Эффективное управление водными ресурсами и контроль загрязнений на современных металлургических заводах

Управление водными ресурсами и контроль загрязнений на сталелитейном заводе

Вода — критически важный ресурс для производства чугуна и стали. Долгое время она считалась дешевой и неисчерпаемой, и металлургическая отрасль воспринимала её как должное. Однако в современных условиях водные ресурсы становятся всё более дефицитными из-за растущего дисбаланса между доступностью пресной воды и её потреблением. Обеспечение доступа к чистой и безопасной пресной воде стало одной из главных проблем современного общества.

Причины роста водопотребления

• Рост населения и миграция в засушливые регионы
• Быстрое промышленное развитие и увеличение водопотребления на душу населения
• Климатические изменения, приводящие к смене погодных режимов в населённых районах

Это перевело сталелитейную отрасль в новую эру ограниченности водных ресурсов. За последние три десятилетия экологическая озабоченность выросла во всем мире, что привело к ужесточению экологического законодательства. Угроза будущего дефицита воды заставила отрасль пересмотреть свою водную стратегию в сторону снижения потребления пресной воды.

Вызовы водного менеджмента

Доступность и качество пресной воды — ключевые проблемы для управления сталелитейным заводом, решение которых необходимо для повышения устойчивости производственного цикла. Воду, как и сталь, можно повторно использовать и перерабатывать. Однако увеличение водообращения после очистки и охлаждения может ухудшать качество воды. Поэтому заводы должны постоянно совершенствовать технологии очистки для снижения водопотребления. Водные вызовы (доступность, сезонный дефицит, конкуренция с другими потребителями) зависят от расположения завода, поэтому важны локальный подход и индивидуальные решения. Жизненный цикл воды показан на рис. 1.

Баланс воды на интегрированном заводе

Интегрированный сталелитейный завод использует большие объёмы воды, но фактическое потребление невелико, так как большая часть воды повторно используется или возвращается в источник. Основная потреблённая вода испаряется, а около 90% (в среднем 88% на интегрированных заводах и 94% на заводах с ЭАФ) сбрасывается после очистки и/или охлаждения и часто используется другими хозяйствами. Вода, не потреблённая на заводе, очищается, охлаждается и возвращается в источник. Часто сброшенная в реки вода чище, чем забираемая на вводе.

Потребность в воде по процессам

Сталелитейный завод включает процессы от подготовки сырья до проката готовой стали. Все они нуждаются в воде. При использовании вода загрязняется загрязнителями в различных количествах и концентрациях. Типовая потребность в воде варьируется от 20 до 150 м³ на тонну сырую сталь. Потребление воды считается разницей между забором и сбросом. Общее потребление зависит от очистных и рециркуляционных сооружений и обычно составляет 1,5–4 м³ на тонну сырую сталь.

Основные способы использования воды

• Охлаждение, пылеподавление, очистка, температурный контроль (термическая обработка), транспорт отходов (зола, ил, шкала)
• Технологические нужды: регулирование влажности коксовочного угля, пелетизация синтерсмеси, производство зелёных пеллет при производстве железорудных пеллет, парогенерация, грануляция доменной шлака

Большое водопотребление порождает значительные объёмы сточных вод, требующих очистки перед сбросом. Любое технологическое улучшение охлаждения, дающее даже небольшое снижение потребления, может сберечь крупные объёмы воды в природе и уменьшить водный след.

Водный след и стратегии управления

Водный след — концепция, позволяющая количественно оценить отбор пресной воды. Методология была введена Хекстра как индикатор отбора пресной воды для квантификации и картирования косвенного водопользования и демонстрации роли потребителей и производителей в цепочках поставок.

Стратегии водного управления помогают заводу восстанавливать, повторно использовать и перерабатывать воду, что приносит существенную экономию за счёт снижения забора и объёмов сброса. Управление водой на интегрированном заводе в первую очередь зависит от локальных условий, доступности воды и нормативных требований.

Устойчивое водопользование

В современных условиях водное управление стало одной из важнейших частей устойчивого сталелитья. Устойчивое управление водой критически важно для руководства завода из-за существенной ценности воды для общества. Руководство должно постоянно оценивать наилучшие способы использования воды и находить улучшения в её сохранении и повторном использовании.

Повторное использование и переработка воды повышают эффективность и снижают спрос и затраты. Увеличение рециркуляции и каскадное использование воды от более высокого качества к более низкому позволяет существенно снизить забор и потребление. Однако перед внедрением систем повторного использования необходимо учитывать потенциальный рост энергопотребления.

Энергоэффективность и комплексный подход

Наиболее эффективный способ снизить забор — повторное использование с очисткой и охлаждением между циклами. Некоторые обработки (охлаждение) требуют много энергии и могут увеличить потребление из-за более интенсивного испарения. Дополнительные процессы часто конфликтуют с целями снижения энергопотребления и ведут к росту выбросов CO₂. Поэтому эффективность водообращения оценивается комплексно, с учётом всех экологических аспектов.

Энергоэффективность — ключевой аспект водного управления. Меры по снижению водопотребления должны сочетаться с энергоэффективными насосами и системами тепловозврата. Энергоэффективные насосы снижают энергию на забор, очистку и циркуляцию воды. Эффективность водопользования должна учитывать реальное потребление (разницу забора и сброса того же или лучшего качества), а также доступность и влияние на другие ресурсные категории (энергию). Повторное использование воды в высокотемпературной отрасли может увеличить её потребление.

Факторы, влияющие на водопотребление

• Доступность воды
• Применяемые технологии
• Возраст и состояние завода и оборудования
• Типы производственных процессов
• Эксплуатационные процедуры

Три ключевых фактора эффективного водного управления: качество подкармливающей воды, климатические условия и нормативные требования.

Основные водные проблемы

• Качество технологической воды
• Качество сточных вод
• Рециркуляция и минимизация потребления
• Загрязнители в воде
• Внедрение новых технологий водного управления
• Внедрение технологий очистки сточных вод и их стоимостная эффективность

Учитывая рост потребления, дополнительные энергозатраты и необходимость утилизации побочных продуктов, критически важен комплексный подход со счётом всех экологических аспектов при внедрении технологий снижения водопотребления и очистки для достижения нулевого сброса сточных вод. Рисунок 2 показывает комплексный подход.

Виды использования воды

Вода имеет множество применений на металлургическом заводе, и требования к качеству различаются. Существуют разовые системы и системы с частичной или полной рециркуляцией.

Основной объём воды используется для охлаждения — защиты оборудования и улучшения условий труда. Меньшая, но значительная часть — как технологическая вода. Небольшое количество — для питания котлов и бытовых нужд.

Качество воды варьируется в зависимости от места использования. Пресная вода в основном для процессов и прямого/косвенного охлаждения, морская — для разовых систем охлаждения после противообивательного предварительного обращения. Использование пресной воды считается индикатором эффективности. При прямом охлаждении вода контактирует с материалом и оборудованием, при косвенном — нет.

Морская вода в основном для разового охлаждения без пред- и пост-обработки, не контактируя с материалом. Пресная вода — для процессов и охлаждения, контактирует с материалом и оборудованием, очищается перед повторным использованием или сбросом. Важнейшие виды использования воды на интегрированном заводе:

• Технологические нужды: регулирование влажности коксовой смеси, мокрое заглушение кокса, добавка в синтерсмесь для пелетизации в барабане, опрыскивание воды верхом доменной печи для контроля температуры, грануляция жидкого доменного шлака, отлив чугуна, непрерывная разливка, обкаливание стали перед горячей прокаткой, онлайн термообработка и температурный контроль в горячих прокатных станах, регулировка силы kisлоты при декаливание и др.
• Кондиционирование материалов: транспорт шкали при непрерывной разливке и горячей прокатке, увлажнение сырья для пылеподавления при транспорте и хранении, приготовление суспензий для трубопроводного транспорта, гидротранспорт золы в золонакопитель и хранение.
• Охлаждение, очистка и кондиционирование газов различных процессов.
• Теплопередача: водяное охлаждение оборудования, валков, обмуровки печей (прямое и косвенное).
• Парогенерация для технологических нужд и выработки энергии — требуется деминерализованная вода.
• Разное охлаждение: печи и огнеупоры перед ремонтом/перекладкой, остывание проливов металла и шлака перед транспортировкой.
• Водные растворы ( 모르тары, наполнение желобов, глины) требуют дозированного добавления воды.
• Очистка сточных и канализационных вод: добавление воды для эффективной обработки и реакций, нейтрализация кислых выбросов.
• Уборка и промывка цехов для удаления осевшей пыли.
• Вентиляция электроцентралей и тоннелей влажным воздухом (опрыскиватели).
• Пожарная защита, питьевая вода, кулеры, столовые, санузлы.
• Поддержка зелёных насаждений на территории завода для экологии.

Схема водопотока и терминология

Схема водопотока на сталелитейном заводе показана на рис. 3. Термины, используемые для различных типов воды, описаны ниже.

Основные термины

• Заборная вода — вода, откачиваемая из водоёма насосной станцией забора и поступающая в водную систему завода.
• Подкармливающая вода (Make-up water) — вода, добавляемая в систему для компенсации потерь: в технологическом процессе, испарения, утечек. Особенно актуально для рециркуляционных систем.
• Технологическая вода — вода, контактирующая с готовым продуктом или материалами, входящими в его состав. Включает потоки, контактирующие с сырьём или готовыми продуктами, или становящиеся частью продукта. Применения: физическое разделение компонентов руды, закалка, обкаливание, цинкование, плавление; компонент растворителей, кислот, эмульсий для очистки, дегрязирования, промывки стальных поверхностей.
• Охлаждающая вода — вода, используемая исключительно для охлаждения. Основной объём воды на заводе. Включает контактное охлаждение в горячих/холодных прокатных станах, охлаждение отходящих газов, печей и духовок.
• Деминерализованная вода — вода, удалённая от минералов. Используется как питательная вода котлов. Необходима для химических процессов, где минералы могут мешать. Обезьянчивается удалением нежелательных минералов. Имеет большую проводимость, чем деионизированная вода.
• Питательная вода котлов — деминерализованная вода для генерации технологического пара, приводящего процессы сталелитья. Котлы требуют высоких стандартов качества воды для безопасной работы при высоких температурах и давлениях. С надлежащей предобработкой вода из различных источников может рециркулироваться как подкармливающая котлов.
• Пожарная вода — для тушения пожаров.
• Мягкая вода — низкое содержание ионов кальция и магния. Получается процессам смягчения. Не образует накипи в системах нагревания и косвенного охлаждения. Может содержать повышенные уровни ионов натрия и бикарбоната.
• Сточная вода (Effluent) — сточные воды, сбрасываемые из системы. Внутри завода сточные воды одного участка могут быть заборными для другого. Потребление трудно определить, обычно считается разницей забора и сброса или оценивается оператором. В разовых системах сброс обычно не измеряется.
• Бытовая (санитарная) вода — для питья и санузлов.
• Хозяйственная вода — уборка цехов, пылеподавление, промывка отходов.
• Прочие виды использования — вентиляционные системы, транспортировка отходов (суспензии), озеленение и др.

Загрязнители в сточных водах

Водное управление критически важно для успешной работы интегрированного завода, так как ему требуется много воды. В процессе работы вода загрязняется. Разделить контроль загрязнения воды и водное управление трудно. Хорошее водное управление снижает загрязнение, а контроль загрязнения требует хорошего управления. Цель — нулевой или минимальный сброс за пределами завода. Это достигается сложными системами очистки для рециркуляции, что снижает потребность в подкармливающей воде и загрязнение, а также затраты на очистку перед сбросом.

Основные загрязнители:

• Коллоидные и взвешенные твердые частицы: мелкие фракции руды и флюсов, шкала, песок, зола, угольная и коксовая крошка.
• Температура и тепло: охлаждающая вода, периодический сброс котлов.
• Нефтепродукты: прокатные масла, смазки, гидравлические масла, закалочные масла, топливные масла, растворители, смолы, пич.
• Химикаты: декаливающие ванны, кислотные илы, щелочные промывки, известь, отработанный аммиачный спирт, периодический сброс котлов, токсичные химикаты.
• Бытовые сточные воды: столовки, санузлы, раздевалки, туалеты.

Сброс неочищенных сточных вод загрязняет водоёмы, поэтому адекватная очистка обязательна. Основные методы очистки:

• Осадочные резервуары: конвенциональный процесс в прямоугольных или круглых резервуарах для осаждения взвешенных твердых частиц. Иногда используется флокуляция. Ил удаляется насосами или краном с граблем.
• Толщимеры, кларификаторы, кларифлокуляторы — для удаления мелкодисперсных взвешенных твердых частиц. Коагулянты: сульфат алюминия, хлорид железа, сульфат железа, полиэлектролиты.
• Удаление тепла: горячая вода обрабатывается в охлаждающих прудах, распылительных бассейнах или охлаждающих башнях.
• Нейтрализация: pH сточных вод контролируется в диапазоне 6,5–7,5. Кислые воды нейтрализуют щелочами, щелочные — кислотами.
• Удаление масел: естественная флотация и скувание. Скуемое масло собирается подвижными желобами.
• Сточные воды коксовых печей с высоким БПК: биологическая обработка в капальных фильтрах или методом активированного илла. Метод активированного илла с продолжительной аэрацией эффективнее для снижения БПК. Для микробного распада требуется фосфор для баланса питательных веществ. Добавка сырой канализации помогает процессу.

Типовая схема обработки ила показана на рис. 4.