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钢铁生产场地的环境污染特征Characteristics of environmental pollution on steel production sites

钢铁工业被列为搬出城市中心的主要行业之一,我国各城市基本都有钢铁生产企业,全国近上千家,许多省市钢铁生产企业(首钢、重钢、石钢、广钢、杭钢等)都相继停产搬迁,针对我国工业搬迁遗留场地的环境调查和评估,急需场地环境调查技术导则和行业污染特征等一系列的方法和规范做指导。

图1钢铁生产生产企业分布


一、我国钢铁生产特征


(一)钢铁生产场地特点

中国的钢铁企业多数建于建国初期,由于管理水平和工艺技术有限,经过几十年生产工艺的多次变化、修建改造,地下设施和污染状况复杂,地下可能存在多层固化层,给调查和修复带来了更大难度。而且钢铁生产企业占地面积庞大(首都钢铁集团生产占地7 km2、重庆钢铁集团生产占地4 km2),泄露区域污染严重,深层土壤也遭受污染。通常需用钻机采集地下几十米的样品,不可能整个厂区进行网格布点并只采集表层或浅层土壤样品,而应采用分区布点、判断式布点和网格布点相结合,以降低成本。同时由于钢铁生产环节多、生产工艺复杂,涉及的原料、燃料和辅料等种类不尽相同,甚至原料的产地和预处理方法不同都会导致产生的污染物存在差异。因此,有必要分析各生产工序不同生产工艺的排污特征和对环境可能造成的污染,分清各污染物的来源、类型、分布区域,以及钢铁生产场地污染特征、环境调查技术,以便有针对性的开展钢铁生产污染场地调查、分析检测,使钢铁污染场地的调查和风险评估工作有据可依。


(二)钢铁生产流程

钢铁联合企业一般由炼焦、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等多个生产环节组成。占地面积庞大,生产过程复杂。各钢铁企业不一定包含所有生产环节,可能从事某个或部分环节的生产。


二、钢铁生产工艺和污染特征


(一)炼焦

煤通过破碎、配料等备煤过程后,进入炼焦炉高温干馏,出来的红热焦炭经过干法或湿法熄焦、破碎筛分,获得进入高炉的焦炭。炼焦炉分常规机焦炉、热回收焦炉、半焦(兰炭)炭化炉三种。在炼焦过程中产生的荒焦炉煤气需要净化回收,通常配置有煤化学品车间。因此,炼焦过程包括备煤、装煤、煤的高温干馏、推焦、熄焦、破碎筛分、荒焦炉煤气净化、化学品回收(包括焦油、粗苯的精加工、脱硫)及废水处理等多个环节,是钢铁联合企业中产生污染最严重的生产单元之一。调查时要了解生产工艺、污染途径、可能产生污染的区域和污染物种类。


(二)烧结

烧结是将贫铁矿经过选矿得到铁精矿,富铁矿在破碎、筛分过程中得到的矿粉,通过与燃料、熔剂、返矿及其他含铁原料,按不同比例送到混料机内,进行混匀和加水润湿造球。混合好的原料由布料器铺到烧结机台车上,经点火抽风烧结成块。过去常用烧结盘、回转窑和悬浮烧结等方法,现在一般用带式烧结机。烧好的烧结矿经冷却、破碎和筛分,成品烧结矿送往高炉,筛下物用作返矿或铺底料。烧结机头产生的烟气,经过除尘净化后,由抽风机通过高烟囱排入大气。因此,铁矿石烧结厂一般由原料准备系统、混合料系统、烧结机和整粒系统组成。

烧结生产不仅可以将铁矿粉造块,综合利用各种资源,扩大炼铁用的原料来源,还可以改善铁矿石的冶金性能,去除原料中的有害杂质。烧结厂固体废弃物主要产生于烧结机头电除尘器,由于电除尘粉尘含有害元素浓度较高,不宜作为返矿直接利用,大部分企业采取填埋办法处置。


(三)炼铁

炼铁是将铁矿石、燃料和熔剂从高炉上部装入高炉,通过重力作用向下运动。高炉下部鼓入空气燃料燃烧,产生大量高温还原性气体向上运动。炉料经过加热、还原、熔化、造渣、渗碳、脱硫等一系列物理化学过程,生成液态炉渣和生铁。高炉炼铁工序一般包括原料系统、燃料及辅料准备、煤粉系统、高炉出铁场作业、铸铁机铁水浇铸、高炉煤气净化及高炉渣处理等过程。原料系统包括贮矿仓、贮矿槽、焦槽、槽上运料设备、矿石与焦炭的槽下筛分设备、返矿和返焦运输设备、入炉矿石和焦炭称量设备、运送炉料至炉顶的皮带、上料车、炉顶受料斗等。煤粉系统包括磨煤机、煤粉输送设备及管道、高炉煤粉贮存及喷吹罐、混合器、喷枪、压缩空气系统等。


(四)炼钢

炼钢为将炉料(如铁水、废钢、海绵铁、铁合金等)熔化、升温、提纯,使之符合成分和纯净度要求,涉及的生产工艺包括铁水预处理(脱硫、硅、磷等)、熔炼、炉外精炼(二次冶金)和浇铸(连铸)。

炼钢分为转炉、平炉和电弧炉炼钢三种。转炉和平炉是以高炉出来的铁水为主要原料,加适量废钢加以炼制。同时会产生钢渣、转炉烟气等。电弧炉炼钢则以废钢为主要原料。传统的电弧炉炼钢以冷废钢为主,配加10%左右的生铁。现代电弧炉炼钢除废钢和生铁外,使用的原料还有直接还原铁、铁水、碳化铁等,适合炼制优质碳素钢及特殊合金钢,但成本高,产生的污染严重。

电弧炉冶炼的废钢中由于常混带有重金属和大量有机物(油漆、涂料、切削油、塑料碎片等)及无机盐类(砂粒、氯化钠等),经电弧炉炼钢高温热反应,易产生二噁英/呋喃等物质,是钢渣中含有二噁英/呋喃的主要原因。

平炉炼钢是利用拱形炉顶的反射原理,以固态或液态生铁、适量铁矿石和废钢作原料、用煤气或重油为燃料进行冶炼,利用废钢铁和铁矿石中的氧使杂质氧化。平炉冶炼由于设备投资大,燃料热效率低,冶炼时间长,成本高。国内基本上于1998年前后已淘汰平炉炼钢。


(五)轧钢

轧钢是指钢坯料经过加热,通过热轧或钢板冷轧,以轧制、挤压和拉制成厚板、薄板、型钢、线材、钢管等各种金属制品等方式,制成所需要的成品钢材的过程。冷轧过程因酸洗、退火等程序而产生更多污染。热处理炉是将钢铁材料放在一定的介质中加热至适宜温度,并通过不同的保温、冷却方式改变材料表面或内部组织结构性能的加工设备,包括加热炉、退火炉、正火炉、保温炉(坑)、淬火炉、固溶炉、时效炉、调质炉等。


三、钢铁生产不同功能区土壤/地下水应重点关注的污染物

钢铁生产过程中不同功能区可能产生的特征污染物和污染区域列于表1中。

表1 钢铁生产不同功能区土壤/地下水应重点关注的特征污染物清单


(一)应重点关注的污染环节和区域

在钢铁生产的“焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢”等生产环节中,尤以焦化生产对环境的影响最大,焦化生产中的煤气净化及化学品回收区域、焦油渣和酸焦油堆场、固体沥青堆场、生化污泥堆场、炼焦炉附近、推焦和熄焦线路、储煤场、废水处理池附近等区域污染最严重,属于高风险区域。

烧结生产中烧结配料仓和混料仓附近、冲渣废水处理车间沉渣池、沉淀池附近、煤气洗涤废水沉淀池、烧结机头及烟囱周边、烧结机头电除尘灰堆场、烧结矿筛分转运、湿式除尘排水、煤气水封阀排水区域属于高风险点。

炼铁中高炉瓦斯泥装运点附近、铸铁机冷却和高炉冲渣废水处理、(荒)高炉煤气洗涤与净化等炼铁废水沉淀池与处理池、高炉渣堆场等区域应重点关注。

炼钢生产烟气洗涤废水处理沉淀车间附近、烟气净化污泥堆场、连铸钢坯冷却、炼钢(连铸、转炉)废水处理、钢渣堆场、废钢预热等属高风险区域。

轧钢生产的轧辊冷却、废水处理及其污泥堆场、冷轧的酸洗废液和废水处理及其污泥堆场等,都是应关注的污染区域。


(二)应重点关注的污染物

污染物以重金属和多环芳烃为主,焦化生产以多环芳烃、重金属、氰化物为主;烧结生产以重金属、多环芳烃为主;炼铁、炼钢、轧钢以重金属为主,其中冲渣废水沉淀池、煤气洗涤废水沉淀池、废水处理池附近土壤还应关注多环芳烃污染。一些区域存在重金属和有机复合污染,如焦化的储煤场、焦油渣堆场,烧结的配料仓和混料仓。电除尘灰和电弧炉钢渣应关注二噁英。

钢铁冶炼的动力来源主要依靠燃料油或高压电力,油槽或高压变电室管理不当,易泄露造成PCB污染。轧延或切割时,为防止机械磨损所用润滑油的废油污染。


(三)影响钢铁生产场地污染的因素

中国的钢铁企业多数建于建国初期,由于管理水平和工艺技术有限,给土壤造成了不同程度的污染。经过几十年的技术改革和改造,生产工艺变化多,地下设施和污染状况复杂,有的场地地下多层固化面,给调查和修复带来了较大的困难。场地污染物的种类和污染范围与钢铁生产流程、生产工艺,以及生产原料、辅料、产品等因素有很密切的关系,甚至建厂时间、原料的产地和预处理方法不同都可以对土壤造成不同的污染。


1、建厂时间

我国钢铁生产的发展分几个阶段,生产工艺变化多。20世纪90年代之前建设的钢铁厂,基本无环境评价资料,生产工艺落后,跑冒滴漏现象严重,废物基本用来填坑,有的固体废物填埋在土壤深处后又用土壤进行覆盖。后建的钢铁厂,大多积累了环境影响评价资料,生产防护措施和排污措施都得到了改进,尤其是大型钢铁企业,由于配套设施完善,污染相对较轻。要准确调查真实的地下污染状况,必须先明确其建厂时间,污染调查要从历史源头分阶段进行。


2、生产工艺

烧结、炼铁、炼钢等环节都用到湿法或干法除尘。过去的生产工艺湿法除尘较多,现在一般用干法除尘,干法可以避免湿法除尘带来的废水污染,同时也有利于粉尘的回收利用。

焦化厂不同时期炼焦工艺差别也很大,土焦和机焦所产生的污染有差异,早期的土法炼焦污染严重,煤燃烧时半隔绝空气,自身做燃料,参与炼焦过程,与炭化同处一室。机焦则是用高炉煤气间接加热,不进入炭化室,可以使煤带来的污染大大降低。

炼钢的电弧炉、平炉、转炉造成的污染也不尽相同。因此,进行钢铁生产场地调查时,掌握其生产历史、生产工艺及生产工艺变化情况,对于污染源的判断和分析至关重要。


3、原料来源

矿石来源不同,其有用成分差异很大。烧结所用的原料铁矿石来源分国内矿山生产和从海外进口,海外进口矿一般含氯较多,更容易产生二噁英。海水洗选的铁矿石中氯含量比淡水洗选的多。我国烧结所用的原料铁矿石来源与钢铁企业分布区域有关。目前我国大多数钢铁企业都采用进口矿,尤其是沿海钢铁企业生产原料基本以进口矿为主,进口矿通常采用海水洗选,其中含氯较高,易产生二噁英。

20世纪90年代以后,很多钢铁企业内的焦化厂都停用了原煤场和洗煤厂,直接购买洗精煤堆放于储煤场用于配煤。


4、产品

钢铁企业产品不同,所用的生产工艺就有所不同,对环境造成的污染也就不同。生产特钢对环境造成的污染比生产普钢的更严重。冷轧通常比热轧得到的产品要精细,通常在热轧后进行,需经过酸洗和退火等过程,也更容易造成污染。


四、结语


建议颁布一些重点行业场地调查指南和行业污染物清单。


(一)国内外行业场地调查指南

欧美等发达国家污染场地调查和场地管理体系相对比较健全,相关的法案既有一般污染场地调查指南,又有针对特定场地的专门调查导则。例如美国《超级基金法框架下场地调查指南》,澳大利亚《潜在污染场地土壤调查和采样指南》,英国《污染土地初步调查导则》,新西兰《污染土地管理导则5:场地调查和土壤分析》等。美国、加拿大、英国、新西兰等国,针对一些行业制订有行业场地调查导则,包括石油污染场地、地下储罐、煤气厂场地等调查指南,如加拿大《地上和地下石油产品储罐系统环保守则》,美国马里兰州《住宅区地下储罐泄漏导则》,英国的《建筑物拆卸守则(2004)》等。(澳大利亚)新南威尔士州《加油站场地评估导则》、新西兰《煤气厂污染场地评估和管理指南》、新西兰《木材加工业化学品的健康和环境导则》、新西兰《石油烃污染场地评估和管理导则》等。我国台湾地区(3.6万平方公里)建立了各行业场地调查指南,在台湾《废弃工厂土壤及地下水污染潜势调查-调查作业参考指引(初稿)》中“基本金属制造业(24)”,是关于钢铁生产场地的调查指引。


(二)国内外行业污染物清单

新西兰专门制订《污染土地管理导则系列A:危险工业活动清单(HAIL)》等危险工业活动清单和特征污染物清单,以利于管理部门对场地污染调查技术的规范和指导。英国出台的《受污染土地安全开发住宅指南》中,列出了可能存在污染的土地利用类型,并对各种类型场地中可能存在的主要污染物进行了汇总,拟为场地环境监管提供指导。澳大利亚列出了各行业(51个)污染物清单。


(三)我国现有相关标准

中国目前尚无行业场地调查指南。《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)从布点、样品采集、样品保存、样品处理、样品测定、环境质量评价和质量保证等方面规定了区域土壤背景、农田土壤环境、建设项目土壤环境质量评价和事故土壤环境质量监测,但对工业污染场地的环境调查和土壤采样分析的针对性远远不够,无法满足各行业场地环境调查和分析监测的实际需要。2014年环保部正式颁布场地环境保护标准体系,其中《场地环境调查技术导则》对污染场地的调查程序、内容、资料收集、现场勘察、采样布点、样品收集等做了相应要求,规定了场地环境调查过程中土壤和地下水环境调查的原则、内容、程序和技术要求,给污染场地调查提出了大体的框架和规定。但是,针对具体某个行业场地的实际调查,还需要做大量的研究工作,需先确定场地可能的污染源和疑似污染物才可实施,无论是布点、取样,还是需要分析检测的污染物种类,都需要进一步研究确定。