鋼鐵有色行業水資源高效循環利用技術及示范

張書廷*，呂學斌

（天津大學環境科學與工程學院）

“國家重點研發計劃”

鋼鐵有色行業水資源高效循環利用技術及示范

張書廷*，呂學斌

（天津大學環境科學與工程學院）

鋼鐵有色工業是規模龐大的基礎性產業，同時也是高耗水行業。多年來，為適應我國嚴重缺水的國情，通過干法除塵、多級串級供水等諸多節水技術及策略，取得了顯著的節水效果。但是，作為高耗水和長產業鏈的行業，在諸多工序仍存在著耗水多、回用不足的突出問題，在工藝節水、水替代、廢水處理等方面還存在著關鍵技術難題，阻礙著行業耗水的進一步降低，與我國嚴重缺水的國情用水要求之間的矛盾還很突出。

縱觀鋼鐵有色全產業鏈可知，鋼鐵有色工業的耗水主要發生在幾個共性的高耗水過程單元和高耗水環節及工藝。如冶金的主流工藝是火法冶煉，其基本特點是將物料加熱到高溫后再冷卻，冷卻過程以水為介質，升溫后的水需要通過蒸發降溫再利用也即循環冷卻，循環冷卻水的蒸發耗水巨大；同時，各種反復循環使用帶來的濃縮水排放、大量產生的含硫煙氣的脫硫等操作單元，也是冶金行業的主要共性高耗水過程單元。另外，鋼鐵有色行業的產業鏈上存在著幾個非常突出的高耗水工序和高耗水工藝，如焦化行業荒煤氣冷卻、蒸氨的蒸汽冷凝、選礦沉降庫蒸騰和滲漏等，現行的釩冶煉、錫冶煉工藝等。另一方面，冶金行業不僅耗水量大，而且進入了低利微利時代，節水措施的實施需要有經濟效益的支撐和保障。因此，只有有效益的節水，才能得到應用和普及。

基于上述問題，2016年10月，國家重點研發計劃“水資源高效開發利用”重點專項“鋼鐵有色行業水資源高效循環利用技術及示范”項目正式啟動。該項目由天津大學牽頭，河鋼集團有限公司、邢臺旭陽煤化工有限公司、昆明理工大學、大禹偉業（北京）國際科技有限公司、哈爾濱工業大學、銅陵有色金屬集團股份有限公司、昆明鼎邦科技有限公司、河南鑫磊能源有限公司、中國恩菲工程技術有限公司、北京科技大學等11家單位共同參與，項目負責人是張書廷教授。項目投入總經費8197萬，其中：中央財政經費2197萬，執行年限為2016年7月到2020年6月。

本項目在降低行業耗水的同時兼顧區域性產業高耗水和局部性水問題的解決，提煉了8個課題進行研究開發和示范，擬分別從以下三方面實現節水達到水資源的高效利用。

1 行業共性高耗水過程單元的節水

（1）冶金行業循環冷卻水的氣溫隨動多介質制冷節水技術

冶金工業生產過程對冷卻能力要求嚴格，單純空氣冷卻要滿足盛夏高溫時段的冷卻要求，就需要十分龐大的裝備。本課題著眼于空氣冷卻能力隨大氣溫度變動與滿足工業冷卻穩定負荷要求之間的時段特征，探索空氣冷卻—輔以末端機械制冷控溫—盛夏滲水汽化負荷削峰的多介質氣溫隨動冷卻模式；通過應用所開發的短程梯級滲流液膜兩棲—節點雙回路高效空冷器，做到無液滴夾帶削峰液膜滲流、無垢氣水復合及內循環水路隨動耦合，實施夜間谷電儲冷水白天高溫段冷卻進行末端控溫的機械制冷運行方式。與傳統的空氣冷卻相比，本技術可大幅降低設備投資，實現循環冷卻水的低成本空氣冷卻。

（2）高鹽廢水蒸發結晶脫鹽及回用技術

利用開發成功的新型蒸發結晶器及高濃液多效蒸發系統，結合高效媒晶劑，解決高鹽廢水蒸發結晶脫鹽過程結垢嚴重的難題。通過裝備創新（集成新型結晶器及高濃液多效蒸發等），藥劑創新（高效媒晶劑）相耦合，實現高效低成本濃鹽廢水的高回用率及鹽資源化，解決水循環利用中濃縮水去向的突出問題。

（3）節水節能型冶煉煙氣凈化與資源化技術集成

針對冶煉煙氣中SO2吸收解吸濃縮資源化、吸收劑再生循環利用的脫硫工藝中，冷凝耗水和廢液排放的高耗水，依據所開發的新型離子液吸收劑的優勢，提出“化學作用-溶劑化作用-物理作用”多重機理協同強化煙氣脫硫方法，形成高效可再生的新型脫硫吸收劑及其相關技術。由于新型吸收劑的富液熱解吸所需能量較低，降低了解吸能耗所致的冷凝水耗，同時使去除雜質的離子交換廢液量減少，實現低耗水的冶煉煙氣脫硫與資源化。

2 高耗水工藝環節的源頭節水

（1）煉焦煤多效密相分級干燥節水節能增效技術

將煉焦煤分級后大顆粒進行深度干燥，深度降低水分，細粉凝聚顆粒化或淺度干燥，既降低了煤炭水分，又極大地降低了裝煤過程的粉塵發生量，為煉焦煤干燥的工業應用掃除障礙；所開發的煤炭多效移動床密相干燥技術，在大幅降低設備投資的同時，大幅降低了荒煤氣冷卻能耗和水蒸汽冷凝放散造成的水消耗，也為降低優質煉焦煤使用比例，降耗增效提供一條經濟可行的技術手段。

（2）密閉汽化熄焦廢水炭化處理節能節水技術

通過開發成功的既能密封承壓又能耐高溫急冷急熱的熄焦罐、快開快關的鎖緊機構及均勻熄焦技術，實現密閉狀態下直接向紅焦炭噴灑剩余氨水，在熄焦的同時產生帶壓蒸汽、經熱能利用后再使蒸汽凝縮的熄焦和廢水源頭處理。由密閉熄焦替代蒸氨過程，省去化產車間最大的耗能工序，由此省去了蒸氨凝縮的冷卻水蒸發損耗，達到節水的目的，并解決廢水難降解和蒸氨耗能問題，開創一種傳統濕熄焦和干熄焦之外的另一種熄焦技術路線。

（3）浮選及尾礦處理復合官能團分離劑及應用技術

針對現行選礦所需大型壩庫導致的蒸騰和滲漏的高耗水問題，開發了新型浮選及尾礦處理合一的復合官能團藥劑，在基本不改變原有工藝和主要設備的情況下，直接替代現有添加劑和調整劑，通過多功能選礦添加劑及其應用技術，有效提高難選，復雜或多泥礦石選礦回收率，增強尾礦在固液分離中的脫水效果和有效利用回水。在提高礦石浮選效率和效果的基礎上，促進尾礦快速固液分離，減少沉降庫的蒸騰和滲漏水損失，達到節水目的。

項目總體技術路線圖

3 高耗水工藝的工藝革新節水

在總體耗水方面，有色冶金工業雖遠少于鋼鐵行業，但對產業集中的區域而言，解決有色冶金耗水帶來的缺水問題也是重要課題。本項目針對釩冶煉和錫冶煉進行節水技術開發并示范。

（1）釩冶金廢水源頭消減技術

開發以釩渣亞熔鹽低溫液相氧化、鹽析結晶分離-鈣化轉型、釩酸鈣銨化清潔提釩新工藝，解決傳統鈉化焙燒提釩工藝帶來的酸性氨氮廢水問題，及鈣法焙燒提釩工藝帶來的釩收率低產生有毒尾渣的問題，實現了釩化工工藝的綠色轉型升級和工藝變革節水。同時避免了傳統生產高純釩過程中水耗大、污染重的問題。

（2）粗錫精煉短流程節水技術

開發以結晶—真空蒸餾為核心的粗錫短流程精煉新技術，熔析凝析除鐵、利用各元素在氣—液—固相間的分布規律差異，通過結晶分離和真空蒸餾脫除錫中鉛、鉍、銀等雜質，研發結晶和真空蒸餾單元技術與協同工藝，及新裝備并示范。新技術能夠提高錫收率、并高效回收粗錫中鉛、銻、砷、銀、鉍等，減少固廢排放，省去傳統的電解精煉工序，通過技術工藝變革實現源頭節水。

通過應用本項目團隊已開發的關鍵技術，經過進一步深化、完善、示范及應用，可顯著降低鋼鐵行業的耗水量，使粗鋼單位產品耗水量降低15%，噸釩錫的耗水量降低 20%。按2015年全國粗鋼產量8億噸，噸鋼耗水量4.0 m3計算，本項目技術在占全國80%的鋼鐵產量的企業中得到應用，每年可節約用水約3.84 億噸。同時，通過本項目技術的應用，在提高鋼鐵有色行業水資源利用效率的同時，還可降低設備成本、減少消耗、增加收益，通過工業過程節水，為實現增效益的節水和能普及的節水提供有效的技術手段。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.02.105

*責任作者： 張書廷（1956—），男，教授，天津大學環境科學與工程學院，研究方向為水資源高效利用，E-mail：stzhang@tju.edu.cn。