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產業動向

如何打造固廢“零”排放鋼廠


 
研究者以年粗鋼生產規模約900萬噸的某長流程鋼鐵廠為研究對象,統計得出,伴隨鋼鐵生產各工序,年固體廢棄物約為608.5萬噸,主要為含鐵類固廢產物、含碳類固廢產物和其他類固廢產物3類。
<張壽榮 張衛東 姜曦>
鋼鐵工業是國民經濟的基礎產業,也是高消耗、高排放行業,其最大的排放是鋼鐵生產過程產生的固體廢棄物。2015年,我國粗鋼產量8.04億噸,以每噸鋼產生固體廢棄物600千克~800千克估算,全年共產生固體廢棄物4.8億噸~6.4億噸,主要構成為冶煉過程形成的爐渣、含鐵塵泥、燒結脫硫產物等,僅冶金渣就超過2億噸。固體廢棄物占用大量的土地資源,污染周邊環境,為此,提高鋼鐵流程固體廢棄物資源化高附加值利用效率,是鋼鐵企業必須解決的重大問題。
我國鋼鐵業追求綠色發展
我國是全球最大的鋼鐵生產國和消費國,支撐我國大規模鋼鐵生產的主要是以高爐、轉爐為主的長流程鋼鐵企業,我國鋼產量中約90%采用長流程生產。近年來,我國陸續投產了一批先進長流程生產工藝的鋼鐵廠,包括鞍鋼鲅魚圈鋼鐵廠,首鋼京唐鋼鐵廠、寶武集團寶鋼股份湛江鋼鐵廠等。這些廠在規劃建設之初就規避了以往鋼鐵廠工程投資高、生產成本高、能耗高、碳排放高的被動局面,側重打造節能減排、可持續發展的新特點。
“十三五”期間,我國將繼續加快處理鋼鐵工業大宗固體廢棄物的步伐。國務院發布的《“十三五”節能減排綜合工作方案》要求,鋼鐵行業把“綠色發展、循環發展、低碳發展、兩化融合”作為實施途徑,大力發展循環經濟,拓寬鋼鐵生產流程中固體廢棄物協同處置渠道。我國鋼鐵工業綠色發展仍面臨挑戰,固體廢棄物再利用和全量處理是須要重點解決的課題。
鋼企固廢資源化處理模式
固體廢棄物產生情況與特性分析。研究者以年粗鋼生產規模約900萬噸的某長流程鋼鐵廠為研究對象,統計得出,伴隨鋼鐵生產各工序,年固體廢棄物約為608.5萬噸,主要為含鐵類固廢產物、含碳類固廢產物和其他類固廢產物3類。
含鐵類固體廢棄物。圖1和圖2分別為主要含鐵類固體廢棄物細分情況和產量分布,合計產生26種約253萬噸,噸鋼產生量約280千克。其中,鐵前與煉鐵工序產生9種,占總重的29.8%;煉鋼工序產生8種,占總重的58.5%;軋鋼和其他工序產生9種,占總重的11.7%。
圖1 鋼鐵生產工序主要含鐵類固廢細分情況

圖2 鋼鐵生產工序含鐵類固廢產物年產量分布



表1是3種含鐵類固廢的主要化學成分,該類固廢含較高的鐵錳等元素,利用價值很大。
表1 三種含鐵類固體廢棄物主要化學成分
單位:%
含碳類固體廢棄物。圖3為各工序含碳類固體廢棄物細分情況,包括篩下焦末、焦化環境灰、生化污泥和焦油渣。
圖3 鋼鐵生產工序主要含碳類固體廢棄物細分情況
表2是各種含碳類固體廢棄物年產生量,總計約55.5萬噸,相當于噸鋼產生量65千克,篩下焦末占比達87.5%,主要作為燒結燃料使用。
表2 鋼鐵生產工序含碳類固體廢棄物年產生量
表3是典型含碳類固體廢棄物的主要化學成分,該類固廢碳含量較高,適合回收利用。
表3 典型含碳類固廢產物主要化學成分
單位:%
其他固體廢棄物。其他固廢年產生量約為300萬噸,主要包括:煉鐵工序產生的脫硫灰、高爐渣,配套電廠產生的粉煤灰及爐渣,廢棄耐火磚和冷軋工序鋅渣等,其中,高爐渣占比約90%,目前水淬高爐渣細磨成超細粉用于建筑工程。
固體廢棄物資源化再利用實踐。鋼廠是生態工業鏈中重要的一環,而固體廢棄物再利用是鋼廠重新獲取資源的重要渠道之一。鋼廠結合自身技術工藝特性,選擇經濟合理的再利用策略,確定內部循環使用路徑;對于暫時不能處理的固體廢棄物,采用工程堆存或外銷的處理模式。
鋼鐵流程內部循環使用。圖4為主流程清潔生產內循環設計路徑,綜合考慮各種固體廢棄物的冶金性能、產生量與煉鐵—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行過程間體系設計。
圖4 鋼鐵主流程清潔生產內循環路徑
工程堆存或外銷。針對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92萬噸煉鋼渣燜渣提取渣鋼后的尾渣須要堆存,成為鋼廠亟須解決的難題。
其他類固廢產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。
固廢資源化利用存在問題
含有害元素的除塵灰處理方式。鋼廠每年產生含鉀、鈉、鋅等有害元素的固體廢棄物約8.5萬噸,含鉀、鈉、鋅、鉛等有害元素的固體廢棄物在高爐中循環富集對生產危害極大,造成高爐懸料、結瘤、爐況不順等惡劣影響。實踐證明,含鋅量超過2.0%的除塵灰循環利用會明顯增加高爐的鋅負荷,影響高爐穩定生產。部分企業為了控制鋅負荷而配置轉底爐生產線來處理含鋅塵泥,但是處理費用高,有必要探尋更優更經濟的處理方法。
危險廢棄物處置方式。鋼廠每年產生約5000噸的含油垃圾、含油污泥等危險廢棄產物,其處理費用貴。我國危險廢棄物處理處在初級階段,處理能力存在較大缺口。為降低鋼廠處理成本,結合鋼廠危險廢棄物產量大的特點,建議在政府相關部門指導監管下,由鋼鐵廠設立集中危險廢物處置加工中心。這樣,既能滿足鋼廠內部危險廢物處置要求,又能完成對周邊園區和社會的危險廢物集中處置,擴充鋼廠的城市垃圾處理功能。鋼廠應積極爭取國家政策支撐和相關措施鼓勵,參與城市垃圾處理工作。
冶金渣高溫轉換與余熱利用方式。煉鐵和煉鋼工序產生大量的高溫渣,包括高爐渣、脫硫渣、脫碳渣、精煉渣等。這些渣的冶金性質不同,均采用水冷處理,消耗了大量的水資源,還造成熱能浪費。以高爐渣為例,2015年全國高爐爐渣產量約2.51億噸,其熱量可折算為1367萬噸標煤,再利用潛力巨大。以冶金渣高溫轉換與余熱利用為標志的新型處理方法將是固體廢棄物節能的重要發展方向之一。
建設鋼企固廢處理大平臺
鋼廠的固體廢棄物種類繁多、特性各異、產生量差異很大。固廢集中管理和新技術的研發創新是實現固廢資源化高效利用的有效手段。有鑒于此,研究者提出了搭建鋼鐵企業固廢處理大平臺的構想,見圖5。
圖5 鋼鐵廠固廢資源化處理工作路線圖
鋼鐵廠固廢處理向4個方向開展工作,一是持續推進鋼鐵廠內部固體廢棄物高價值循環再利用,通過采取優化物料走向和技術研發等多種措施,提高產物的自消納率。二是充分利用高溫渣系中富含有價元素和熱能的特點,開發新型的渣冶煉工藝技術,對高溫渣中金屬鐵、磷和錳等元素進行提取,通過渣系調質生產高附加值產品。三是針對含鉀、鈉、鋅、鉛等有害元素的灰類產物,須進行系統的基礎研究,研發經濟性新工藝,以替代投資運行成本高的轉底爐工藝。四是危險廢棄產物屬于鋼鐵廠固廢處理的薄弱環節,通過建設鋼廠處置中心,既處理鋼廠內部的危險固廢,又兼具社會垃圾的處置功能。
通過以上固體廢棄物綜合處置路線,實現環境治理和資源綜合利用相結合,有望打造“零”排放的鋼鐵廠。
 

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