製鉄所の水管理と汚染防止

鉄鋼プラントの水管理と汚染管理

水は、製鉄所での鉄鋼の生産に必要な重要なユーティリティです。安くて豊富な水は、何世紀にもわたって鉄鋼業界が当たり前と思っていた生産ユーティリティでした。しかし、現在のシナリオでは、淡水の利用可能性と消費の不均衡が拡大しているため、水資源がますます不足しているため、清潔で安全な淡水へのアクセスが現代社会の主要な課題の1つになっています。

（i）人口の増加と干ばつが発生しやすい地域への移住、（ii）急速な産業開発と一人当たりの水使用量の増加、（iii）人口密集地域の気象パターンの変化につながる気候変動により、水需要は増加し続けています。 。これにより、鉄鋼業界は新しい水制約の時代に入りました。さらに、過去30年間で、環境汚染への懸念が世界中で高まっており、これにより、より制限的な環境規制が公布されています。将来的に水資源が不足する恐れがあるため、鉄鋼業界は淡水の消費量の削減に向けた水戦略と政策へのアプローチを変更しました。

淡水の利用可能性と水質が大きな懸念事項であるため、水管理は鉄鋼プラント管理が直面する重要な課題であり、これは生産サイクルの持続可能性を改善するために直面​​しています。鋼のように、水は再利用およびリサイクルできます。ただし、洗浄と冷却後の水のリサイクルが増えると、水質が低下する可能性があります。したがって、鉄鋼プラントは、水の消費量を削減するために洗浄技術を継続的に改善する必要があります。さらに、水に関連する課題（つまり、可用性、季節的な不足、他のユーザーとの競争）は、プラントの場所によって異なります。ローカルなアプローチとオーダーメイドのソリューションを用意することが重要です。水のライフサイクルを図1に示します。

図1水のライフサイクル

統合された鉄鋼プラントでは大量の水が使用されます。ただし、ほとんどの水は再利用または水源に戻されるため、消費量は多くありません。消費水の大部分は蒸発し、水の約90％（統合プラントでは平均88％、EAFベースのプラントでは94％）が洗浄および/または冷却後に排出され、他のユーティリティで頻繁に使用されます。製鉄所で消費されなかった水は、洗浄、冷却され、水源に戻されます。河川やその他の水源に戻される水は、取水ポンプで抽出される場合よりもきれいになることがよくあります。

製鉄所には、原材料の準備から仕上げ鋼の圧延まで、さまざまなプロセスが組み込まれています。これらすべてのプロセスには水が必要です。これらのプロセスで水を使用すると、さまざまな量と濃度の汚染物質で汚染されます。製鉄所のさまざまなプロセスにおける典型的な水の必要量は、製鉄所間で広く、粗鋼1トンあたり20立方メートルから、粗鋼1トンあたり150立方メートルの範囲に及ぶ可能性があります。これらの水量に対するポンプ能力は、鉄鋼プラントのさまざまなプロセスが機能するために必要です。水の消費量は、取水量から排水量を差し引いたものと見なされます。全体的な水の消費量は、製鉄所の水処理および再循環施設によって異なり、通常、粗鋼1トンあたり1.5立方メートルから、粗鋼1トンあたり4立方メートルの範囲です。

製鉄所では、冷却、粉じん抑制、洗浄、温度管理（熱処理）、廃棄物（灰、汚泥、スケールなど）の輸送など、さまざまな用途に大量の淡水を使用しています。水は、原料炭混合物の水分含有量を制御するための水の添加、焼結混合物のペレット化、鉄鉱石ペレットの製造中のグリーンペレットの製造、蒸気の製造、したがって電力など、いくつかの鉄鋼プラントプロセスの重要な部分です。 、高炉スラグの造粒など。大量の水を使用すると、大量の廃水が発生し、排出前に処理する必要があります。

製鉄所では大量の水が使用されているため、冷却技術の技術的向上により水の消費量がわずかに削減されるため、自然環境で大量の水を節約し、水を最小限に抑えることができます。フットプリント。鉄鋼業界の水消費量を最小限に抑える方法と技術を探すことが重要です。

ウォーターフットプリントは、淡水の流用の定量化を可能にする新しい概念です。ウォーターフットプリントの方法論は、間接的な水の使用を定量化してマッピングし、水管理にサプライチェーンに沿って消費者と生産者を関与させることの関連性を示すことを目的として、淡水流用の指標としてHoekstraによって導入されました。

水管理戦略は、鉄鋼プラントが水を回収、再利用、および/またはリサイクルするのに役立ちます。これにより、取水量の需要を最小限に抑え、排出量を削減することで、大幅なコスト削減を実現できます。統合された鉄鋼プラントの水管理は、主に地域の状況、水の入手可能性、および規制要件に依存します。

最近では、水管理は持続可能な鉄鋼の最も重要な部分の1つになっています。水の持続的な管理は、社会にとって水の本質的な価値があるため、鉄鋼プラントの管理にとって非常に重要です。鉄鋼プラントの経営者は、水管理を真剣に受け止める必要があります。管理者は、水の最適な使用方法を常に評価し、その保全と再利用の両方で改善を見つける必要があります。

鉄鋼の場合と同様に、水は再利用およびリサイクルできます。これにより、水の使用効率が向上し、その需要とコストが削減されます。水のリサイクルとカスケード水の使用量を高品質から低品質に増やすことで、製鉄所での水の使用量と消費量を大幅に削減できます。ただし、水再利用管理システムを実装する前に、エネルギー使用量の潜在的な増加を考慮する必要があります。

水分摂取量を減らす最も効果的な方法は、それを再利用することです。これには通常、各使用の間に水の流れを洗浄および冷却することが含まれます。冷却などのこれらの処理の一部は、大量のエネルギーを必要とし、蒸発量が多いために水の消費量が増加する可能性があります。必要な追加のプロセスは、エネルギー消費を削減するという目的と常にほぼ矛盾しています。これは、二酸化炭素の排出量が増えることを意味します。したがって、すべての環境側面を考慮に入れて、統合された方法で水の再利用の有効性を評価する必要があります。

したがって、エネルギー効率は鉄鋼プラントの水管理において非常に重要な側面です。水の削減対策は、エネルギー効率の高いポンプと熱回収設備の使用と組み合わせる必要があります。エネルギー効率の高いポンプは、水抽出、水処理、および水循環に必要なエネルギーが少ないことを意味します。さらに、水の使用効率は、実際の消費量、つまり（同じかそれ以上の品質の）取水量と排出量の違い、および可用性の側面とエネルギーなどの鉄鋼プラントの他の資源カテゴリへの影響を考慮することです。また、鉄鋼プラントなどの高温産業で水を再利用すると、水の消費量が増える可能性があります。

鉄鋼プラントの水消費量は非常に大きく異なり、（i）水の利用可能性、（ii）採用されている技術、（iii）プラントと設備の年齢と状態、（iv）生産の種類などのいくつかの要因に依存します。プロセス、および（v）プラントの操作手順。効率的な水管理に不可欠な3つの基本的な要素は、（i）補給水の水質、（ii）製鉄所の場所の気候条件、および（iii）規制要件です。

製鉄所の水管理に影響を与える主な水関連の問題は、（i）必要なプロセス水の水質（ii）廃水の水質、（iii）水のリサイクルとその消費の最小化、（iv）水、（v）水管理のための新技術の実装、および（vi）廃水処理技術の実装とその費用対効果。

消費量の増加、必要な追加エネルギー、および生成された副産物の処理/処分の必要性のために、さまざまな減水および処理技術の導入を検討する際には、すべての環境側面を考慮した全体的なアプローチをとることが重要です。排水をゼロにすることを目的としています。したがって、水資源への全体的な影響を全体的に把握することが重要です。図2は、水管理への全体的なアプローチを示しています。

図2水管理への全体的なアプローチ

水の使用

水は鉄鋼プラントで多くの用途があり、それぞれの用途に必要な水質も異なります。さらに、1つのスルーシステムが存在する場合もあれば、水の部分的または完全な再循環を伴うシステムが存在する場合もあります。

鉄鋼プラントの水のほとんどは、冷却、機器の保護、および職場の労働条件の改善に使用されます。少量ですが、それでもかなりの量の水がプロセス水として使用されます。少量の水は、ボイラー給水として、また生活用水および給水として使用されます。

水は冷却作業だけでなく、他の目的にも使用されます。工場内のさまざまな場所で必要な水を満たすために必要な水質はさまざまです。さらに、淡水は主にプロセスと直接および間接冷却に使用されますが、海水は通常、防汚前処理後の貫流冷却に使用されます。淡水の使用は通常、パフォーマンス指標と見なされます。直接冷却では、水は材料や機器に接触しますが、間接冷却では、水は材料や機器に接触しません。

海からの水は、主に前処理や後処理なしの貫流冷却に使用されます。材料や機器とは接触しません。淡水は主にプロセスと冷却に使用されます。材料や機器と接触し、再利用または排出する前に処理されます。統合された鉄鋼プラントでの水の重要な用途を以下に示します。

• プロセスのニーズを満たすには水が必要です。例としては、石炭混合物中の水分の調整、コークスの湿式急冷、ペレット化ドラムでのペレット化のための焼結混合物への添加、高炉（BF）上部での最高温度制御のための水の噴霧、液体BFスラグの造粒、豚鋳造、連続鋳造があります。 、熱間圧延前の鋼のスケール除去、熱間圧延機でのオンライン熱処理と温度制御、およびピクルス酸の強度の調整など。
• 水は、取り扱いと輸送を容易にするために材料の調整に使用されます。例としては、連続鋳造および熱間圧延でのスケールの輸送、輸送および保管中のダスト抑制のための原材料への水の添加、パイプライン輸送用のスラリーの作成、灰池へのフライアッシュの輸送およびそこでの保管などがあります。
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• さまざまなプロセスで発生するさまざまな種類のガスが冷却され、洗浄され、水で調整されます。
• 水は熱伝達に使用されます。さまざまな設備、ロール、炉のシェルは水で冷却されます。この目的には、直接冷却と間接冷却の両方の方法が採用されています。
• プロセスのニーズと発電の目的で蒸気を生成するには、脱塩水が必要です。
• 水は炉などのその他の冷却に使用され、耐火物は修理やリライニングを行う前に水で冷却されます。金属とスラグのこぼれは、輸送前に水で冷却されます。
• 水ベースのモルタル、ランナーマス、および粘土には、測定された量の水が必要です。
• 下水および水処理プロセスでは、効率的な処理とより良い反応のために水を追加する必要があります。酸性排水を中和するためにも水が必要です。
• 製造現場の清掃と洗浄には水を使用し、製造現場に付着したほこりを洗浄します。
• 電気制御室とトンネルは、水噴霧器が使用される湿った空気で換気されます。
• 水は製鉄所の消火目的で使用されます。水は、飲料水、クーラー、食堂、洗面所にも使用されます。
• 製鉄所は、環境保護のために工場内の緑を維持するためのものです。この活動には水が必要です。

水の流れ図と水に使用される用語

製鉄所の水流図を図3に示します。図のさまざまな種類の水に使用される用語を以下に説明します。

図3鉄鋼プラントの水流図

水を飲む –これは、取水ポンプハウスの水域から汲み上げられ、製鉄所の水システムに追加される水です。

化粧水 –水システムに追加されるのは水です。再循環水を使用するシステムでは、補給水が頻繁に必要になります。 （i）プロセスで失われた水、（ii）蒸発によって失われた水、および（iii）漏れによって失われた水を補うためにシステムに追加されるのはその水です。

プロセス水 –最終製品または最終製品に組み込まれた材料と接触するのは水です。プロセス水には、鉄鋼生産の原材料または最終製品と接触する、または最終製品の一部となるストリームが広く含まれます。鉱石成分の物理的分離、急冷硬化、スケール除去、亜鉛メッキ、メッキなど、多くのプロセス水用途があります。プロセス水は、鋼の表面の洗浄、脱脂、およびすすぎに使用される溶剤、酸、およびエマルジョンの成分でもあります。

冷却水 –冷却専用の水です。冷却水とは、鉄鋼製品および関連機器からの過剰な熱を放散するために使用されるストリームを指します。冷却アプリケーションは、鉄鋼プラントで使用される水の大部分を占め、熱間および冷間圧延プロセスでの接触冷却、オフガス冷却および封じ込め、オーブンおよび炉の冷却、およびその他のアプリケーションが含まれます。

施設から排出される水の量は、使用する冷却システムの種類によって大きく異なります。貫流冷却システムは水に対する需要が最も高く、再循環冷却システムは繰り返し冷却サイクルのためにほぼすべての水を保持します。

脱塩水 –脱塩水とは、水のミネラルが除去された水です。脱塩水はボイラー給水としても使用されます。脱塩プロセスは通常、水が化学プロセスに使用されるときに行われ、存在するミネラルが他の化学物質と干渉する可能性があります。脱塩プロセスでは、不要なミネラルを除去することで水を柔らかくします。脱塩水は脱イオン水よりも導電率が高くなります。

ボイラー給水 –脱塩水はボイラー給水として使用されます。ボイラー給水は、鉄鋼生産に関連する多くのプロセスに電力を供給するために使用されるプロセス蒸気を生成するために使用されます。ボイラーは、プロセスの加熱と冷却、および機械式駆動システムと圧力制御システムに電力を供給するためのエネルギーを生成するために使用されます。ボイラーは、通常の高温高圧の運転条件下で安全に機能するために、高い水質基準を必要とします。ただし、適切な前処理を行うことで、さまざまな水源からの水をボイラー補給水として使用するためにリサイクルできます。

消火用水 –これは製鉄所の消火に使用される水です。

軟水 –軟水とは、低濃度のイオンを含み、特にカルシウムとマグネシウムのイオンが少ない水です。この用語は、軟水化プロセスによって生成された水を表すために使用されます。軟水には、高レベルのナトリウムイオンと重炭酸イオンが含まれている場合もあります。軟水は、給湯システムおよび間接水冷システムでカルシウム沈着物を生成しません。

排水 –それは水システムから排出される廃水です。工場からの排水は廃棄物処理システムに排出されます。ただし、プラント内では、あるユニットからの排水を別のユニットの取水口として使用できます。ほとんどの場所で、消費される水の量を決定することは非常に困難であり、通常、摂取量と排水量の差であると見なされるか、プラントのオペレーターによって推定されます。貫流システムでは、通常、排水は測定されません。

国内の水 –衛生水とも呼ばれ、飲用や洗面所で使用されます。

給水 –一般的な製造現場の清掃、ほこりの抑制、廃棄物の洗い流しなどに使用される水です。

その他の水の使用 –その他の水の使用法は、上記の見出しでカバーされていない水の使用法です。その他の用途の例としては、換気システムで使用される水、スラリーなどの廃棄物の輸送、ガーデニングなどがあります。

排水中の汚染物質

統合鉄鋼プラントは、操業のために大量の水を必要とするため、統合鉄鋼プラントの水管理は、その操業を成功させるために非常に重要です。プラントの運転中に、この水は汚染されます。工場の水質管理と水質管理を区別することは非常に困難です。優れた水管理は水の汚染管理の低下につながりますが、同時に水の汚染管理には優れた水管理が必要です。適切な水管理には、プラントからのゼロまたは最小の排水が必要です。これは、水の再循環のための精巧な水処理システムを組み込むことによって達成されます。これにより、補給水の必要量が減少するため、水の消費量が削減されます。また、プラント境界からの排水がゼロまたは無視できるようになるため、水質汚染も減少します。さらに、汚染された水をプラント境界から排出する前に処理する必要性とコストを削減します。以下の汚染物質が排水中に存在します。

• コロイド状および浮遊物質–鉱石およびフラックスの微粉、スケール、砂、フライアッシュ、石炭およびコークスの微粉など。
• 温度と熱–冷却水、ボイラーのブローダウンなど
• オイル–圧延機オイル、潤滑油、油圧オイル、クエンチングオイル、燃料オイル、溶剤、タール、ピッチなど。
• 化学薬品–これらは、酸洗い液、酸性スラッジ、苛性洗浄剤、石灰、使用済みアンモニア性液体、ボイラーブローダウン、および有毒化学物質などで構成されています。
• 衛生廃棄物–食堂、洗面所、更衣室、トイレなどからの廃棄物。

処理せずに排水を排出すると、排出場所の水域が汚染されるため、製鉄所からの排出前に適切な処理が必要である。以下は、排水の処理に通常使用される主な方法の一部です。

• 沈殿槽–長方形または円形のタンクでの従来の沈殿プロセスは、浮遊物質の沈降に使用されます。出力を考慮すると、凝集が使用されることがあります。スラッジの回収は、ポンプまたはグラブ付きクレーンを使用して行われます。
• 非常に微細なサイズおよびさまざまなサイズの増粘剤の浮遊物質を除去するために、クラリファイアおよびクラリフロキュレーターを個別にまたは組み合わせて使用​​します。ミョウバン、塩化第二鉄、硫酸第二鉄、高分子電解質などの凝固剤は、浮遊物質の凝固に使用されます。
• 熱の除去と温度の低下のため。お湯は、冷却池、スプレーベイスン、または冷却塔で処理されます。
• 中和–廃水のpH値は6.5から7.5の間に制御されます。この酸性水では、pH値が低いとアルカリで処理され、pH値が高いアルカリ水は酸で処理されます。
• 油を含む排水–排水から油を収集するために、自然浮遊およびスキミングの従来のプロセスが使用されます。スキムオイルの収集は、可動式のトラフによって行われます。
• 生物化学的酸素要求量（BOD）が高いコークス炉からの廃水は、散水ろ床または活性汚泥法のいずれかで処理されます。長時間の曝気を伴う活性汚泥プロセスは、BOD値の低減により効果的です。コークス炉の廃水は、微生物を適切に分解するために、栄養素のバランスをとるためにリンを補給する必要があります。生の下水が利用できる場合は、この下水を追加すると活性汚泥プロセスに役立ちます。

スラッジ処理の代表的なフローシートを図4に示します。

図4スラッジ処理のフローシート