淺談我國(guó)鋼鐵工業(yè)的清潔生產(chǎn)

唐中琴 梁鐸強(qiáng)

(廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院)

0 引言

經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，使人們的生活水平不斷提高，各種基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，人們賴以生存的地球同時(shí)遭到嚴(yán)重破壞，影響了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。鋼鐵工業(yè)對(duì)資源和能源消耗量大，社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求鋼鐵工業(yè)實(shí)施清潔生產(chǎn)。面對(duì)鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)不斷開發(fā)應(yīng)用新技術(shù)新工藝，推行鋼鐵冶金行業(yè)的清潔生產(chǎn)，在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、冶金工藝優(yōu)化以及廢棄物綜合利用方面收到了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

鋼鐵冶金企業(yè)是高能耗、高污染的企業(yè)，推行清潔生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的必由之路［1］。隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，資源短缺、環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展成為人們關(guān)注的社會(huì)發(fā)展熱點(diǎn)［2］。近年來(lái)，許多國(guó)家圍繞著清潔生產(chǎn)不斷地開發(fā)出了許多新技術(shù)和新工藝，帶來(lái)的結(jié)果是能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、工藝的優(yōu)化革新和廢棄物的綜合利用，收到了可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。清潔生產(chǎn)是鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

1 清潔生產(chǎn)

清潔生產(chǎn)的起源來(lái)自于1960 的美國(guó)化學(xué)行業(yè)的污染預(yù)防審計(jì)。而“清潔生產(chǎn)”概念的出現(xiàn)，最早可追溯到1976年［3］。1992年聯(lián)合國(guó)“環(huán)發(fā)”大會(huì)正式提出清潔生產(chǎn)，世界上許多國(guó)家積極響應(yīng)，并把清潔生產(chǎn)作為實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要內(nèi)容，取得了顯著的成績(jī)，充分顯示了清潔生產(chǎn)的潛力及推行價(jià)值［4］。

1．1 清潔生產(chǎn)的定義

清潔生產(chǎn)在中國(guó)的定義，《中國(guó)21 世紀(jì)議程》定義:清潔生產(chǎn)是指既可滿足人們的需要又可合理使用自然資源和能源并保護(hù)環(huán)境的實(shí)用生產(chǎn)方法和措施，其實(shí)質(zhì)是一種物料和能耗最少的人類生產(chǎn)活動(dòng)的規(guī)劃和管理，將廢物減量化、資源化和無(wú)害化，或消滅于生產(chǎn)過(guò)程之中［5］。同時(shí)對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害的綠色產(chǎn)品的生產(chǎn)亦將隨著可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程的深入而日益成為今后產(chǎn)品生產(chǎn)的主導(dǎo)方向。清潔生產(chǎn)是一種新的創(chuàng)造性的思想，該思想將整體預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品和服務(wù)中，以提高生態(tài)效率和減少人類及環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)防范的整體戰(zhàn)略。

清潔生產(chǎn)的定義包含了兩個(gè)全過(guò)程控制:生產(chǎn)全過(guò)程和產(chǎn)品整個(gè)生命周期全過(guò)程。在生產(chǎn)過(guò)程中，清潔生產(chǎn)包括節(jié)約原材料與能源，盡可能不用有毒原材料并在生產(chǎn)過(guò)程中就減少它們的數(shù)量和毒性;對(duì)產(chǎn)品而言，則是從原材料獲取到產(chǎn)品最終處置過(guò)程中，使得盡可能減少對(duì)環(huán)境的影響［6］。

1．2 清潔生產(chǎn)的主要內(nèi)容

清潔生產(chǎn)的主要內(nèi)容:(1)清潔的能源;(2)清潔的生產(chǎn)過(guò)程;(3)清潔的產(chǎn)品;(4)清潔生產(chǎn)的全過(guò)程控制［7］。

清潔生產(chǎn)應(yīng)是環(huán)保和綠色制造的基礎(chǔ)，也就是強(qiáng)調(diào)以源頭治理為主，配合必要的末端治理來(lái)實(shí)現(xiàn)綠色制造，在推行清潔生產(chǎn)所進(jìn)行的全過(guò)程中包括必要的末端治理［8］。鋼鐵工業(yè)必要的末端治理集中在大氣污染防止、廢水處理會(huì)用和廢物資源化。鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的多種廢物必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)脑儋Y源化［9］，以防止二次污染，并回收有用物質(zhì)作為資源利用。

1．3 清潔生產(chǎn)的特點(diǎn)

清潔生產(chǎn)的特點(diǎn):(1)清潔生產(chǎn)提供了環(huán)境管理的預(yù)防途徑。(2)清潔生產(chǎn)是一種思維方式。(3)清潔生產(chǎn)不否定社會(huì)的發(fā)展。(4)清潔生產(chǎn)是“雙贏”策略。(5)清潔生產(chǎn)不同于末端治理。清潔生產(chǎn)與末端治理的不同［10］見表1。

表1 清潔生產(chǎn)與末端治理的不同

2 綠色的鋼鐵工業(yè)

我國(guó)鋼鐵工業(yè)經(jīng)建國(guó)50 多年的發(fā)展，已經(jīng)成為世界第一產(chǎn)鋼大國(guó)。目前，我國(guó)鋼鐵業(yè)的發(fā)展特點(diǎn):一是鋼鐵行業(yè)投資增長(zhǎng)過(guò)猛;二是鋼鐵產(chǎn)能過(guò)大，且低水平生產(chǎn)能力占相當(dāng)比重，增長(zhǎng)率大部分來(lái)自內(nèi)地的中、小企業(yè);三是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，高技術(shù)含量和高附加值產(chǎn)品不能自給，產(chǎn)品質(zhì)量不高，代表鋼鐵工業(yè)技術(shù)水平和鋼材消費(fèi)層次的板帶比低。我國(guó)鋼鐵工業(yè)的能耗現(xiàn)狀:高能耗、高污染。

綠色的鋼鐵工業(yè)是在清潔生產(chǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸、擴(kuò)展。綠色化重點(diǎn)技術(shù)主要包括以下3 個(gè)層次:一是普及、推廣一批成熟的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，如干熄焦C D Q 、轉(zhuǎn)爐煤氣回收、鋼廠發(fā)電綜合技術(shù)、鑄坯熱裝熱送、高爐噴吹煤粉等技術(shù);二是投資開發(fā)一批有效的生態(tài)化技術(shù):高爐噴吹廢塑料或焦?fàn)t處理廢塑料、燒結(jié)煙氣脫硫等技術(shù);三是探索研究一批未來(lái)的生態(tài)化技術(shù):熔融還原煉鐵技術(shù)及新能源開發(fā)、新型焦?fàn)t技術(shù)和垃圾資源化處理等與社會(huì)友好的廢棄物處理技術(shù)［11］。

清潔生產(chǎn)作為工程技術(shù)經(jīng)歷了一段認(rèn)識(shí)發(fā)展的過(guò)程。這種進(jìn)程既有從微觀、介觀到宏觀、整體的發(fā)展進(jìn)程;又有從宏觀頂層整體設(shè)計(jì)到微觀介觀的發(fā)展進(jìn)程［12］。

3 鋼鐵工業(yè)現(xiàn)有流程的清潔生產(chǎn)

鋼鐵產(chǎn)品主要依靠鐵礦石、煤為主要原料的高爐—轉(zhuǎn)爐—連鑄—熱軋流程和主要依靠廢鋼為原料的電爐—連鑄—熱軋流程生產(chǎn)。對(duì)于鋼鐵工業(yè)的現(xiàn)有流程，要實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和使產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力，鋼鐵企業(yè)必須大幅度地降低原材料消耗，節(jié)省能源，減少生產(chǎn)中排放的的環(huán)境污染物，最大限度地進(jìn)行二次資源的綜合利用，建設(shè)冶金“三廢”處理和利用的循環(huán)流程，如廢水的處理及循環(huán)利用等設(shè)施，提高鋼鐵制品質(zhì)量，降低鋼鐵的消耗量［13］。

鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響較大，它的清潔生產(chǎn)將對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量，和可持續(xù)性發(fā)展起到重要作用。

3．1 燒潔工序清潔生產(chǎn)技術(shù)

球團(tuán)燒結(jié)、小球燒結(jié)工藝是先將礦粉和熔劑按一定比例混合造球，并在球外滾上一層焦粉，然后再在燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行燒結(jié)。小球燒結(jié)工藝可在一個(gè)簡(jiǎn)單生產(chǎn)工藝中，同時(shí)使用燒結(jié)原料和球團(tuán)原料。球團(tuán)燒結(jié)、小球燒結(jié)工藝生成的產(chǎn)品為球團(tuán)燒結(jié)礦，其還原度和低溫還原粉化率均有所改善?？朔藷Y(jié)礦粒度不夠均勻和球團(tuán)礦的高溫還原度低和軟化性能差的缺點(diǎn)。因?yàn)樾∏驘Y(jié)料粒度均勻，強(qiáng)度較好，改善了料層內(nèi)部的氣體動(dòng)力分布狀況，同時(shí)也改善了水分蒸發(fā)條件，使干燥帶厚度減薄。由于小球料的堆比重和粒度較大，燃料分布均勻，使小球在燒結(jié)軟化后生成的燒結(jié)餅的單位阻力比普通料略高，克服了普通燒結(jié)過(guò)程中風(fēng)量分布不合理的現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品的強(qiáng)度。采用球團(tuán)燒結(jié)、小球燒結(jié)工藝可降低能耗20%左右。

解決燒結(jié)煙氣二氧化硫排放的最終手段是煙氣脫硫。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)愈來(lái)愈嚴(yán)，環(huán)保要求愈來(lái)愈高，從清潔生產(chǎn)角度講，燒結(jié)煙氣脫硫是必然趨勢(shì)。氨—硫酸銨煙氣脫硫工藝由兩部分組成，一是焦?fàn)t煤氣中氨的利用，二是焦?fàn)t煤氣中的氨與燒結(jié)廢氣中二氧化硫反應(yīng)副產(chǎn)品——硫酸銨的回收。對(duì)有焦?fàn)t的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來(lái)說(shuō)，這是最經(jīng)濟(jì)有效的煙氣脫硫方法。氨—硫酸銨煙氣脫硫系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖1 氨—硫酸銨脫硫工藝流程

3．2 焦化工序清潔生產(chǎn)技術(shù)

煉焦生產(chǎn)是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的重點(diǎn)工序，是鋼鐵工業(yè)的主要廢水、廢氣污染源之一。煉焦工序的節(jié)能大致上分為:降低干餾熱量、提高焦?fàn)t熱效率的措施，回收干餾時(shí)產(chǎn)生各種廢熱的措施及輔助設(shè)備的節(jié)電措施。

提高熱效率的措施，是根據(jù)裝入的煤炭特性及干餾情況的信息，采取恒定控制干餾時(shí)間的燃燒管理自動(dòng)控制與程序加熱法。此外，在減少裝入煤炭水分、降低干餾熱量的同時(shí)，也采取提高生產(chǎn)率及改進(jìn)焦炭強(qiáng)度的煤炭調(diào)濕法。

余熱回收方面是采用干熄焦法(CDQ)，把干餾后擁有最大潛熱量的焦炭顯熱回收，以蒸汽或電力形式加以利用。其他的廢熱有焦?fàn)t煤氣(COG)及焦?fàn)t燃燒廢氣的顯熱。

此外，輔助設(shè)備的節(jié)能措施是節(jié)約除塵風(fēng)機(jī)等的用電。此外還可以調(diào)整裝媒溫度，焦?fàn)t燃燒管理自動(dòng)化控制，干熄焦技術(shù)，降低爐體散熱技術(shù)，提高焦油化工付產(chǎn)物的回收率及利用率，等措施實(shí)現(xiàn)焦化工序清潔生產(chǎn)。

3．3 煉鐵工序清潔生產(chǎn)技術(shù)

煉鐵工序是鋼鐵生產(chǎn)的主要工序，也是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的耗能和用水大戶，其工序能耗約占總能耗的41%，用水量占總用量的20%左右。煉鐵生產(chǎn)的廢氣廢水污染也比較嚴(yán)重。因此，在煉鐵工序大力推行清潔生產(chǎn)，對(duì)企業(yè)的節(jié)能、降耗、減污和增效，具有十分重要的作用。

高爐富氧噴煤技術(shù)，是世界煉鐵工業(yè)迅速發(fā)展的重大技術(shù)之一，受到各國(guó)的重視，取得了飛速發(fā)展。該技術(shù)是通過(guò)在高爐冶煉過(guò)程中噴入大量的煤粉和一定量的氧氣，強(qiáng)化高爐冶煉，達(dá)到提高產(chǎn)量、節(jié)約焦炭、降低能耗的目的。為了回收高爐煤氣的物理能，設(shè)置高爐爐頂余壓透平設(shè)施，將煤氣的壓力能、熱能轉(zhuǎn)換為電能，是一種回收能源的有效方法。其工藝流程為:從高爐爐頂出來(lái)的煤氣(0．2 Mpa 左右)，經(jīng)過(guò)重力除塵器和一級(jí)、二級(jí)文氏管(濕式)/布袋除塵器(干式)除塵以后，從TRT 煤氣管道經(jīng)過(guò)截止閥、緊急截止閥和流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入透平機(jī)，利用高爐煤氣的余壓和熱能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電后的煤氣進(jìn)入調(diào)壓閥組后的煤氣管網(wǎng)。發(fā)出的電能可公司使用也可進(jìn)入電網(wǎng)。

3．4 煉鋼工序清潔生產(chǎn)技術(shù)

連鑄可直接從鋼水澆鑄成鋼坯，省去了脫錠、整模、均熱、開坯等一系列中間工序的設(shè)備，使鋼坯的生產(chǎn)流程大為縮短和簡(jiǎn)化，由此可節(jié)省大量資金。由于連鑄省掉了均熱爐內(nèi)再加熱工序，可使能量消耗減少50% ～70%。由于連鑄從根本上消除了模鑄的中注管和湯道的殘鋼損失，因而使鋼水收得率提高;又因連鑄鋼坯減少了初軋開坯時(shí)金屬損耗和不需要每根鋼錠切去7%的坯頭，因而成材率可提高10% ～15%。模鑄生產(chǎn)是在高溫多塵條件下工作的，連鑄機(jī)使鑄錠工作機(jī)械化，從根本上改變了模鑄工作條件，并為鋼鐵生產(chǎn)向連續(xù)化、自動(dòng)化發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。連鑄的最大特點(diǎn)，就是邊澆注，邊凝固，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻條件，實(shí)現(xiàn)合理的冷卻，使鑄坯結(jié)晶過(guò)程穩(wěn)定。內(nèi)部組織致密，化學(xué)成分偏析及內(nèi)部低倍缺陷都減少了。

3．5 軋鋼工序清潔生產(chǎn)技術(shù)

利用連鑄坯冶金熱能，節(jié)約能源消耗;提高成材率，節(jié)約金屬消耗;簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，減少占用廠房面積和運(yùn)輸?shù)雀黜?xiàng)設(shè)備，節(jié)約基建投資和生產(chǎn)費(fèi)用;大大縮短生產(chǎn)周期，從投料煉鋼到軋出成品僅需要幾個(gè)小時(shí)，直接軋制時(shí)，從鋼水澆注到軋出成品只需要十幾分鐘，從而增加生產(chǎn)調(diào)度及資金周轉(zhuǎn)的靈活性;提高產(chǎn)品質(zhì)量。

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是污染物排放量較大，對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)之一，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)量也在逐年增加，為了維護(hù)和保護(hù)人類生存的環(huán)境，為了社會(huì)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，在鋼鐵企業(yè)中推行清潔生產(chǎn)是勢(shì)在必行的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、開發(fā)利用清潔能源和替代能源是實(shí)現(xiàn)鋼鐵冶金清潔生產(chǎn) 的有效途徑;綜合利用鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的二次能源是實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的必要措施;發(fā)展高效生產(chǎn)的新技術(shù)新工藝是推行清潔生產(chǎn)的根本動(dòng)力。鋼鐵生產(chǎn)是引起環(huán)境污染的主要行業(yè)。要有效降低冶金企業(yè)的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，促進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，必需進(jìn)行冶金二次資源的綜合利用，節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，大力開展相關(guān)新技術(shù)新工藝的研究，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)，使之更好地與環(huán)境相協(xié)調(diào)。

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