鋼鐵有色行業(yè)水資源高效循環(huán)利用技術(shù)及示范

張書(shū)廷*，呂學(xué)斌

（天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”

鋼鐵有色行業(yè)水資源高效循環(huán)利用技術(shù)及示范

張書(shū)廷*，呂學(xué)斌

（天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

鋼鐵有色工業(yè)是規(guī)模龐大的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是高耗水行業(yè)。多年來(lái)，為適應(yīng)我國(guó)嚴(yán)重缺水的國(guó)情，通過(guò)干法除塵、多級(jí)串級(jí)供水等諸多節(jié)水技術(shù)及策略，取得了顯著的節(jié)水效果。但是，作為高耗水和長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的行業(yè)，在諸多工序仍存在著耗水多、回用不足的突出問(wèn)題，在工藝節(jié)水、水替代、廢水處理等方面還存在著關(guān)鍵技術(shù)難題，阻礙著行業(yè)耗水的進(jìn)一步降低，與我國(guó)嚴(yán)重缺水的國(guó)情用水要求之間的矛盾還很突出。

縱觀鋼鐵有色全產(chǎn)業(yè)鏈可知，鋼鐵有色工業(yè)的耗水主要發(fā)生在幾個(gè)共性的高耗水過(guò)程單元和高耗水環(huán)節(jié)及工藝。如冶金的主流工藝是火法冶煉，其基本特點(diǎn)是將物料加熱到高溫后再冷卻，冷卻過(guò)程以水為介質(zhì)，升溫后的水需要通過(guò)蒸發(fā)降溫再利用也即循環(huán)冷卻，循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)耗水巨大；同時(shí)，各種反復(fù)循環(huán)使用帶來(lái)的濃縮水排放、大量產(chǎn)生的含硫煙氣的脫硫等操作單元，也是冶金行業(yè)的主要共性高耗水過(guò)程單元。另外，鋼鐵有色行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈上存在著幾個(gè)非常突出的高耗水工序和高耗水工藝，如焦化行業(yè)荒煤氣冷卻、蒸氨的蒸汽冷凝、選礦沉降庫(kù)蒸騰和滲漏等，現(xiàn)行的釩冶煉、錫冶煉工藝等。另一方面，冶金行業(yè)不僅耗水量大，而且進(jìn)入了低利微利時(shí)代，節(jié)水措施的實(shí)施需要有經(jīng)濟(jì)效益的支撐和保障。因此，只有有效益的節(jié)水，才能得到應(yīng)用和普及。

基于上述問(wèn)題，2016年10月，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“水資源高效開(kāi)發(fā)利用”重點(diǎn)專項(xiàng)“鋼鐵有色行業(yè)水資源高效循環(huán)利用技術(shù)及示范”項(xiàng)目正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目由天津大學(xué)牽頭，河鋼集團(tuán)有限公司、邢臺(tái)旭陽(yáng)煤化工有限公司、昆明理工大學(xué)、大禹偉業(yè)（北京）國(guó)際科技有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司、昆明鼎邦科技有限公司、河南鑫磊能源有限公司、中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司、北京科技大學(xué)等11家單位共同參與，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是張書(shū)廷教授。項(xiàng)目投入總經(jīng)費(fèi)8197萬(wàn)，其中：中央財(cái)政經(jīng)費(fèi)2197萬(wàn)，執(zhí)行年限為2016年7月到2020年6月。

本項(xiàng)目在降低行業(yè)耗水的同時(shí)兼顧區(qū)域性產(chǎn)業(yè)高耗水和局部性水問(wèn)題的解決，提煉了8個(gè)課題進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)和示范，擬分別從以下三方面實(shí)現(xiàn)節(jié)水達(dá)到水資源的高效利用。

1 行業(yè)共性高耗水過(guò)程單元的節(jié)水

（1）冶金行業(yè)循環(huán)冷卻水的氣溫隨動(dòng)多介質(zhì)制冷節(jié)水技術(shù)

冶金工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)冷卻能力要求嚴(yán)格，單純空氣冷卻要滿足盛夏高溫時(shí)段的冷卻要求，就需要十分龐大的裝備。本課題著眼于空氣冷卻能力隨大氣溫度變動(dòng)與滿足工業(yè)冷卻穩(wěn)定負(fù)荷要求之間的時(shí)段特征，探索空氣冷卻—輔以末端機(jī)械制冷控溫—盛夏滲水汽化負(fù)荷削峰的多介質(zhì)氣溫隨動(dòng)冷卻模式；通過(guò)應(yīng)用所開(kāi)發(fā)的短程梯級(jí)滲流液膜兩棲—節(jié)點(diǎn)雙回路高效空冷器，做到無(wú)液滴夾帶削峰液膜滲流、無(wú)垢氣水復(fù)合及內(nèi)循環(huán)水路隨動(dòng)耦合，實(shí)施夜間谷電儲(chǔ)冷水白天高溫段冷卻進(jìn)行末端控溫的機(jī)械制冷運(yùn)行方式。與傳統(tǒng)的空氣冷卻相比，本技術(shù)可大幅降低設(shè)備投資，實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻水的低成本空氣冷卻。

（2）高鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶脫鹽及回用技術(shù)

利用開(kāi)發(fā)成功的新型蒸發(fā)結(jié)晶器及高濃液多效蒸發(fā)系統(tǒng)，結(jié)合高效媒晶劑，解決高鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶脫鹽過(guò)程結(jié)垢嚴(yán)重的難題。通過(guò)裝備創(chuàng)新（集成新型結(jié)晶器及高濃液多效蒸發(fā)等），藥劑創(chuàng)新（高效媒晶劑）相耦合，實(shí)現(xiàn)高效低成本濃鹽廢水的高回用率及鹽資源化，解決水循環(huán)利用中濃縮水去向的突出問(wèn)題。

（3）節(jié)水節(jié)能型冶煉煙氣凈化與資源化技術(shù)集成

針對(duì)冶煉煙氣中SO2吸收解吸濃縮資源化、吸收劑再生循環(huán)利用的脫硫工藝中，冷凝耗水和廢液排放的高耗水，依據(jù)所開(kāi)發(fā)的新型離子液吸收劑的優(yōu)勢(shì)，提出“化學(xué)作用-溶劑化作用-物理作用”多重機(jī)理協(xié)同強(qiáng)化煙氣脫硫方法，形成高效可再生的新型脫硫吸收劑及其相關(guān)技術(shù)。由于新型吸收劑的富液熱解吸所需能量較低，降低了解吸能耗所致的冷凝水耗，同時(shí)使去除雜質(zhì)的離子交換廢液量減少，實(shí)現(xiàn)低耗水的冶煉煙氣脫硫與資源化。

2 高耗水工藝環(huán)節(jié)的源頭節(jié)水

（1）煉焦煤多效密相分級(jí)干燥節(jié)水節(jié)能增效技術(shù)

將煉焦煤分級(jí)后大顆粒進(jìn)行深度干燥，深度降低水分，細(xì)粉凝聚顆?；驕\度干燥，既降低了煤炭水分，又極大地降低了裝煤過(guò)程的粉塵發(fā)生量，為煉焦煤干燥的工業(yè)應(yīng)用掃除障礙；所開(kāi)發(fā)的煤炭多效移動(dòng)床密相干燥技術(shù)，在大幅降低設(shè)備投資的同時(shí)，大幅降低了荒煤氣冷卻能耗和水蒸汽冷凝放散造成的水消耗，也為降低優(yōu)質(zhì)煉焦煤使用比例，降耗增效提供一條經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)手段。

（2）密閉汽化熄焦廢水炭化處理節(jié)能節(jié)水技術(shù)

通過(guò)開(kāi)發(fā)成功的既能密封承壓又能耐高溫急冷急熱的熄焦罐、快開(kāi)快關(guān)的鎖緊機(jī)構(gòu)及均勻熄焦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)密閉狀態(tài)下直接向紅焦炭噴灑剩余氨水，在熄焦的同時(shí)產(chǎn)生帶壓蒸汽、經(jīng)熱能利用后再使蒸汽凝縮的熄焦和廢水源頭處理。由密閉熄焦替代蒸氨過(guò)程，省去化產(chǎn)車間最大的耗能工序，由此省去了蒸氨凝縮的冷卻水蒸發(fā)損耗，達(dá)到節(jié)水的目的，并解決廢水難降解和蒸氨耗能問(wèn)題，開(kāi)創(chuàng)一種傳統(tǒng)濕熄焦和干熄焦之外的另一種熄焦技術(shù)路線。

（3）浮選及尾礦處理復(fù)合官能團(tuán)分離劑及應(yīng)用技術(shù)

針對(duì)現(xiàn)行選礦所需大型壩庫(kù)導(dǎo)致的蒸騰和滲漏的高耗水問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了新型浮選及尾礦處理合一的復(fù)合官能團(tuán)藥劑，在基本不改變?cè)泄に嚭椭饕O(shè)備的情況下，直接替代現(xiàn)有添加劑和調(diào)整劑，通過(guò)多功能選礦添加劑及其應(yīng)用技術(shù)，有效提高難選，復(fù)雜或多泥礦石選礦回收率，增強(qiáng)尾礦在固液分離中的脫水效果和有效利用回水。在提高礦石浮選效率和效果的基礎(chǔ)上，促進(jìn)尾礦快速固液分離，減少沉降庫(kù)的蒸騰和滲漏水損失，達(dá)到節(jié)水目的。

項(xiàng)目總體技術(shù)路線圖

3 高耗水工藝的工藝革新節(jié)水

在總體耗水方面，有色冶金工業(yè)雖遠(yuǎn)少于鋼鐵行業(yè)，但對(duì)產(chǎn)業(yè)集中的區(qū)域而言，解決有色冶金耗水帶來(lái)的缺水問(wèn)題也是重要課題。本項(xiàng)目針對(duì)釩冶煉和錫冶煉進(jìn)行節(jié)水技術(shù)開(kāi)發(fā)并示范。

（1）釩冶金廢水源頭消減技術(shù)

開(kāi)發(fā)以釩渣亞熔鹽低溫液相氧化、鹽析結(jié)晶分離-鈣化轉(zhuǎn)型、釩酸鈣銨化清潔提釩新工藝，解決傳統(tǒng)鈉化焙燒提釩工藝帶來(lái)的酸性氨氮廢水問(wèn)題，及鈣法焙燒提釩工藝帶來(lái)的釩收率低產(chǎn)生有毒尾渣的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了釩化工工藝的綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)和工藝變革節(jié)水。同時(shí)避免了傳統(tǒng)生產(chǎn)高純釩過(guò)程中水耗大、污染重的問(wèn)題。

（2）粗錫精煉短流程節(jié)水技術(shù)

開(kāi)發(fā)以結(jié)晶—真空蒸餾為核心的粗錫短流程精煉新技術(shù)，熔析凝析除鐵、利用各元素在氣—液—固相間的分布規(guī)律差異，通過(guò)結(jié)晶分離和真空蒸餾脫除錫中鉛、鉍、銀等雜質(zhì)，研發(fā)結(jié)晶和真空蒸餾單元技術(shù)與協(xié)同工藝，及新裝備并示范。新技術(shù)能夠提高錫收率、并高效回收粗錫中鉛、銻、砷、銀、鉍等，減少固廢排放，省去傳統(tǒng)的電解精煉工序，通過(guò)技術(shù)工藝變革實(shí)現(xiàn)源頭節(jié)水。

通過(guò)應(yīng)用本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步深化、完善、示范及應(yīng)用，可顯著降低鋼鐵行業(yè)的耗水量，使粗鋼單位產(chǎn)品耗水量降低15%，噸釩錫的耗水量降低 20%。按2015年全國(guó)粗鋼產(chǎn)量8億噸，噸鋼耗水量4.0 m3計(jì)算，本項(xiàng)目技術(shù)在占全國(guó)80%的鋼鐵產(chǎn)量的企業(yè)中得到應(yīng)用，每年可節(jié)約用水約3.84 億噸。同時(shí)，通過(guò)本項(xiàng)目技術(shù)的應(yīng)用，在提高鋼鐵有色行業(yè)水資源利用效率的同時(shí)，還可降低設(shè)備成本、減少消耗、增加收益，通過(guò)工業(yè)過(guò)程節(jié)水，為實(shí)現(xiàn)增效益的節(jié)水和能普及的節(jié)水提供有效的技術(shù)手段。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.02.105

*責(zé)任作者： 張書(shū)廷（1956—），男，教授，天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向?yàn)樗Y源高效利用，E-mail：stzhang@tju.edu.cn。