普云-钢铁厂钢铁冶炼污染预防

2019-03-11 19:03:00
钢铁厂钢铁冶炼污染 预防 学院:环境科学与工程学院 专业:环境工程 学号:201110701109 姓名:普云 指导教师:胡学伟 1/7 钢铁厂钢铁冶炼污染预防 摘要:进入21世纪以后,如何认识钢铁企业的社会经济角色,特别是如何认识钢 铁冶炼流程的功能,是一个时代性的命题。仅从冶金学、材料学的角度上看,钢 厂的功能只是钢铁冶炼与钢材生产而已。如果进一步扩展到资源、环境、生态、 循环经济等视野来看, 则钢厂应是工业生态链中的重要一环。从钢铁企业的未来 社会、经济角色来看,钢铁厂生产流程应该(特别是高炉一转炉长流程)主要有3 种功能:钢铁产品制造功能;能源转换功能;社会大宗废弃物处理一消纳功能。 关键字:高炉冶炼工艺流 污染预防 资源循环 以昆明钢铁股份有限公司为例 1. 昆明钢铁股份有限公司 1.1 简介:昆钢始建于 1939 年 2 月,总部位于春城昆明西南 32 公里的安宁市境 内,占地面积约为 10 平方公里,云南省最大的钢铁联合生产基地,也是省内第 一个销售收入突破 100 亿元的云南省属工业企业。 现具备年产 550 万吨钢的综合 生产能力,是一个集钢铁冶金、矿产开发、机械制造、建筑安装、房地产开发、 耐火材料、建材、运输、商贸、进出口、工程设计、电子信息、环保、旅游为一 体的企业集团。 1.2 生产部门:炼铁厂,炼钢厂,棒材厂,线材厂,板带厂,物流中心,煤焦经 营部,矿业开发部,销售分公司,物资采购。 1.3 生产过程:现代化钢铁联合企业由以下生产环节组成:矿山→采矿→原料处 理(烧结)→焦化→高炉炼铁→炼钢→轧钢;昆钢没有自己的矿山,所以只有原 料处理(烧结)→焦化→高炉炼铁→炼钢→轧钢,这些流程。 2.高炉炼铁厂 2.1 高炉炼铁的冶炼原理 高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石),从位于炉子下部 沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、 天然气等辅助燃料) 中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气,在炉 内上升过程中除去铁矿石中的氧,从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁 矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣,从渣口排出。产生的煤气从 炉顶导出,经除尘后,作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。 化学方程式如下: 主要反应:C+O2=△=CO2 CO2+C=高温=2CO FexOy+yCO=xFe+yCO2 (FexOy 中 x,y 为下标,表示各种铁矿石) 如:Fe2O3+3CO=高温=2Fe+3CO2 Fe3O4+4CO=高温=3Fe+4CO2 造渣反应:CaCO3=高温=CaO+CO2↑ CaO+SiO2=高温=CaSiO3 2/7 2.2 工艺流程详解 含铁原料 辅助原料 焦炭 渣处理系统 供料系统 水渣仓 富氧 高炉 鼓风机 喷发系统 铁水 除尘器 鱼类罐车 铁水罐车 灰 卡车 铸铁机 炼钢 煤气清洗 外煤气管 泥 废水达标排 放 冲水渣槽 INBA 法渣 水分离 煤粉、油 废水沉淀分离 民用燃料 图一.高炉炼钢工艺流程 详解: 高炉冶炼用的原料主要由含铁原料 (烧结矿、 球团矿、 块矿) 燃料 、 (焦 炭、煤粉)和辅助原料(石灰石、白云石、锰矿等)按一定比例自高炉顶装入高 炉,构成供料系统。通常,冶炼 1 吨生铁需要 1.5-2.0 吨铁矿石,0.4-0.6 吨焦 炭,0.2-0.4 吨熔剂,总计需要 2-3 吨原料。为了保证高炉生产的连续性,要求 有足够数量的原料供应。 因此, 无论是生铁厂家还是钢厂采购原料的工作是尤其 重要。高炉生产是连续进行的。一代高炉(从开炉到大修停炉为一代)能连续生 产几年到十几年(昆钢的 20 年左右) 。生产时,从炉顶(一般炉顶是由料种与料 斗组成,现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶)不断地装入含铁原料、焦炭、辅 助性原料,从高炉下部的风口吹进热风(1000~1300 摄氏度,富氧) ,喷入油、 煤粉等燃料。装入高炉中的铁矿石,主要是铁和氧的化合物。在高温下,焦炭中 和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来,得到生铁, 这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁,铁水从出铁口放出。铁矿石 中的脉石、 焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣,从 出铁口和出渣口分别排出,工艺如图一。 3/7 3.工艺流程中存在的污染源分析 3.1 废水回用工艺。从工艺流程图中可以看出高炉中,流程用水从高炉中排出时 水渣一起进入冲水渣槽中以后,用 INBA 渣水分离法进行分离,这里同时产生了 两大废物, 其中废渣主要是矿石中不还原物质和石灰石等结合生成的废物,这是 炼铁后产生的固废, 这些废渣如若丢弃则会造成固废污染,这些废物可以是很好 的路用建材。废水中还含有少量的矿渣,但含有的高毒性污染物较少,要经过处 理达标排放虽然比较容易,但是也造成水资源的浪费,且要花费一笔资金,同时 虽说废水已经达标,但是排到环境中,还是对环境造成一定的影响,影响公司的 经济效益和环境效益, 这里可以把这些废水稍加处理后再次用于工艺中。经分析 这里产生了固液两大废物及其存在的价值。 3.2 煤气回用工艺。高炉没有经过燃烧的烟气一般都含有一氧化碳、二氧化碳, 少量的氮气、氢气等。另外就是含有一定量的粉尘。高炉的尾气实际上一般都称 作高炉煤气,里面一氧化碳的含量在 20%左右吧,现在一般的钢厂都会回收利用 的,不会直接排空的。就如工艺图中的废气从高炉中排出后经过除尘器,去除其 中的烟尘, 再经煤气清洗可得到可燃性的煤气。但是产生的煤气却接到外煤气管 输出民用了, 而不是直接补给高炉用的燃料,虽然出售煤气可以给企业带来一定 的经济效益, 但是由于工艺本身就需要燃料,这些煤气其实可以直接用于工艺本 身,来避免造成的燃料运输、采购支出。 3.3. 生物质运用。焦炭是高温干馏处理过的炭,基本上不含 S,N 等的元素,尤 其是处理过的焦炭其 S 的含量就更少了. 它的燃烧产物主要是 CO2,不完全燃 烧会生成 CO,其中的一氧化碳会结合人体内的血红蛋白导致人窒息而死二氧化 碳和增强空气的酸性。同时工业用焦炭,是用煤制造的,里面有大量的矿物质, 主要是钙和硅的氧化物经煅烧过后, 生成硅酸盐类化合物, 也是产生的固体废物, 这里可以用生物质焦炭来替代矿物焦炭,更有效的达到污染预防的效果。 4.污染预防措施的提出 4.1 对于用 INBA 渣水分离法进行分离后得到的废水。由于含有的高毒性污染物 较少, 可以经过简单的处理再次用于工艺生产本身,为了很好的节约处理的费用 和增加废水的循环使用,由工艺图中分析可以得改进废水回用工艺如图二: 高 炉 冲渣水槽 INBA 法分离 水渣仓 渣处理系统 热水泵房 冲渣泵房 冷却塔 4/7 图二.废水回用工艺流程 从以上改进工艺图可以看出, 高炉废水经过 INBA 法渣水分离后经过热水泵房、 冷却塔、冲渣泵房简单的冷却、分离处理后,可以回用于冲水渣槽,进行下一轮 的生产用水使用,实现废水回用。 4.2 对于从除尘器中除尘后得到的炉煤气,经过煤气清洗后得到干净的可燃性煤 气燃料,但是产生的煤气却接到外煤气管输出民用,其实由工艺图可知,这些燃 料可以直接补给高炉用的燃料,回用于现有工艺,达到资源的再生使用,其改进 后工艺流程如图三: 高炉 除尘器 煤气清洗 废水沉淀分离 泥 喷发系统 图三.煤气回用工艺图 从以上改进工艺图可以看出,高炉煤气经过煤气清洗后,可由喷发系统回用 于高炉燃料,进行下一轮的燃料供应,减少原需燃料的消耗,企业本身实现燃料 的生产、消耗、生产的循环系统。 4.3 焦炭燃烧 COx 废气 SOx 高 炉 NOx 焦炭 废渣 硅酸盐 一氧化碳:会结合人体内的血红蛋白导致人窒息而死; 二氧化碳:会增强空气的酸性,造成酸雨; 硅酸盐:工业用焦炭是用煤制造的,里面有大量的矿物质,主要是钙和硅的氧化 物经煅烧过后,生成硅酸盐类化合物,造成固废污染。 生物质焦炭: 木质炭、 秸秆炭和成型锯末3种生物质作烧结燃料替代焦粉的研究, 结果表明,生物质替代焦粉可降低单位烧结矿COx、SOx、NOx。的排放量,当木 质炭、秸秆炭、锯末分别取代40%、20%、15%的焦粉,COx排放分别可减少 18 .65%、7.19%、5. 39%;SOx减排分别可达38 .15%、31 .79%、28 .90%; 5/7 NOx排放量减排分别可达26. 76%、18. 31%、15 .49%。而且生物质焦炭燃烧 产生的固废物比原有焦炭燃烧固体废物有很大程度的降低。 5.可行性分析 5.1技术可行性分析 以上方案的实施中废水的渣水分离, 废水的流程处理都安全可靠, 技术成熟, 煤气的管道运输回用于工艺本身, 生物质的采集与生物质焦炭的制造都有可靠的 现实基础,具有技术可行性。 5.2经济可行性分析 通过对以上改进工艺的分析,废水回用工艺,可以有效的节约废水处理的投 资, 煤气回用工艺中可以明显减少运输与采购的资金消耗,生物质焦炭可以减少 矿物燃料的使用,利用廉价的废弃生物质,在经济上具有很强的可行性。 5.3环境可行性分析 以上方案中,废水回用工艺中,通过简单的处理后,废水再次回用于工艺本 身,减少了废水的排放,同时避免了环境污染实现水资源的循环利用;煤气回用 中实现了资源的合理化利用,采用生物质焦炭,在降低废气排放的同时,大幅度 的减少了固体废物的产生,环境效益巨大。 6.经济核算 6.1废水回用经济核算 产铁量:100吨/天 采购用水:2元/吨 达标处理:8元/吨 回用处理:4元/吨 每吨铁需要5吨水 达标设备投资:100万元 回用设备投资:300万元 每年按运行350天计算 每天按废水回用率80%计算 第一年:原有工艺总投资: 100*5*(2+8)*350+1000000=2750000(元) 改进工艺总投资: [(100*5)*2+500*80%*4]*350+3000000=3910000(元) 投资差值:3910000-2750000=1160000(元) 第二年:原有工艺总投资: 100*5*(2+8)*350=1750000 改进工艺总投资: [400*80%*4+100*80%*4+100*2]*350=630000(元) 在原有工艺上节约:1750000-630000=1120000(元) 这里仅以设备投资、 原料采购及废水处理资金等决定性因素来核算,对于人工 费、设备维护费用,由于原有工艺与改进工都需要,且相差不大,故省略次要因 素。有以上计算可知,虽然初期投资比原有工艺大,但从第二年开始为企业节省 大量的废水处理的投资,且同时减少了环境的污染,实现水资源的循环利用。 6.2煤气回用经济核算 煤气价格:1.6元/m3 煤粉价格:900元/吨 6/7 1立方的液化煤气产生热值:7110—7350大卡 煤的热值:7000千卡/千克 煤气管道运输:0.08元/m3 煤气密度:800kg/m3 当煤气与煤粉产生的热值相当时, 煤粉的采购价格远远大于煤气的采购价格, 同时煤的运输成本比较煤气的管道运输高的多, 同时煤气燃烧产生的固体废弃物 明显较少。 结束语:从上个世纪末开始,国际钢铁工业开始实施绿色战略和绿色制造,向资 源利用合理化,废物产生少量化,对环境无污染或少污染的方向发展。为了实现 钢铁工业环境友好和可持续发展, 钢铁企业在结构调整的过程中要确立新的发展 模式。 钢铁企业应该积极推广现有的先进工艺技术,大力开发新的符合绿色标准 的生产工艺和技术; 钢铁企业本身要做到清洁生产,与其他相关行业进行工业代 谢循环,构成生态工业园区,使钢铁企业生态化,成为循环经济社会中生态工业 的重要组成部分。 附录: 参考文献 1. 浅析露天铁矿开采对地下水的影响与保护对策(唐山首钢马兰庄铁 矿有限责任公司,河北唐山 吕洪来 ) 2. 软岩地层地下铁矿开采岩体移动影响范围及变化趋势分析(河北大学建筑工 程学院,河北保定 李文秀 郑小平 王晶) 3. 生物质能用于铁矿烧结的特征及污染物减排 (范晓慧 甘敏 陈许玲 姜涛 中南大学资源加工与生物工程学院 ) 4. 钢铁冶炼渣的路用特性与工程实践 薛明(同济大学道路与交通工程系) 宋卫国(上海市建设工程管理公司) 5. 钢铁冶炼深脱硫工艺研究 ( 金学虎 日照钢铁集团山东日) 6. 钢厂模式与工业生态链--钢铁工业的未来发展模式 殷瑞钰(钢铁研究总 院) 7. 钢铁生产的环境协调性评价 李贵奇 聂祚仁 周和敏 刘业翔 左铁镛 ( 中南大学冶金科学与工程系, 湖南长沙 北京工业大学材料科学与工程学 院,北京) 8. 浅谈钢铁生产与环境保护 刘基国(中冶京诚工程技术有限公司中国北京) 9.化工原理 (天津大学出版社 修订版 夏清) 10.炼钢原理与工艺 ( 刘根来 冶金工业出版社) 11.王训富冶金过程中多尺度现象的观察和研究[学位论文]硕士 2005 12. 曹辉.王焱.孙树臣.涂赣峰.彭可武鞍山钢铁工业循环经济发展模式选择[期 刊论文]-冶金能源 2006(5) 13. 邓崎琳,萧忠敏,刘振清,等.铁水脱硫预处理技术在武钢的应用【J】.炼 钢,20o2,18(1). 14. 雷毅. 国内外铁矿资源分布及攀钢铁矿石采购管理对策探讨[J]. 攀枝花科 技与信息.2003年01期 15. 葛英勇.石美佳.张国松绿泥石型铁矿工艺流程试验[期刊论文]-现代矿业 2012(4) 16. 袁致涛.高太.印万忠.韩跃新我国难选铁矿石资源利用的现状及发展方向 [期刊论文]-金属矿山 2007(1) 7/7
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