清潔生產技術在批量熱浸鍍鋅行業應用

＊黃文俊

（廣東省清潔生產協會 廣東 510030）

鋼鐵材料在人們生活中隨處可見，其廣泛應用于各行各業當中，但由于鋼鐵材料使用過程長期暴露在空氣、土壤、海水等環境之中，容易發生不同程度的腐蝕和損耗。據統計，每年全球由于腐蝕造成損失的鋼鐵材料占總產量的20%[1]。熱浸鍍鋅是將工件浸入熔融的鋅液中從而獲得金屬保護層的一種方法，能有效提高鋼鐵材料的耐腐蝕性，減少損耗。熱浸鍍鋅產品廣泛應用于電力、汽車、化工、建筑等行業當中，同時當前社會對清潔能源的開發利用逐步重視，新能源產業日漸壯大，熱浸鍍鋅產品在風電、光伏等領域亦存在廣闊的發展前景。但是熱浸鍍鋅行業在生產過程中需要消耗大量的資源及能源，排放大量有毒有害環境污染物，隨著國家對環保及能源的管理要求日益提高，這意味著熱浸鍍鋅行業必須朝著綠色低碳方向轉型發展，因此開發熱浸鍍鋅新技術裝備、引進清潔生產技術，這將是熱浸鍍鋅行業實現可持續發展的必經之路。

清潔生產是促進資源利用與環境保護相協調的一種生產模式，與末端治理不同，清潔生產強調的是全過程管控，包括從產品設計、清潔能源及原料替代、工藝技術改進、設備升級改造等多個方面，綜合考慮如何減輕企業生產過程中所產生的污染物對環境的影響，提升資源利用效率。另外在追求減少污染的同時，清潔生產亦兼顧企業的生存發展，通過各種改善措施，強化企業的技術水平及裝備力量，提高人員的素質及企業管理水平，為企業帶來巨大的環境效益及經濟效益，推動企業實現高質量發展。

1.熱浸鍍鋅工藝流程

熱浸鍍鋅工藝按照產品類別不同可分為連續熱浸鍍鋅和批量熱浸鍍鋅兩大類[1]。鋼絲及帶鋼等材料主要使用連續熱浸鍍鋅，而鋼結構件主要使用批量熱浸鍍鋅，批量熱浸鍍鋅產品主要是電力線路鐵塔、路燈桿及道路護欄等。兩者適用范圍不同，生產工藝流程亦有所差異，本文主要針對批量熱浸鍍鋅工藝進行討論。

批量熱浸鍍鋅工藝典型的生產工藝流程為“掛件→脫脂→酸洗→浸助鍍劑→熱浸鍍鋅→冷卻→鈍化→質檢”。在整個生產工藝流程中，企業需要消耗大量鹽酸、鋅錠、助鍍劑、鈍化劑等化學物質，另外生產過程中還要用到大量的能源，單位產品的酸耗、鋅耗及能耗等，一直是衡量熱浸鍍鋅企業工藝技術水平的重要指標，同時在生產過程中還會產生大量有毒有害的廢物。如何降低能源及資源的消耗，減少污染物產生及排放量，是熱浸鍍鋅行業生存發展一直面臨的問題。

2.清潔生產技術在批量熱浸鍍鋅行業應用

清潔生產強調的是全過程管控，滲透企業生產及管理各個方面，本文針對批量熱浸鍍鋅企業存在的主要問題，從原輔材料和能源、技術工藝、設備、廢棄物等多方面探討清潔生產技術在批量熱浸鍍鋅行業應用。

(1)原輔材料和能源

①環保除銹劑替代鹽酸。目前對鋼鐵工件除銹方法主要是以酸洗為主，通過鹽酸與工件表面鐵銹發生化學反應以達到除銹目的，因此在酸洗過程中需要消耗大量鹽酸，產生大量的酸霧。目前已經有大量學者研究使用環保除銹劑替代鹽酸除銹[2-6]。其普遍是以有機酸為主要成分，再添加表面活性劑、緩蝕劑等助劑相混合而成。其反應相對溫和，能有效減少酸霧的產生，對環境更加友好，同時還可以避免強酸除銹過程對鋼鐵材料造成的氫脆現象，可改善產品的性能。

②無鉻鈍化劑。鋼鐵工件在熱浸鍍鋅處理之后，為提升其耐腐蝕性一般會使用鉻酸鹽溶液對鍍層鈍化。鉻酸鹽主要是重鉻酸鉀，鉻存在形式為六價鉻，是水污染中的“五毒”之一，毒性極高。目前鈍化劑替代方向包括無鉻鈍化及三價鉻鈍化劑，其中三價鉻雖毒性遠低于六價鉻，但仍是有一定的毒性，并且三價鉻能夠與六價鉻相互轉化，存在一定的風險。無鉻鈍化相對環境更友好，目前市面上已有部分廠家推出無鉻鈍化劑。武漢某新材料公司，開發出一種有高耐蝕性能的無鉻鈍化劑[7]。其主要成分包括有機磷酸、酸性鋁改性硅溶膠、復合硅烷水解物、鉬酸銨等，能從源頭上避免鉻的使用，減輕污水站處理壓力，同時能提高批量熱浸鍍鋅工件耐蝕性能及耐候性能。

(2)技術工藝

①熱浸鍍鋅添加合金技術。鋼鐵材料在連鑄過程中為防止氣孔的產生，需添加脫氧劑，通常脫氧劑選用的元素包括Al和Si。早在1940年Sandelin（圣德林）就發現含硅鋼鐵材料熱浸鍍鋅時會出現鍍層快速生長，從而產生鍍層灰暗脆而疏松，影響產品品質[8]。該現象稱之為圣德林效應。通過在鋅浴中添加合金，能有效抑制圣德林效應，提高產品質量，目前已經得到有效的應用。大連市熱浸鍍鋅企業，添加鋁鋅合金，令鋅浴中Al含量達0.001%～0.005%，可提高產品光亮度，減少鋅灰的產生并降低鋅耗；添加鎳鋅合金，令鋅浴Ni含量達0.1%左右，能有效抑制圣德林效應，改善產品外觀質量，減少鋅耗；添加含鉍合金，可增加鋅液流動性，改善產品外觀質量，減少鋅耗[9]。

②助鍍劑除鐵再生技術。鍍件在酸洗后往往殘留大量鹽酸及氯化物，帶入助鍍池后長久以來就會導致助鍍池pH降低，鐵鹽濃度增大，影響助鍍劑的質量，同時鐵鹽進入鋅浴后更會以1:25份的形式與鋅結合，增大了鋅耗及鋅渣的產生。因此助鍍池鐵離子濃度及pH值是熱浸鍍鋅工藝中的一個關鍵參數，應用助鍍劑除鐵再生技術，可有效控制助鍍池鐵離子濃度及pH值，并減少助鍍劑的消耗。目前助鍍劑除鐵技術主要工藝流程為“pH調節-氧化除鐵-過濾”，其中氧化除鐵又包括壓縮空氣氧化、臭氧氧化、化學氧化等[10]。其主要目的均為將Fe2+氧化為Fe3+，Fe3+進一步水解形成Fe(OH)3，Fe(OH)3不溶于水通過過濾后便可達到除鐵的效果。廣州某鋼結構件熱浸鍍鋅廠通過采用助鍍劑除鐵再生技術，成功將鐵離子質量濃度從5.0g/L左右減少至1.0g/L以下，實現助鍍劑循環使用，僅需定期補充氯化鋅和氯化銨即可，并且有效鋅渣的產生量，從而降低鋅耗，具有巨大的環境效益及經濟效益。

③無煙助鍍技術。熱浸鍍鋅企業助鍍劑常規成分為NH4Cl、ZnCl2，在生產的過程中NH4Cl容易受熱分解成NH3及HCl，HCl氣體又容易與鍍件表面發生反應，產生含ZnO、FeCl2、ZnCl2、NH4Cl等鹽類及金屬氧化物煙塵，這就是鋅煙廢氣主要來源。目前部分企業對鋅煙廢氣治理不夠重視，廢氣未加以收集治理，部分廢氣無組織排放，對環境及人體健康存在一定危害，若使用無煙助鍍劑替代常規助鍍劑，即可從源頭減少廢氣排放。目前已有相關學者開發出ZnCl2/KCl（NaCl）系、氯鹽與表面活性劑混合系、Cu/Sn系、植酸鹽系等無銨助鍍劑[11]。因這類助鍍劑不含銨，能有效減少鋅煙的產生，從源頭減少污染物的排放，具有明顯的環境效益。

(3)設備

①鍍鋅爐節能減碳改造。鍍鋅爐作為熱浸鍍鋅企業重點節能設備，具有一定的節能減碳潛力。有學者對鋅鍋進行熱平衡測算得出，鋅鍋上表面及四周散熱損耗約占總熱量的39%，煙氣帶走的熱量約占總熱量的23.6%[12]。針對鋅鍋散熱損耗難以做到完全避免，但可以通過提高設備保溫減少損耗，例如使用保溫隔熱材料、控制好鋅浴溫度、加裝鍋蓋在無須進行浸鍍鋅時蓋上鍋蓋等方式減少熱量散失。對于煙氣帶走熱量其可利用空間較大，可將煙氣熱量回收，經過換熱器換熱達到工藝溫度后，回用到脫脂、酸洗槽加熱，以達到節能減碳的目的。另外還可以通過選用效率更高的鍍鋅爐以減少能源消耗，以天然氣鍍鋅爐為例，采用高速脈沖火焰無尾氣引風機的微正壓運行爐型，其每噸鍍件用氣量遠低于主流配套的鍍鋅爐，壽命更長，同時節約引風機用電，減少能耗[13]。

②設備自動化改造。隨著社會科技的發展，對現代化的生產企業提出自動化的要求，自動化工程中應用智能化技術的水平和程度決定了公司生產能力，同時智能化也是實現信息化、網絡化的基本硬件保障。目前國內大部分熱浸鍍鋅企業尚未實現自動化操作，部分企業管理粗放，生產作業環境惡劣，實行自動化改造可有效提升企業的生產效率及技術水平，改善工作環境減少人員勞動強度，具有良好的發展前景。2017年國內首條綠色環保型自動鍍鋅線正式建成[14]。其采用先進的物料的計量與轉運系統，集成模塊化的環保設備，除掛件區、卸料區和生產區的鋅鍋打灰需要人工操作，其余生產線實現全自動化及電腦控制，實現節能、減排、增效的效果。

(4)廢棄物

①優化酸霧收集系統。熱浸鍍鋅企業在酸洗過程中會產生大量的酸霧，因目前酸洗過程主要使用的還是以鹽酸為主，其主要污染物為HCl，具有強腐蝕性，不加以收集處置對環境影響較大。酸霧收集方式主要采用酸霧抑制劑+開放式側吸風罩進行收集，但在實際使用當中，開放式吸風罩收集范圍有限，對于較大的酸洗池收集需要大風量，既不節能也可能造成酸霧逸散無組織排放，因此要提高酸霧收集效率，主要在于提高酸洗區域密封性，使用酸洗密封房或加裝密封罩即可有效提高廢氣收集效率。某企業在原來側面負壓吸收的基礎上加裝橫向可沿軌道移動式封閉罩，從而達到密封的效果[15]。改造后廢氣經檢測達標排放，酸霧收集效率從30%提高至80%，廢酸的回收率由83%提高到91%，節約成本36萬余元，具有明顯的效益。

②廢酸回收系統。企業在酸洗過程中要使用到大量的鹽酸，隨著時間的推移，酸洗液中鐵、鋅等金屬離子會逐漸累積，影響正常的酸洗，必須更換酸洗液，亦由此產生廢酸。按照最新《國家危險廢物名錄》要求，廢酸屬于危險廢物，需委托有資質的危險廢物處置單位轉移處置，這亦增加了企業的成本。廢酸中包含HCl、鐵離子及少量鋅離子，具有一定的回收價值，目前針對廢酸回收利用的方法包括熱水解法/焙燒法、離子交換/酸阻滯法、膜技術、蒸餾法等技術，但其仍存在成本高、容易產生二次污染物等問題[1]。有學者開發出一套零排放處理的新工藝，工藝主要由氧化反應系統、物理分離系統、捕捉離子系統、再生系統、凈化系統組成[16]。可回收廢酸中所有金屬離子及水資源，副產品出售與運營成本相抵，達到廢棄物資源化的目的，且該套系統已經在廣西某送變電公司得以應用，運行情況良好，各項指標均達到預期目標，具有一定的發展潛力。

③鋅渣及鋅灰回收。在熱浸鍍鋅過程中會產生鋅灰及鋅渣，其中鋅灰主要成分為氧化鋅，其次是鋅，鋅渣是鋅液中鐵與鋅形成的鋅-鐵金屬間化合物，鋅鐵質量比約為25:1，含鋅量約96%。雖然通過控制助鍍鐵離子濃度、添加添加劑等方式可減少鋅渣及鋅灰的產生，但仍然無法完全避免其產生，且鋅渣及鋅灰均具有一定回收利用價值，可通過回收鋅渣及鋅灰中的鋅以達到減少鋅耗、減少固體廢物排放的目的。鋅灰雖鋅含量相對鋅渣較低，但目前鋅灰分離技術相對成熟，市面上亦有很多鋅灰分離設備的供應商，通過使用鋅灰分離器能有效分離鋅灰中的鋅、氧化鋅及其他雜質并回收利用，具有一定的推廣空間。鋅渣中鋅含量相對較高，回收利用價值更大，但其回收難度亦更大。目前鋅渣回收利用的主要方法包括蒸餾法、真空蒸餾法、熔析熔煉法、浸出—電解法，另外近年有學者開發出新型動態蒸發—高效冷凝技術成功回收鋅渣中的鋅，實現資源綜合利用的效果[17]。

(5)員工素質及管理

員工素質及管理水平影響著熱浸鍍鋅企業的技術工藝水平，如員工操作不規范可能會影響鍍層質量，鍍件擺放不規范影響生產效率。提升人員及管理水平可通過制定各工序工藝操作規程規范員工作業，并定期開展員工職業技能培訓完善考核制度，提高員工技術水平，降低由于操作不當造成的產品不合格。同時還可以通過加強鋅層厚度監管，安排質檢人員對每一次起爐的工件進行鋅層厚度抽檢，督促員工減少鋅層過厚的現象出現，減低鋅耗，提高資源利用率。

另外部分工廠年限較久，技術裝備較為落后，人員技術水平亦不高，難以發現并解決工廠存在的問題。目前有專業熱浸鍍鋅技術公司，可根據熱浸鍍鋅企業存在的問題提出解決方案，并提供專業的運營團隊，為企業提供熱浸鍍鋅車間及相關污染物治理設施的運維服務，全面提升企業專業技術能力及環境管理水平。

3.結語

目前社會上已涌現大量熱浸鍍鋅清潔生產技術，但是在實際推廣當中往往還面臨著企業領導不重視、員工不積極、缺乏技術指導及資金來源等問題。一方面企業人員需要從觀念上進行轉變，要明白清潔生產是推進企業綠色低碳轉型，實現可持續發展的重要手段。另一方面要加快清潔生產技術的推廣與應用，加強熱浸鍍鋅企業與相關領域科研單位交流合作，解決清潔生產技術在實際應用中遇到的困難，加快清潔生產技術的成果轉移轉化，推進熱浸鍍鋅行業升級轉型，實現低碳環保、綠色高質量發展。