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我國鋼鐵企業(yè)固體廢棄物資源化處理模式和發(fā)展方向

分類:固廢觀察 > 固廢處理    發(fā)布時(shí)間:2018年1月10日 14:15    作者:來源:鋼鐵技術(shù)網(wǎng) 作者:張壽榮等    文章來源:北極星固廢網(wǎng)

摘 要:本文論述了我國鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)理念和綠色環(huán)保的新特點(diǎn),討論了鋼鐵廠從焦化、球團(tuán)、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼和軋鋼及配套系統(tǒng)全工序產(chǎn)生的固廢產(chǎn)物種類和相關(guān)冶金特性,研究不同種類固廢產(chǎn)物的處理模式。重點(diǎn)針對(duì)工程堆放和外銷類固體廢棄資源,深入探討 “含有害元素除塵灰處理方”、“危險(xiǎn)廢棄物處置”和“冶金渣高溫轉(zhuǎn)換與余熱回收方式”的難題,并圍繞這些難題創(chuàng)造性地提出了鋼鐵企業(yè)固廢產(chǎn)物大平臺(tái)處理的總體技術(shù)發(fā)展路線,希望能為今后我國的鋼鐵企業(yè)固體廢棄物實(shí)現(xiàn)“零排放”起到促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞:鋼鐵企業(yè),固體廢棄物,再利用,零排放

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是高消耗、高排放行業(yè),整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈最大排放是鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的固體廢棄物。2015 年,我國粗鋼產(chǎn)量 8.04 億噸,以每噸鋼產(chǎn)生固體廢棄物 600~800kg 估算,全年共產(chǎn)生固體廢棄物 4.8 億~6.4 億噸,主要構(gòu)成為冶煉過程形成的爐渣、含鐵塵泥、燒結(jié)脫硫產(chǎn)物等,僅冶金渣就超過 2 億噸 [1] 。固體廢棄物占用大量的土地資源,污染周邊環(huán)境,為此,提高鋼鐵流程固體廢棄物資源化高附加值利用是鋼鐵企業(yè)必須解決的重大問題。

近年來,我國先后建成數(shù)家先進(jìn)長流程大型鋼鐵廠,大幅增強(qiáng)了我國鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)綜合實(shí)力。鋼鐵廠側(cè)重打造多元化功能,提升“鋼鐵產(chǎn)品制造”、“鋼鐵生產(chǎn)能源轉(zhuǎn)換”和“鋼鐵廢棄物消納-處理和資源化”的多平臺(tái)綜合能力 [2] 。緊緊圍繞“節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建立節(jié)約型企業(yè)、實(shí)現(xiàn)資源再利用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、打造綠色鋼鐵”的指導(dǎo)方針,努力探索冶金固體廢棄物資源化處理的新途徑 [3] 。

本文以年粗鋼生產(chǎn)規(guī)模 900 萬噸的鋼鐵廠為研究對(duì)象,闡述其綠色環(huán)保發(fā)展特點(diǎn),分析鋼鐵生產(chǎn)全流程,包括焦化、球團(tuán)、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼和軋鋼及配套系統(tǒng)工序的固廢種類和冶金特性。針對(duì)不同類型的固體廢棄物,重點(diǎn)研究抓好資源高效處理的技術(shù)手段與措施,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐指出包括“有害元素除塵灰處理”、 “危險(xiǎn)廢棄物處置”、“冶金渣高溫轉(zhuǎn)換與余熱回收方式”等有待進(jìn)一步優(yōu)化解決的問題,并勾勒出打造固體廢棄物處理大平臺(tái)的工作路線。

1 我國鋼鐵企業(yè)綠色發(fā)展新特點(diǎn)

我國是全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費(fèi)國,2016 年我國粗鋼產(chǎn)量 8.08 億噸,占世界粗鋼總產(chǎn)量 49.6%。

支撐我國大規(guī)模鋼鐵生產(chǎn)的主要是以“高爐、轉(zhuǎn)爐”為主的長流程鋼鐵企業(yè)。我國鋼產(chǎn)量中約 90%采用長流程生產(chǎn) [4] 。

近年我國陸續(xù)投產(chǎn)了一批先進(jìn)長流程生產(chǎn)工藝的鋼鐵廠,包括鞍鋼鲅魚圈鋼鐵廠,首鋼京唐曹妃甸鋼鐵廠、寶鋼股份湛江鋼鐵廠等,這些廠在規(guī)劃建設(shè)之初就規(guī)避了以往鋼鐵廠“工程投資高、生產(chǎn)成本高、能耗高、碳排放高”的被動(dòng)局面,側(cè)重打造“節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展”的新特點(diǎn)。

2010 年,首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司一期工程竣工,建有 7.63m 大型焦?fàn)t、550m 2 燒結(jié)機(jī)、504m 3球團(tuán)帶式焙燒機(jī)、5500m 3 超大型高爐、300t 大型轉(zhuǎn)爐及連鑄、冷熱軋產(chǎn)線等先進(jìn)裝備。建設(shè)期間,堅(jiān)持以“減量化、再利用、資源化”為原則,加大對(duì)余熱、余壓、余氣、廢水、含鐵物質(zhì)和固體廢棄物的循環(huán)利用[5] 。投產(chǎn)后,該廠噸鋼綜合能耗、噸鋼耗新水、噸鋼粉塵排放量等指標(biāo)均達(dá)到世界一流水平。寶鋼股份湛江鋼鐵基地項(xiàng)目?jī)?yōu)先考慮減少資源、能源消耗和污染物排放,盡可能在企業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)固體廢棄物資源化利用,兼顧資源再循環(huán)利用,實(shí)現(xiàn)了“高效率、低消耗和低排放” [ 6] 。

我國“十三五”期間將繼續(xù)加快處理鋼鐵工業(yè)大宗固體廢棄物的發(fā)展步伐,國務(wù)院發(fā)布的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中明確了節(jié)能減排工作的主要目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù),并要求鋼鐵行業(yè)把“綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展、兩化融合”作為實(shí)施途徑,大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),拓寬鋼鐵生產(chǎn)流程中固體廢棄物協(xié)同處置渠道 [7] 。由此,要全面實(shí)現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn),固體廢棄物再利用和全量處理是需要重點(diǎn)解決的課題。

2 我國鋼鐵企業(yè)固體廢棄物資源化處理模式探討

2.1 固體廢棄物產(chǎn)生情況與特性分析

以年粗鋼生產(chǎn)規(guī)模約 900 萬噸的某長流程鋼鐵廠為研究對(duì)象,統(tǒng)計(jì)得出伴隨鋼鐵生產(chǎn)各工序年形成固體廢棄物約 608.5 萬噸,主要為 “含鐵類固廢產(chǎn)物”、“含碳類固廢產(chǎn)物”和“其他類固廢產(chǎn)物 ”3 類。

2.1.1 含鐵類固體廢棄物

圖 1 和 2 分別為主要含鐵類固體廢棄物細(xì)分情況和產(chǎn)量分布,合計(jì)產(chǎn)生 26 種約 253 萬噸,噸鋼產(chǎn)生量約 280kg。其中,鐵前與煉鐵工序產(chǎn)生 9 種,占總重的 29.8%;煉鋼工序產(chǎn)生 8 種,占總重的 58.5%、軋鋼和其他工序產(chǎn)生 9 種,占總重的 11.7%。

表 1 是 3 種含鐵類固廢產(chǎn)主要化學(xué)成分,產(chǎn)物含較高鐵錳等元素,利用價(jià)值很大。




2.1.2 含碳類固體廢棄物

圖 3 為各工序含碳類固體廢棄物細(xì)分情況,包括篩下焦末、焦化環(huán)境灰、生化污泥和焦油渣。


表 2 是各種含碳類固體廢棄物年產(chǎn)生量,總計(jì)約55.5 萬噸,相當(dāng)于噸鋼產(chǎn)生量 65kg,篩下焦末占比達(dá)87.5%,主要作為燒結(jié)燃料使用。

表 3 是典型含碳類固體廢棄物主要化學(xué)成分,碳含量較高,適合回收利用。


2.1.3 其他類固體廢棄物

其他類固廢年產(chǎn)生量約 300 萬噸,主要包括:煉鐵工序產(chǎn)生的脫硫灰、高爐渣,配套電廠產(chǎn)生的粉煤灰及爐渣,廢棄耐火磚和冷軋工序鋅渣等,其中高爐渣占比約 90%,目前水淬高爐渣細(xì)磨成超細(xì)粉用于建筑工程。

2.2 固體廢棄物資源化再利用實(shí)踐

鋼廠是生態(tài)工業(yè)鏈中重要的一環(huán),而固體廢棄物再利用是鋼鐵廠重新獲取資源的重要渠道之一 [8] 。鋼廠結(jié)合自身技術(shù)工藝特性,選擇經(jīng)濟(jì)合理的再利用策略,確定內(nèi)部循環(huán)使用路徑。對(duì)于暫時(shí)不能處理的固體廢棄物采用工程堆存或外銷的處理模式。

2.2.1 鋼鐵流程內(nèi)部循環(huán)使用

圖 4 為主流程清潔生產(chǎn)內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)路徑,綜合考慮各種固體廢棄物的冶金性能、產(chǎn)生量與煉鐵-煉鋼工序相匹配等因素,盡量利用不同過程的排放物、廢棄物和剩余能量進(jìn)行過程間體系設(shè)計(jì)。

含鐵類固體廢棄物中,約有 133.5 萬噸在鋼廠內(nèi)循環(huán)使用,占總產(chǎn)生量的 52.9%,具體如下:

(1)鐵前和煉鐵工序:礦料場(chǎng)、球團(tuán)料場(chǎng)、廠際間轉(zhuǎn)運(yùn)站和高爐產(chǎn)生的除塵灰由吸排車運(yùn)送到礦料場(chǎng),配入混勻礦使用。燒結(jié)廠內(nèi)部除塵灰由管道輸送進(jìn)入燒結(jié)灰倉搭配使用,球團(tuán)環(huán)境灰進(jìn)入球團(tuán)灰倉自循環(huán)使用。

各類粉塵灰耗用是處理難點(diǎn),2011 年韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司粉塵排放量為 0.11kg/t 鋼,同期我國重點(diǎn)企業(yè)達(dá)0.99kg/t 鋼 [9] ,差異明顯。為此在粉塵灰產(chǎn)出量高的鐵前和煉鐵工序大量增加小倉,把廠內(nèi)產(chǎn)生量多而且種類各異的灰塵配入鋼鐵流程中使用。

(2)煉鋼工序:煉鋼一次灰應(yīng)用于冷固球團(tuán)造球后供煉鋼使用,煉鋼產(chǎn)生的氧化鐵皮、脫硫渣進(jìn)入混勻礦或煉鋼回用,渣鋼和鑄余鋼作為廢鋼回用,小粒鋼渣配入混勻礦使用。

(3)軋鋼工序:熱軋氧化鐵皮運(yùn)到礦料場(chǎng)配入混勻礦,用于燒結(jié)。熱軋油泥干燥后鐵含量 50%~60%且粒度較細(xì),供球團(tuán)使用。冷軋酸再生泥餅直接在球團(tuán)配用。

含碳類固體廢棄物已實(shí)現(xiàn)鋼廠 100%內(nèi)部循環(huán)。篩下焦末供燒結(jié)使用,焦化環(huán)境灰、焦化生化池的焦油渣和焦化生化污泥配入型煤,實(shí)現(xiàn)了無害化回用。


2.2.2 工程堆存或外銷

針對(duì)目前不能處理的固體廢棄物,鋼廠采用工程堆存或外銷的處理方式。每年約有 92 萬噸煉鋼渣悶渣提取渣鋼后的尾渣需要堆存。成為鋼廠急需解決的難題。

其他類固廢產(chǎn)物基本采用外銷方式,包括高爐渣、冷軋的氧化鐵粉等。每年約有 27 萬噸的含鐵類固體廢棄物外銷。

3 固廢資源化利用存在問題的探討

3.1 含有害元素的除塵灰處理方式

鋼廠每年產(chǎn)生含鉀、鈉、鋅等有害元素的固體廢棄物約 8.5 萬噸,表 4 是兩種典型產(chǎn)物的檢測(cè)成分。


含鉀、鈉、鋅、鉛等有害元素的固體廢棄物在高爐中循環(huán)富集對(duì)生產(chǎn)危害極大,造成高爐懸料、結(jié)瘤、爐況不順等惡劣影響。實(shí)踐證明,含 Zn 超過 2.0%以上的除塵灰循環(huán)利用會(huì)明顯增加高爐的鋅負(fù)荷,影響高爐穩(wěn)定生產(chǎn) [10] 。部分企業(yè)為了控制鋅負(fù)荷而配置轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線來處理含鋅塵泥,但是處理費(fèi)用高,有必要探尋更優(yōu)更經(jīng)濟(jì)的處理方法。

3.2 危險(xiǎn)廢棄物處置方式

鋼廠每年產(chǎn)生約 5000t 的含油垃圾、含油污泥等危險(xiǎn)廢棄產(chǎn)物,其處理費(fèi)用貴。我國危險(xiǎn)廢棄物處理處在初級(jí)階段,處理能力存在較大缺口 [11] 。為降低鋼廠處理成本,結(jié)合鋼廠危險(xiǎn)廢棄物產(chǎn)量大的特點(diǎn),建議在政府相關(guān)部門指導(dǎo)監(jiān)管下由鋼鐵廠設(shè)立集中危險(xiǎn)廢物處置加工中心。這樣,既能滿足鋼廠內(nèi)部危險(xiǎn)廢物處置要求,又能完成對(duì)周邊園區(qū)和社會(huì)的危險(xiǎn)廢物集中處置,擴(kuò)充鋼廠的城市垃圾處理功能。鋼廠應(yīng)積極爭(zhēng)取國家政策支撐和相關(guān)措施鼓勵(lì),參與城市垃圾處理工作。

3.3 冶金渣高溫轉(zhuǎn)換與余熱利用方式

煉鐵和煉鋼工序產(chǎn)生大量的高溫渣,包括高爐渣、脫硫渣、脫碳渣、精煉渣等。這些渣冶金性質(zhì)不同,均采用水冷處理,消耗了大量的水資源,還造成熱能浪費(fèi)。以高爐渣為例,2015 年全國高爐爐渣產(chǎn)量約 2.51億噸,其熱量可折算為 1367 萬噸標(biāo)煤,再利用潛力巨大 [12] 。以冶金渣高溫轉(zhuǎn)換與余熱利用為標(biāo)志的新型處理方法將是固體廢棄物節(jié)能的重要發(fā)展方向之一。

4 建設(shè)鋼鐵廠固廢產(chǎn)物處理大平臺(tái)的思考

鋼廠的固體廢棄物種類繁多、特性各異、產(chǎn)生量差異很大。固廢集中管理和新技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)固廢資源化高效利用的有效手段。有鑒于此,提出了搭建鋼鐵企業(yè)固廢處理大平臺(tái)的構(gòu)想,見圖 5。


鋼鐵廠固廢處理向四個(gè)方向開展工作,分別是:

(1)持續(xù)推進(jìn)鋼鐵廠內(nèi)部固體廢棄物高價(jià)值循環(huán)再利用,通過優(yōu)化物料走向和技術(shù)研發(fā)等多種措施,提高產(chǎn)物的自消納率。

(2)充分利用高溫渣系中富含有價(jià)元素和熱能的特點(diǎn),開發(fā)新型的“渣冶煉”工藝技術(shù),對(duì)高溫渣中金屬Fe、P 和 Mn 等元素進(jìn)行提取,通過渣系調(diào)質(zhì)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。

(3)針對(duì)含鉀、鈉、鋅、鉛等有害元素的灰類產(chǎn)物,需進(jìn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究,研發(fā)經(jīng)濟(jì)性新工藝以替代投資運(yùn)行成本高的轉(zhuǎn)底爐工藝。

(4)危險(xiǎn)廢棄產(chǎn)物屬于鋼鐵廠固廢處理的薄弱環(huán)節(jié),通過建設(shè)鋼廠處置中心,既處理鋼廠內(nèi)部的危險(xiǎn)固廢,又兼容社會(huì)垃圾的處置功能。

通過以上固體廢棄物綜合處置路線,實(shí)現(xiàn)環(huán)境治理和資源綜合利用相結(jié)合,打造“零排放”的鋼鐵廠。

5 結(jié)語

(1)我國鋼鐵企業(yè)的發(fā)展,在提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí),形成了“節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展”的新特點(diǎn),正逐步成為清潔生產(chǎn)、綠色制造的實(shí)踐者。

(2)通過分析鋼鐵生產(chǎn)流程固體廢棄物的冶金特性,結(jié)合鋼鐵廠各工序的工藝特點(diǎn),采用科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的固體廢棄物處理策略,將鋼廠多種固廢進(jìn)行最大化消納,重新獲取資源再利用。

(3)從清潔生產(chǎn)的角度出發(fā),應(yīng)集中打造固廢資源利用大平臺(tái),加強(qiáng)基礎(chǔ)研發(fā),解決固廢產(chǎn)物處置難題,使鋼鐵廠成為環(huán)境友好的生態(tài)工業(yè)中的重要組成部分。

張壽榮1 ,張衛(wèi)東 2 ,姜 曦 3

(1. 武漢鋼鐵(集團(tuán))公司,湖北武漢 430083;2. 首鋼技術(shù)研究院,北京 100043;3. 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì),北京 100711)


來源:鋼鐵技術(shù)網(wǎng)  作者:張壽榮等

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