 钢铁生产工序含碳类固体废弃物年产生量
 
  表3是典型含碳类固体废弃物的主要化学成分,该类固废碳含量较高,适合回收利用。
表3 典型含碳类固废产物主要化学成分 单位:%
 
  其他固体废弃物。其他固废年产生量约为300万吨,主要包括:炼铁工序产生的脱硫灰、高炉渣,配套电厂产生的粉煤灰及炉渣,废弃耐火砖和冷轧工序锌渣等,其中,高炉渣占比约90%,目前水淬高炉渣细磨成超细粉用于建筑工程。
 
  固体废弃物资源化再利用实践。钢厂是生态工业链中重要的一环,而固体废弃物再利用是钢厂重新获取资源的重要渠道之一。钢厂结合自身技术工艺特性,选择经济合理的再利用策略,确定内部循环使用路径;对于暂时不能处理的固体废弃物,采用工程堆存或外销的处理模式。
 
  钢铁流程内部循环使用。图4为主流程清洁生产内循环设计路径,综合考虑各种固体废弃物的冶金性能、产生量与炼铁—炼钢工序相匹配等因素,尽量利用不同过程的排放物、废弃物和剩余能量进行过程间体系设计。
图4 钢铁主流程清洁生产内循环路径
 
  工程堆存或外销。针对目前不能处理的固体废弃物,钢厂采用工程堆存或外销的处理方式。每年约有92万吨炼钢渣焖渣提取渣钢后的尾渣须要堆存,成为钢厂亟须解决的难题。
 
  其他类固废产物基本采用外销方式,包括高炉渣、冷轧的氧化铁粉等。每年约有27万吨的含铁类固体废弃物外销。
 
  固废资源化利用存在问题
 
  含有害元素的除尘灰处理方式。钢厂每年产生含钾、钠、锌等有害元素的固体废弃物约8.5万吨,含钾、钠、锌、铅等有害元素的固体废弃物在高炉中循环富集对生产危害极大,造成高炉悬料、结瘤、炉况不顺等恶劣影响。实践证明,含锌量超过2.0%的除尘灰循环利用会明显增加高炉的锌负荷,影响高炉稳定生产。部分企业为了控制锌负荷而配置转底炉生产线来处理含锌尘泥,但是处理费用高,有必要探寻更优更经济的处理方法。
 
  危险废弃物处置方式。钢厂每年产生约5000吨的含油垃圾、含油污泥等危险废弃产物,其处理费用贵。我国危险废弃物处理处在初级阶段,处理能力存在较大缺口。为降低钢厂处理成本,结合钢厂危险废弃物产量大的特点,建议在政府相关部门指导监管下,由钢铁厂设立集中危险废物处置加工中心。这样,既能满足钢厂内部危险废物处置要求,又能完成对周边园区和社会的危险废物集中处置,扩充钢厂的城市垃圾处理功能。钢厂应积极争取国家政策支撑和相关措施鼓励,参与城市垃圾处理工作。
 
  冶金渣高温转换与余热利用方式。炼铁和炼钢工序产生大量的高温渣,包括高炉渣、脱硫渣、脱碳渣、精炼渣等。这些渣的冶金性质不同,均采用水冷处理,消耗了大量的水资源,还造成热能浪费。以高炉渣为例,2015年全国高炉炉渣产量约2.51亿吨,其热量可折算为1367万吨标煤,再利用潜力巨大。以冶金渣高温转换与余热利用为标志的新型处理方法将是固体废弃物节能的重要发展方向之一。
 
  建设钢企固废处理大平台
 
  钢厂的固体废弃物种类繁多、特性各异、产生量差异很大。固废集中管理和新技术的研发创新是实现固废资源化高效利用的有效手段。有鉴于此,研究者提出了搭建钢铁企业固废处理大平台的构想,见图5。
图5 钢铁厂固废资源化处理工作路线图
 
  钢铁厂固废处理向4个方向开展工作,一是持续推进钢铁厂内部固体废弃物高价值循环再利用,通过采取优化物料走向和技术研发等多种措施,提高产物的自消纳率。二是充分利用高温渣系中富含有价元素和热能的特点,开发新型的渣冶炼工艺技术,对高温渣中金属铁、磷和锰等元素进行提取,通过渣系调质生产高附加值产品。三是针对含钾、钠、锌、铅等有害元素的灰类产物,须进行系统的基础研究,研发经济性新工艺,以替代投资运行成本高的转底炉工艺。四是危险废弃产物属于钢铁厂固废处理的薄弱环节,通过建设钢厂处置中心,既处理钢厂内部的危险固废,又兼具社会垃圾的处置功能。
 
  通过以上固体废弃物综合处置路线,实现环境治理和资源综合利用相结合,有望打造“零”排放的钢铁厂。
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