現代製鉄所における効率的な水管理と汚染制御

水は製鉄所における鉄鋼生産に不可欠なユーティリティです。長い間、安価で豊富な水は鉄鋼業界にとって当たり前の生産資源でしたが、現在では淡水の需給バランスの悪化により水資源がますます枯渇しており、清潔で安全な淡水へのアクセスは現代社会の主要な課題の一つとなっています。

水需要増大の背景と鉄鋼業界への影響

水需要が増加している主な要因は以下の3点です。

• 人口増加と乾燥地域への人口移動
• 急速な工業発展と一人当たり水使用量の増加
• 気候変動による人口密集地域の気象パターン変化

この結果、鉄鋼業界は新たな「水制約時代」に突入しました。過去30年間で環境汚染への懸念が世界的に高まり、より厳格な環境規制が制定されています。将来的な水資源不足の脅威を受け、鉄鋼業界は淡水消費量削減に向けた水戦略と政策への転換を図っています。

水管理の重要性と課題

淡水の可用性と水質は製鉄所経営にとって重要な課題であり、生産サイクルの持続可能性向上のために水管理が不可欠です。水は鉄鋼と同様に再利用・リサイクルが可能ですが、清浄化・冷却後の水リサイクル率を高めると水質が低下する傾向があります。したがって、製鉄所は水消費量削減のために清浄技術を継続的に改善する必要があります。

また、水関連の課題（可用性、季節的不足、他用途との競合）は立地条件に依存するため、地域特性に応じたオーダーメイドの解決策が重要です。水のライフサイクルは図1に示す通りです。

図1 水のライフサイクル

製鉄所における水使用の実態

統合製鉄所では大量の水を使用しますが、その大半は再利用または水源に返還されるため、実際の消費量は多くありません。消費される水の大半は蒸発し、平均して統合製鉄所で88%、電炉ベースの製鉄所で94%の水が清浄化・冷却後に排出され、他の用途で頻繁に再利用されます。製鉄所で消費されなかった水は清浄化・冷却されて水源に返還され、多くの場合、取水時よりもきれいな状態で河川等に戻されます。

製鉄所には原料準備から仕上げ圧延まで多くの工程があり、すべて水を必要とします。これらの工程で水が使用されると、様々な量と濃度の汚染物質で汚染されます。製鉄所の各工程における典型的な水必要量は幅広く、粗鋼1トン当たり20〜150立方メートルの範囲で変動します。これらの水量を送水するポンプ能力が各工程の機能に必要です。

水消費量は取水量から排水量を差し引いた値とされ、全体的な水消費量は製鉄所の水処理・循環設備に依存し、通常は粗鋼1トン当たり1.5〜4立方メートルの範囲です。

水の用途と水質管理

製鉄所では冷却、粉塵抑制、洗浄、温度管理（熱処理）、廃棄物輸送（灰、スラッジ、スケール等）など多様な用途に大量の淡水を使用します。また、コークス炉用石炭ブレンドの水分調整、焼結混合物のペレタイズ、鉄鉱石ペレット生産時のグリーンペレット製造、蒸気・電力生産、高炉スラグの造粒など、特定工程では水が不可欠です。大量の水使用は多量の排水を生成し、排出前に処理が必要です。

冷却技術の技術的改善によるわずかな水消費削減でも、天然環境への水還元量を大きく増やし、ウォーターフットプリントを最小化する可能性があります。鉄鋼業界での水消費最小化を実現する方法と技術を追求することが重要です。

ウォーターフットプリントと水管理戦略

ウォーターフットプリントはHoekstraによって導入された淡水占有の指標で、間接的な水使用を定量化・可視化し、サプライチェーン全体での消費者と生産者の水管理への関与の重要性を示すものです。

水管理戦略により、製鉄所は水の回収・再利用・リサイクルが可能となり、取水需要の最小化と排水量削減によって大幅なコスト削減が生まれます。統合製鉄所の水管理は主に地域条件、水の可用性、規制要件に依存します。

近年、水管理は持続可能な鉄鋼生産の最重要部分の一つとなっています。水の社会的な本質的価値を鑑み、製鉄所経営は水管理を真剣に取り組む必要があり、水の最適な利用方法を常に評価し、節約と再利用の改善を見出すことが求められます。

水リサイクルのトレードオフとホリスティックアプローチ

鉄鋼と同様に水も再利用・リサイクル可能で、これにより水利用効率が向上し、需要とコストが削減されます。水リサイクルの増加と、高品質から低品質へのカスケード利用により、製鉄所での水使用・消費を大幅に削減できます。ただし、水再利用管理システム導入前にはエネルギー使用量の潜在的増加を考慮する必要があります。

水取水量削減の最も効果的な方法は再利用です。これは通常、各使用間で水流を清浄化・冷却することを伴います。冷却など一部の処理には大量のエネルギーを要し、蒸発増加により水消費率が上昇する可能性があります。追加プロセスはエネルギー消費削減という目的とほぼ常に矛盾し、二酸化炭素排出増加を招きます。したがって、水再利用の効果を、すべての環境側面を考慮した統合的な方法で評価する必要があります。

エネルギー効率は製鉄所の水管理において極めて重要な側面です。節水対策は省エネポンプと熱回収設備の使用とセットで実施すべきです。省エネポンプは取水、水処理、水循環に必要なエネルギーを削減します。また、水利用効率は実消費量（同等またはより良い品質での取水と排水の差）、可用性側面、エネルギーなど製鉄所の他の資源カテゴリへの影響を考慮すべきです。高温産業である製鉄所での水再利用は水消費を増加させる可能性もあります。

水消費に影響する要因と主要課題

製鉄所の水消費は以下の要因により大きく変動します。

• 水の可用性
• 採用技術
• プラントと設備の経年・状態
• 生産工程の種類
• プラント運転手順

効率的な水管理に不可欠な3つの基本要因は以下の通りです。

• 補給水の水質
• 製鉄所立地の気候条件
• 規制要件

水管理に影響を与える主な水関連課題は以下の通りです。

• プロセス水に要求される水質
• 排水の水質
• 水のリサイクルと消費最小化
• 水中の汚染物質
• 水管理のための新技術導入
• 排水処理技術の導入とその費用対効果

消費増加、追加エネルギー必要性、発生副産物の処理・処分必要性により、ゼロエミッション排水を目指す様々な節水・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ホリスティックアプローチが不可欠です。水資源への総合的影響を俯瞰することが重要です。図2にホリスティックアプローチを示します。

図2 水管理へのホリスティックアプローチ

製鉄所における水の用途詳細

鉄鋼プラントでは水の用途が多岐にわたり、各用途で要求される水質も異なります。ワンスルーシステムと、部分的または完全な循環システムが存在します。

鉄鋼プラントの水の大半は冷却、設備保護、作業環境改善に使用されます。かなりの量がプロセス水として、少量がボイラー給水と生活・サービス用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、プラント内の様々な場所で異なる水質が要求されます。淡水は主にプロセスと直接・間接冷却に、海水は防汚前処理後のワンスルー冷却に通常使用されます。淡水使用量は一般的に性能指標と見なされます。直接冷却では水が材料・設備と接触し、間接冷却では接触しません。

海水は主に前処理・後処理なしでワンスルー冷却に使用され、材料・設備と接触しません。淡水は主にプロセスと冷却に使用され、材料・設備と接触し、再利用または排出前に処理されます。統合製鉄所における水の重要な用途は以下の通りです。

• プロセス需要への対応：石炭ブレンド水分調整、コークス湿式消火、焼結混合物への添加によるペレタイズ、高炉トップへの散水によるトップ温度制御、液状高炉スラグの造粒、銑鉄鋳造、連続鋳造、熱間圧延前の鋼材脱スケール、熱間圧延機でのオンライン熱処理・温度制御、ピクリン酸強度調整など
• 材料の取扱い・輸送容易化のための調整：連続鋳造・熱間圧延でのスケール輸送、原料輸送・貯蔵時の粉塵抑制用水添加、パイプライン輸送用スラリー製造、フライアッシュの灰池輸送・貯蔵など
• 各工程で発生するガスの冷却・清浄・調質
• 熱伝達：各種設備、ロール、炉シェルの水冷却（直接・間接冷却両方を採用）
• プロセス用および発電用蒸気生産のための脱塩水
• 修理・再耐火前の炉・耐火物冷却、金属・スラグ飛散物の輸送前冷却などの雑冷却
• 水系モルタル、ランナー材、粘土への定量添加
• 下水・水処理プロセスでの効率的処理と反応促進のための水添加、酸性排水の中和
• 作業床の清掃・洗浄による堆積粉塵除去
• 電気制御室・トンネルの湿気換気用散水
• 消火用水、飲料水、冷水機、食堂、洗面所
• 環境目的での構内緑化維持

水フロー図と用語定義

製鉄所の水フロー図を図3に示します。図で使用される用語を以下に定義します。

図3 製鉄所の水フロー図

取水

取水ポンプ室で水源から汲み上げ、製鉄所の水システムに導入される水

補給水

水システムに追加される水。循環水システムで頻繁に必要となり、(1)工程での損失、(2)蒸発損失、(3)漏洩損失を補うために追加される水

プロセス水

最終製品または最終製品に組み込まれる材料と接触する水。広義には製鉄の原料・最終製品と接触する流れ、または最終製品の一部となる流れを含む。鉱石成分の物理的分離、焼入れ、脱スケール、溶融亜鉛めっき、めっきなど多数の用途がある。また、鋼表面の洗浄・脱脂・リンスに用いられる溶剤・酸・エマルジョンの成分でもある

冷却水

専ら冷却に使用される水。鋼製品と関連設備から余分な熱を放散する流れを指す。冷却用途が製鉄所の水使用の大半を占め、熱間・冷間圧延での接触冷却、オフガス冷却・封じ込め、炉・焼却炉冷却などを含む

施設の取水量と排水量は使用冷却システムの種類により大きく異なります。ワンスルー冷却システムが最も水需要が高く、循環冷却システムはほぼ全水量を繰り返し冷却サイクルに保持します。

脱塩水

水中のミネラルが除去された水。ボイラー給水としても使用される。化学プロセスでミネラルが他の化学物質に干渉する場合に脱塩処理を行う。脱塩プロセスにより不要なミネラルを除去して軟水化する。脱塩水は脱イオン水より電気伝導度が高い

ボイラー給水

脱塩水をボイラー給水として使用。製鉄工程の多くを動かすプロセス蒸気を生成する。ボイラーはプロセス加熱・冷却用エネルギー、機械駆動システム、圧力制御システム用動力を生産する。ボイラーは典型的な高温高圧運転条件下での安全機能確保のため高い水質基準を必要とする。適切な前処理により、様々な水源からの水をボイラー補給水としてリサイクル可能

消火用水

製鉄所内の火災消火に使用される水

軟水

イオン濃度が低く、特にカルシウムとマグネシウムイオンが少ない水。軟水化プロセスで生成された水を指す。ナトリウムと重炭酸イオン濃度が高い場合もある。給湯システムと間接水冷却システムでカルシウム堆積を生じない

排水

水システムから排出される廃水。プラントからの排水は廃棄処分システムに排出される。しかしプラント内では、あるユニットの排水が別ユニットの取水となる場合がある。消費水量の正確な把握は多くの場所で困難で、通常は取水と排水の差、またはプラントオペレーターの推定値とされる。ワンスルーシステムでは排水は通常測定されない

生活用水

衛生用水とも呼ばれ、飲料と洗面所で使用

サービス水

作業床の一般清掃、粉塵抑制、廃棄物洗浄などに使用

その他の用水

上記以外の用途。換気システム用水、スラリー等廃棄物輸送用水、園芸用水など

排水中の汚染物質と処理方法

統合製鉄所は運転に大量の水を必要とし、運転中にこの水が汚染されます。水質汚濁防止を水管理から分離することは困難です。優れた水管理は水質汚濁防止を減らし、同時に水質汚濁防止には優れた水管理が必要です。優れた水管理はプラントからの排水をゼロまたは最小化することを要求し、これは精緻な水処理システムを導入して水を循環させることで達成されます。これにより補給水必要量が減り水消費が削減され、プラント境界からの排水がゼロまたは無視できるレベルになるため水質汚濁も減少し、汚染水処理の必要性とコストも削減されます。排水に含まれる汚染物質は以下の通りです。

• コロイドおよび浮遊固形分：鉱石・助剤微粉、スケール、砂、フライアッシュ、石炭・コークス微粉等
• 温度と熱：冷却水、ボイラーブローダウン等
• 油分：圧延機油、潤滑油、油圧油、焼入れ油、燃料油、溶剤、タール、ピッチ等
• 化学物質：ピクリン液、酸性スラッジ、苛性洗浄液、石灰、使用済みアンモニア水、ボイラーブローダウン、有毒化学物質等
• 衛生系廃棄物：食堂、洗面所、更衣室、トイレ等からの廃棄物

排水を未処理で排出すると排出場所の水体が汚染されるため、製鉄所からの排出前に適切な排水処理が必要です。排水処理に通常用いられる主な方法は以下の通りです。

• 沈殿槽：長方形または円形槽での従来型沈殿プロセスで浮遊固形分を沈殿分離。結果により凝集処理を併用することも。汚泥引き抜きはポンプまたはグラブ付きクレーンで実施
• 極微細で粒度が不均一な浮遊固形分除去には、濃縮機、澄清機、凝集澄清機を単独または組み合わせて使用。凝集剤として明礬、塩化第二鉄、硫酸第二鉄、ポリ電解質等を使用
• 熱除去と温度低減：高温水を冷却池、散水槽、冷却塔で処理
• 中和：排水pHを6.5〜7.5に制御。低pHの酸性水をアルカリで、高pHのアルカリ性水を酸で処理
• 含油排水：従来型の自然浮上とスキミングで油分を回収。スキミング油は移動式水路で回収
• 高BODのコークス炉排水：散布床式または活性汚泥法で処理。延長曝気活性汚泥法がBOD削減により効果的。適切な微生物分解のため、コークス炉排水にはリンを補給して栄養バランスを調整。生下水が利用可能なら、これを添加して活性汚泥法を補助

汚泥処理の典型的なフローシートを図4に示します。

図4 汚泥処理フローシート