我国钢铁工业二次资源的综合利用

我国钢铁工业二次资源的综合利用

摘 要 要实现钢铁工业的清洁生产和可持续发展, 有效降低冶金企业的环境污染, 实现清洁生产, 促进钢铁生产的可持续发展, 必须对冶金生产过程产生的二次资源和能源进行全量和高附加值的利用, 进行冶金“三废”处置和净化新技术新工艺的研究, 节能降耗, 使之更好地与环境相协调。此外, 还应积极进行与环境协调

性好的冶金新工艺新流程的开发。

关键词 钢铁冶金 清洁生产 资源综合利用

CLEAN PRODUCTION IN IRON AND STEEL INDUSTRY IN CHINA

AND COMPREHENSIVE UTILIZATION OF

METALLURGICAL SECONDARY RESOURCES

ABSTRACT In order to realize the clean production and the sustainable development of iron and steel industry, the secondary material and energy resources resulted from metallurgical processes have to be utilized totally and with great added value. The study of the new technology of waste disposal and purification for energy saving as well as decreasing consumption has to be done. In addition, the research should be carried out for the new process and method in metallurgical production which is environment friendly.

KEY WORDS iron and steel industry, clean production, comprehensive utilization for metallurgical secondary resources.

1. 前言

钢铁工业生产的主要特点是工序多、流程长、设备规模大、资源密集、能源消耗大、环境污染严重。钢铁工业作为国家的基础产业, 对我国经济建设的发展具有巨大的作用。虽然目前我国的年钢产量超过了1亿t, 并且近10年来企业在环境保护和二次资源综合利用以及节能降耗工作等方面取得了较大进步, 但是, 我国钢铁工业的总体装备水平与国外先进水平相比还有相当的差距, 其生产工艺技术还较落后, 尤其是环境配套设施建设的总体水平还比较差, 某些中小企业甚至连基本的除尘设备和水处理设备都没有很好地配置。因此, 我国钢铁企业的环境污染从总体上说是比较严重的。

要提高我国钢铁产品的国际竞争力, 充分挖潜节能降耗, 显著提高冶金二次资源的再利用率, 实现钢铁工业的可持续发展, 显著降低钢铁企业排除的环境污染物的水平, 实现清洁生产, 笔者认为从技术的角度来说应做好以下两个方面的工作。

2. 钢铁工业现有流程的清洁生产

在可预见的将来(如到2010年), 钢铁产品主要依靠铁矿石、煤为主要原料的高炉—转炉—连铸—热轧流程和主要依靠废钢为原料的电炉—连铸—热轧流程生产[1]。针对钢铁工业的现有流程, 要实现清洁生产而且使产品又具有竞争力, 钢铁企业必须大幅度地降低原材料消耗, 节省能源, 减少生产中环境污染物的排放量, 最大限度地进行二次资源的综合利用, 建设冶金“三废”处理和利用的循环流

程如废水的处理和循环利用等设施, 提高钢铁制品的质量, 降低钢铁的消耗量。

2.1 冶金煤气及其热值的充分利用

冶金生产过程排放的煤气, 包括焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、电炉及铁合金炉的烟气等。这些煤气或烟气的温度较高, 含有大量的物理热和化学热, 是一种良好的能源。同时, 冶金炉煤气中, 含有的碳、氢化合物的比例很高, 如利用得当是很好的化工资源。因此, 应大力加强煤气利用的研究。

目前, 冶金炉煤气主要用作冶金厂内部的燃料, 比如用于热风炉的换热、加热炉内对钢锭的加热等。一般说来, 冶金生产所产生的煤气量远大于冶金企业所使用的煤气量。富余的部分目前还没有很好地利用。要使冶金炉煤气得到充分利用, 必须要有良好的除尘设施和煤气中气态污染物的处理设施。煤气中的粉尘含量和硫化物等的含量必须小于所规定的标准(因为粉尘对管道和设备具有磨损和腐蚀作用; 硫化物等在钢锭加热时对钢锭的表面质量产生有害影响, 并在煤气制取化工产品时对催化剂具有很大的毒害作用) 。国内目前的现状是由于环保设施不过关、煤气储存设备的容量不足、利用途径不多和利用量不足等原因, 煤气的回收率与国外先进水平相比有很大差距。相比之下, 转炉煤气回收利用的难度更大。1995年, 我国高炉煤气的回收率仅为86 %;转炉煤气的回收率为47 m3/t[2], 宝钢、武钢转炉煤气回收的水平较高, 而攀钢、重钢等大型企业和许多中小型企业则没有回收。据统计, 国内41家15 t以上转炉的厂家中, 回收煤气的仅有16家[3]。因此, 加强转炉煤气回收及其利用的研究刻不容缓。

煤气余热利用的研究。从节能的角度出发, 煤气的物理热应通过余热锅炉和烟气管道的冷却充分地回收和利用, 或将煤气的余热和余压用于发电而回收能源。煤气经过一定的处理和转换用作城市的供热和取暖技术的研究。由于安全的原因, 煤气应进行一定的处理和转换用于供热和取暖。煤气用作制取高附加值化工产品的研究。焦炉煤气中含有CH4的比例较高, 可采取近似天然气的工艺制取合成氨, 目前国内有少数厂家(如攀钢等) 生产。高炉煤气中由于含有的CO 比例不高(15 %~25 %),而含有的N2量很高(55 %~60 %),制取化工产品从经济的角度来说难度较大。转炉煤气含有CO 的量很高(依据煤气收集方式的不同达60 %~90 %),从理论上来说是一种很好的化工资源。转炉煤气可以用作制取合成氨、尿素、甲醇等产品。其基本原理是使CO 产生变换反应CO+H2O=H2+CO2。

这一反应是一可逆反应, 使用催化剂控制反应的平衡转化率。当制作合成氨时, 要求反应进行彻底, 在合成塔内经脱硫和脱CO2后与制氧机的副产品N2在催化作用下合成氨。NH3与脱下的CO2合成尿素(CO(NH2)2)。控制上述反应的平衡转化率使其部分转化为H2, 再经脱硫和脱CO2后, 将CO 和H2的混合气体合成甲醇。据理论估算并考虑到生产效率问题, 年产100万t 的转炉炼钢产生的煤气可

合成氨约5万t, 并可生产约10万t 的CO2。若年产600万t 钢的企业, 其煤气可合成氨30万t 左右, 相当于国家的一个大型或特大型氨厂的产量, 并且炼钢工艺和此合成氨工艺产生的N2和CO2的量对尿素合成所需的量来讲是足够的。因此, 用转炉煤气制造尿素有较好的技术经济优越性。

此外, 利用冶金炉煤气中的CO 还可制作碳黑、草酸等许多其他化工制品[4]。对于电炉烟气的利用, 国际上很重视。90年代以来, 相继开发出了双炉壳电炉、手指式竖炉电炉、炉料连续预热电炉(Consteel Furnace) 等多种方法对电炉烟气的物理热和化学热进行利用。我国新建和即将投产的一些电炉如宝钢、安阳钢铁公司、沙钢、珠钢和贵阳钢厂等单位具有电炉烟气预热废钢的功能。目前的当务之急是将国内已生产多年的电炉的烟气利用起来。据国外文献报道, 对超高功率电炉, 废钢在密闭容器内预热, 预热后的温度可达到300~500℃, 烟气中含有很高氧化铁的粉尘将大部分被废钢过滤而进入电炉内当作原料使用, 冶炼时间缩短8 min, 耐火材料消耗下降17 %,节电50kW ·h/t[5]。因此, 电炉烟气预热废钢的方法对环境保护、节能降耗、提高电炉工艺的竞争力均有重要意义。

电炉烟气中的粉尘含有较高的锌、铁和其他氧化物等物质, 粒度细, 是一种有毒有害物质。目前世界上对电炉粉尘利用的研究很重视。除废钢预热技术可明显降低电炉粉尘的排放外, 德国德马克公司开发了转底炉—埋弧电炉、瑞典Mefos 开发了空心电极直流电弧炉、德国鲁奇公司开发了回转窑及循环流化床处理含锌粉尘技术。也可将电炉粉尘和碳粉喷吹到高炉或其他熔融炉中代替一部分原燃料, 降低液态金属的成本[6]。还应探讨电炉粉尘制作高附加值氧化铁红等的技术。同样, 利用铁合金炉的烟气, 可在竖炉或回转窑内对铁合金生产所用原料进行预热。

2.2 冶金炉渣的全量和高附加值利用

钢铁生产中的冶金炉渣包括高炉渣、转炉渣、电炉渣和铁合金渣等, 目前大部分均得到了利用。但冶金炉渣远未达到全量和高附加值的利用水平。特别是我国共生复合矿炉渣的利用率还很低, 而这些炉渣中还含有多种宝贵资源。如攀枝花的钒钛磁铁矿, 钛的回收不到10 %,钒仅40 %左右, 其余10多种元素尚不能回收, 其高炉渣中含有24 %左右的TiO2; 白云鄂博复合铁矿的稀土元素的利用率仅3 %,铌的回收率

我国的冶金渣广泛用作制造各种类型的矿渣水泥。应加强冶金炉渣利用方法和利用经济性的研究。从经济的角度来说具有实用价值的资源综合利用和环境保护方法才能得到较好的推行。冶金炉渣依据冷却工艺的不同(急冷、慢冷和半急冷工艺) 还可以用作高速公路的路基材料(具有良好的漫反射性能, 道路明亮) 和铁路道渣、轻质混凝土的膨胀矿渣轻骨料(可用于高层建筑建设, 具有重量较轻、[7]

良好的隔热保温和隔音性能) 、农业肥料(可作为硅钙肥或土地改良剂使用, 可供给农作物微量元素并可提高农作物的抗倒伏能力) 、矿渣铸石和矿渣微晶玻璃(具有很高的耐磨、耐蚀、高强度和高的绝缘性能) 、矿渣棉和连续纤维(可作为保温材料、隔热材料、隔音材料和防火材料使用) 等。转炉渣中含有较高数量的铁(其比例可高达20 %),是一种具有较高利用价值的资源。转炉渣用得较广的还是作为制造水泥的原料使用。应针对转炉渣含铁高的特点, 研究渣铁分离的工艺和方法、渣铁分离后的利用问题。当采用某种工艺如风淬炉渣时, 炉渣中的渣铁不易分离, 这给制作水泥带来了困难, 目前重钢七厂的情况正是如此。转炉渣也可返回烧结和制作球团, 但应研究磷富集和转炉渣加入的最高比例问题[8]。

矿渣微晶玻璃(晶粒度

2.3 钢铁生产废水的处理和循环利用

冶金生产工艺的典型废水主要包括焦化废水、炼铁炼钢废水、轧钢废水、酸洗废水或废液等, 其中含有大量的有机物、主含氧化铁的尘泥或氧化铁皮、有毒物、油类物质和酸类物质等。目前的当务之急是要提高冶金废水的净化处理水平, 提高废水净化后的循环利用率, 对分离出来的尘泥、油类等物质进行全量综合利用, 并尽可能发挥出这些物质二次资源利用的经济水平。

废水的处理主要有物理法、化学法和生化法三类。将现代生物技术用于对环境污染的治理, 在近10年来得到了很大的发展, 实践已证明此法是一种经济效益与环境效益俱佳的、能源消耗少的解决严重环境问题最有效的手段[9]。应大力加强废水生化净化处理新方法的研究。如对焦化废水, 应开展节能型的、工艺简单的脱酚、脱氨和脱氮新方法的研究。在已有研究的基础上, 继续开展对冶金废水生化处理高效生物菌种的筛选工作。对高炉或转炉湿法除尘后废水中分离出来的瓦斯泥、转炉尘泥、轧钢废水分离出来的氧化铁皮(铁鳞) 等应进行全量和高附加值的综合利用。除通常用作烧结的原料外, 应研究用作高附加值产品如作铁红、粉末冶金材料、CO 转换为H2所用的催化剂和海绵铁等的技术。应经济地处理和分离热轧和冷轧废水中油类物质、从酸洗工序产生的废水或废液中回收酸类物质并进行利用的研究。

2.4 加强废气的治理, 降低有害物质的排放量

应完善对废气或烟气的收集方式和除尘技术的研究。废气收集过程中进入的空气应尽量少, 以充分利用烟气的物理热和有用的化学成分。除经济上的考虑外, 还应研究对废气的不同除尘方式的净化程度和对环境二次污染的影响, 以便优化

和改进现有的除尘方法。比如, 对转炉煤气的除尘, 通常采用的方法为湿法除尘, 但研究和实践表明,LT 干法除尘净化与湿法比较则具有突出的优越性。

冶金企业排放的废气中含有的气态污染物如SO2、NOx 等浓度比较低。因而, 要经济地进行处理和净化具有相当的难度。今后应从经济效益和环保效益两方面综合研究去除低浓度气态污染物的方法。特别应该提倡利用钢铁联合企业内部的资源, 包括二次资源处理和净化所排放的污染物。比如, 对于含SO2烟气的净化, 经过长期的实践证明, 最经济有效的方法还是碱液吸收法。研究对钢铁企业自备火力发电厂和烧结厂排放SO2较多的烟气, 用转炉

炼钢工序煤气湿法处理后含Ca(OH)2的碱性废水(只要pH>7即可) 处理将具有良好的经济效果, 并可减少资源的消耗。

应重视钢铁企业内部自备燃煤电厂排放的粉煤灰的利用技术研究。现在, 粉煤灰主要用作水泥添加剂、铺路、新型墙体材料等。但总的来说, 我国粉煤灰的利用率还很低。粉煤灰中由于含有较多的碳质材料、氧化铁、氧化镁、氧化铝等, 还含有具有良好保温性能的微珠。研究如何经济地分离这些物质并对分离出的物质进行较高附加值的利用是很重要的。总之, 对钢铁企业废气的治理, 其技术的发展应该是处理后的废气含尘量和气态污染物的残存量低, 能够充分利用废气中的物理热和化学物质, 治理技术具有良好的经济性。

3. 结论

(1)钢铁生产是引起环境污染的主要行业。要有效降低冶金企业的环境污染, 实现清洁生产, 促进钢铁生产的可持续发展, 必需进行冶金二次资源的综合利用, 节能降耗, 大力开展相关新技术新工艺的研究, 使之更好地与环境相协调。

(2)要充分地利用冶金炉的煤气及其热值, 对冶金炉渣、除尘净化得到的粉尘和尘泥等资源进行全量和高附加值的利用, 提高废水的处理效果和循环利用率。 参 考 文 献

1 殷瑞钰, 蔡九菊. 钢铁生产流程与大排放. 钢铁,1999,34(5):61～65. 2 刘焕俊. 冶金工业节能对策及目标. 中国冶金,1997,(4):7～10.

3 蒋汉华. 节能是发展钢铁工业的基础工作. 冶金能源,1997,16(6):8～11. 4 三废治理与利用编委会. 三废治理与利用. 北京:冶金工业出版社,1995. 5 李家瑞, 李文林, 朱宝珂. 钢铁工业环境保护. 北京:科学出版社,1990.

6 吴 铿, 杨天钧,H.W.Gudenau. 采用喷吹方法处理钢铁厂的细粉尘. 钢铁,1999,34(12):60～66.

7 王文忠, 车传仁. 关于冶金资源综合利用研究的几点思考. 中国冶金,1996,(2):35～37.

8 汪正洁. 烧结循环使用转炉渣磷富集的探讨. 钢铁,1997,32(9):65～67. 9 陈 坚. 环境生物技术. 北京:中国轻工业出版社,1999.