钢铁厂的水管理和污染控制

钢铁厂的水管理和污染控制

水是钢铁厂生产钢铁所需的重要公用设施。几个世纪以来，廉价而丰富的水一直是钢铁工业认为理所当然的生产工具。但在目前的情况下，由于淡水供应和消耗之间的不平衡日益严重，水资源变得越来越稀缺，因此获得清洁安全的淡水已成为现代社会面临的主要挑战之一。

由于 (i) 人口增加和迁移到干旱易发地区，(ii) 工业快速发展和人均用水量增加，以及 (iii) 气候变化导致人口稠密地区的天气模式发生变化，水需求持续增加.这使钢铁行业进入了一个新的节水时代。此外，在过去的三年中，世界各地对环境污染的担忧日益增加，这导致颁布了更具限制性的环境法规。由于未来存在水资源短缺的威胁，钢铁行业已改变其水资源战略和政策，以减少淡水消耗。

由于淡水的可用性和质量是主要问题，因此水资源管理是钢厂管理面临的一项重要挑战，而这也是提高生产周期可持续性所面临的挑战。水和钢铁一样，可以重复使用和回收。然而，在清洗和冷却后增加水循环使用会降低水质。因此，钢厂要不断改进清洗技术，以减少用水量。此外，与水相关的挑战（即可用性、季节性短缺、与其他用户的竞争）取决于工厂的位置，因此采用本地方法和量身定制的解决方案非常重要。水的生命周期如图1所示。

图1水的生命周期

一个综合钢铁厂使用了大量的水。然而，消耗量并不高，因为大部分水被重复使用或返回源头。大部分消耗的水被蒸发，大约 90% 的水（平均而言，综合工厂为 88%，基于 EAF 的工厂为 94%）在清洁和/或冷却后被排放并被其他公用事业经常使用。钢铁厂未消耗的水经过清洗、冷却后返回源头。返回到河流和其他水源的水通常比在进水泵抽取的水更干净。

一家钢铁厂包含从原材料准备到成品钢轧制的许多流程。所有这些过程都需要水。在这些过程中使用水时，会受到不同数量和浓度的污染物的污染。钢厂各工序的典型用水量在钢厂之间差异很大，从每吨粗钢20立方米到每吨粗钢150立方米不等。这些水量的泵送能力是钢厂各种工艺运行所必需的。耗水量为进水量减去出水量。总用水量取决于钢厂的水处理和再循环设施，一般在每吨粗钢1.5立方米到每吨粗钢4立方米之间。

一家钢铁厂将大量淡水用于各种用途，包括冷却、抑尘、清洁、温度控制（热处理）、废物运输（灰烬、污泥和水垢等）以及其他用途。水是一些钢铁厂过程的重要组成部分，例如用于控制炼焦煤混合物水分含量的加水、烧结混合物的球团化、铁矿石球团生产过程中生球团的制造、蒸汽的生产以及电力的生产、高炉渣造粒等。大量水的使用也会产生相当数量的废水，需要处理后再排放。

由于钢铁厂使用大量水，任何冷却技术的技术改进都会导致水的消耗减少一小部分，有可能在自然环境中节省大量的水并最大限度地减少水脚印。寻求方法和技术，使钢铁行业的用水量最小化是很重要的。

水足迹是一个新概念，可以量化淡水占用。 Hoekstra 引入了水足迹方法作为淡水占用的指标，旨在量化和绘制间接用水情况，并显示供应链中消费者和生产者参与水管理的相关性。

水管理策略帮助钢铁厂回收、再利用和/或循环利用水，这反过来又可以通过最大限度地减少对进水的需求和减少排放量来节省大量成本。综合钢厂的水管理主要取决于当地条件、水的供应情况和法规要求。

近来，水资源管理已成为可持续钢铁最重要的部分之一。由于水对社会的重要价值，可持续的水资源管理对于钢铁厂的管理非常重要。钢厂管理层必须重视水资源管理。管理层需要不断评估如何最好地利用水，并在节约用水和再利用方面寻找改进。

与钢铁一样，水可以重复使用和回收。这提高了用水效率并降低了用水需求和成本。通过增加水的循环利用和从高到低的级联用水，钢厂的用水量和消耗量可以大大减少。然而，在实施任何中水回用管理系统之前，有必要考虑能源使用的潜在增加。

减少水摄入量的最有效方法是重复使用它。这通常涉及每次使用之间的清洁和冷却水流。其中一些处理方法（例如冷却）需要大量能量，并且由于蒸发量增加会导致水消耗率增加。所需的额外工艺总是几乎与降低能源消耗的目标相冲突，这意味着更高的二氧化碳排放量。因此，有必要综合考虑所有环境因素，综合评估中水回用的有效性。

因此，能源效率是钢铁厂水管理中非常重要的一个方面。节水措施将与节能泵和热回收设施的使用相结合。节能泵意味着抽水、水处理和水循环所需的能源更少。此外，用水效率要考虑实际消耗，即进水和排水的差异（相同或更好的质量），以及可用性方面和对钢铁厂其他资源类别（如能源）的影响。此外，钢铁厂等高温行业的水回用会增加用水量。

钢铁厂的用水量变化很大，取决于几个因素，例如 (i) 水的可用性，(ii) 采用的技术，(iii) 工厂和设备的年龄和状况，(iv) 生产类型过程，和 (v) 工厂操作程序。对有效水管理至关重要的三个基本因素是（i）补充水的质量，（ii）钢铁厂所在地的气候条件，以及（iii）监管要求。

影响钢铁厂水管理的主要水相关问题是 (i) 所需工艺用水的质量 (ii) 废水的质量, (iii) 水的循环利用和减少用水量, (iv) 生产过程中的污染物水，(v) 水管理新技术的实施，以及 (vi) 废水处理技术的实施及其成本效益。

由于消耗量增加、需要额外的能源以及需要处理/处置产生的副产品，因此在考虑引入不同的减水和处理技术时，采用综合方法将所有环境因素都考虑在内是至关重要的。实现污水零排放的目标。因此，全面了解对水资源的整体影响至关重要。图 2 显示了水资源管理的整体方法。

图 2 水资源管理的整体方法

用水

水在钢铁厂有多种用途，每种用途所需的水质量也各不相同。此外，可以有一个直通系统，也可以有部分或完全循环水的系统。

钢铁厂的大部分水用于冷却、保护设备和改善工作场所的工作条件。使用少量但仍然相当数量的水作为工艺用水。少量的水用作锅炉给水和生活用水。

水不仅用于冷却操作，还用于其他目的。为了满足工厂不同地方的用水需求，需要不同质量的水。此外，淡水主要用于工艺和直接和间接冷却，而海水通常用于防污预处理后的一次冷却。淡水的使用通常被视为性能指标。在直接冷却中，水与材料和设备接触，而在间接冷却中，水不与材料或设备接触。

海水主要用于直流冷却，无需预处理或后处理。它不与材料或设备接触。淡水主要用于工艺和冷却。它与材料和设备接触，并在再利用或排放前进行处理。综合钢铁厂用水的主要用途如下。

• 需要水来满足工艺需求。例子是调配煤中的水分、焦炭的湿法熄焦、在球团鼓中加入烧结混合物以进行球团化、在高炉 (BF) 顶部喷水以控制顶部温度、液体高炉渣的造粒、生猪铸造、连铸、热轧前钢材除氧化皮、热轧机在线热处理及温度控制、酸洗酸强度调整等。
• 为了便于处理和运输，水用于调节材料。例如连铸、热轧中的水垢输送，原料运输和储存过程中加水抑尘，管道输送浆料的制备，粉煤灰输送到灰池并在灰池中储存等。
• 在不同的过程中产生的各种气体都经过冷却、清洁和水处理。
• 水用于传热。各种设备、轧辊、炉壳均采用水冷方式。为此目的采用了直接和间接冷却方法。
• 生产蒸汽以满足工艺需要和发电需要去离子水。
• 水用于各种冷却，例如熔炉和耐火材料在进行维修和/或换衬之前用水冷却。金属和熔渣溢出物在运输前用水冷却。
• 水性砂浆、流道块和粘土需要适量的水。
• 污水和水处理过程需要添加水才能进行有效处理和更好的反应。中和酸性废水也需要水。
• 水用于清洁和清洗车间地面，以便清理车间地面上的灰尘。
• 电气控制室和隧道通过使用喷水器的潮湿空气进行通风。
• 水用于钢铁厂的消防。水也用于饮用水、冷却器、食堂和洗手间。
• 为了保护环境，钢厂是为了保持厂内的绿化。这项活动需要水。

水流图和用于水的术语

某钢铁厂的水流图如图3所示。图中不同类型水的术语说明如下。

图3钢厂水流示意图

饮水 – 是从进水泵房的水体中抽出的水，加入到钢铁厂的水系统中。

化妆水 – 是添加到水系统中的水。在使用循环水的系统中经常需要补充水。添加到系统中的水是为了补偿（i）过程中损失的水，（ii）蒸发损失的水，以及（iii）由于泄漏而损失的水。

工艺用水 – 它是与最终产品或与最终产品结合的材料接触的水。工艺用水大致包括与钢铁生产的原材料或最终产品接触或成为最终产品一部分的水流。有许多工艺用水应用，包括矿石成分的物理分离、淬火硬化、除垢、镀锌和电镀。工艺用水也是用于清洁、脱脂和冲洗钢材表面的溶剂、酸和乳液的成分。

冷却水 – 专门用于冷却的水。冷却水是指用于散发钢铁产品和相关设备的多余热量的水流。冷却应用占钢铁厂用水的大部分，包括热轧和冷轧过程中的接触冷却、废气冷却和遏制、烤箱和熔炉的冷却以及其他应用。

设施抽取和排放的水量因使用的冷却系统类型而异。直流冷却系统对水的需求最高，而循环冷却系统几乎可以保留所有水以进行重复冷却循环。

软化水 – 软化水是去除水中矿物质的水。软化水也用作锅炉给水。当水用于化学过程并且存在的矿物质会干扰其他化学物质时，通常会进行脱矿质过程。在脱盐过程中，通过去除不需要的矿物质来软化水。软化水的电导率高于去离子水。

锅炉给水 – 软化水用作锅炉给水。锅炉给水用于产生工艺蒸汽，用于为钢铁生产中涉及的许多工艺提供动力。锅炉用于产生用于过程加热和冷却的能量，以及为机械驱动系统和压力控制系统提供动力。锅炉需要高水质标准，以确保在其典型的高温和高压运行条件下安全运行。然而，通过适当的预处理，各种来源的水可以回收用作锅炉补给水。

消防用水 – 是钢厂灭火用水。

软水 – 软水是离子含量低的水，尤其是钙和镁离子含量低的水。该术语用于描述通过水软化过程产生的水。软水还可能含有较高水平的钠离子和碳酸氢根离子。软水在水加热系统和间接水冷却系统中不会产生钙沉积。

出水 – 它是水系统排放的废水。工厂的废水排放到废物处理系统。然而，在一个工厂内，一个单元的流出物可以用作另一个单元的进水口。在大多数地方，消耗的水量很难确定，通常被认为是进水量和出水量之间的差异，或者由工厂运营商估算。在直流系统中，通常不测量出水。

生活用水 – 它也被称为卫生水，用于饮用和洗手间。

自来水 – 用于一般车间清洁、抑尘、冲洗废物等的用水。

水的其他用途 – 水的其他用途是指上述标题未涵盖的水用途。其他用途的例子有用于通风系统的水、泥浆等废料的运输和园艺等。

污水中的污染物

综合钢厂的水管理对其成功运营非常重要，因为综合钢厂的运营需要大量的水。在工厂运行期间，这些水会受到污染。将水污染控制与工厂的水管理分开是非常困难的。良好的水管理导致水的污染控制减少，同时水的污染控制需要良好的水管理。良好的水资源管理要求工厂的排水量为零或最少。这是通过结合用于水再循环的复杂水处理系统来实现的。这减少了用水量，因为减少了补充水的需求。它还减少了水污染，因为从工厂边界排放的水为零或可以忽略不计。此外，它还降低了在污水从厂界排放之前对其进行处理的必要性和成本。出水中存在以下污染物。

• 胶体和悬浮固体 - 矿石和助熔剂细粉、水垢、沙子、粉煤灰、煤和焦炭细粉等。
• 温度和热量 - 冷却水、锅炉排污等。
• 油 - 轧机油、润滑油、液压油、淬火油、燃料油、溶剂、焦油和沥青等。
• 化学品 - 包括酸洗液、酸性污泥、碱洗液、石灰、废氨水、锅炉排污和有毒化学品等。
• 生活垃圾——食堂、洗手间、更衣室和厕所等产生的垃圾。

未经处理的污水排放会导致排放地点的水体受到污染，因此在排放钢铁厂之前必须对污水进行充分处理。以下是一些通常用于处理污水的主要方法。

• 沉淀池 - 矩形或圆形池中的传统沉淀过程用于沉淀悬浮固体。考虑到产出，有时会使用絮凝。污泥的排出是通过泵或带抓斗的起重机来完成的。
• 为了去除尺寸非常精细和不同尺寸的悬浮固体，增稠剂、澄清剂和澄清絮凝剂可单独使用或组合使用。明矾、氯化铁、硫酸铁和聚电解质等凝结剂可用于悬浮固体的凝结。
• 用于散热和降低温度。热水在冷却池、喷淋池或冷却塔中进行处理。
• 中和——废水pH值控制在6.5到7.5之间。对于这种低 pH 值的酸性水用碱处理，而高 pH 值的碱性水用酸处理。
• 含有油类的废水——为了从废水中收集油类，使用了传统的自然浮选和撇油工艺。脱脂油的收集由移动槽完成。
• 焦炉产生的具有高生物需氧量 (BOD) 的废水通过滴滤池或活性污泥法进行处理。延长曝气的活性污泥法在降低 BOD 值方面更有效。为了适当的微生物分解，焦炉废水需要补充磷以使其营养平衡。如果有未处理的污水，那么添加这种污水有助于活性污泥处理。

典型的污泥处理流程图如图4所示。

图4 污泥处理流程图