锰硅合金工业清洁生产实践.pdf

经 验 交 流 锰硅合金工业清洁生产实践 * 武晓燕于宏兵冯俊丽 南开大学环境科学与工程学院， 天津 300071 摘要 针对锰硅合金生产工业生产的特点， 分析了该行业的清洁生产潜力， 并以某企业的清洁生产审核为例， 阐述了清 洁生产在锰硅合金生产行业节能减排的作用。 关键词 锰硅合金; 清洁生产; 节能减排 PRACTICE ON CLEANER PRODUCTION OF SILICOMANGANESE INDUSTRY Wu XiaoyanYu HongbingFeng Junli School of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China AbstractIt was analysed the cleaner production potential in silicomanganese industry，according to the characteristics of the silicomanganese production，and taking the cleaner production audits of an ebnerprise for example． The effect of energy saving and emission reduction in silicomanganese industry by cleaner production was also expounded． Keywordssilicomanganese;cleaner production;energy saving and emission reduction * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2009ZX07208- 002- 006 。 现今铁合金生产属于高耗能行业， 普遍存在着工 艺装备落后、 能耗水平过高、 环境污染严重等问题， 在 提高产品质量的同时努力做到降低成本、 节能降耗是 铁合金生产行业的发展方向。在铁合金工业中实行 清洁生产是解决一系列问题的根本方法和途径。 1锰硅合金工业概况 锰硅合金是炼钢常用的复合脱氧剂， 又是低碳锰 铁和电硅热法生产金属锰的还原剂。伴随着钢铁工 业需求的快速增长， 铁合金工业迅猛发展。 随着能源需求的不断增加， 世界各国对环境保护 问题的重视， 铁合金的生产技术越来越先进， 新建的 电炉多为全封闭大型电炉， 并采取干法袋式除尘、 湿 法煤气除尘、 余热锅炉以及计算机控制技术等。行业 快速发展的同时也造成了巨大的环境污染与能源浪 费， 从发展的眼光来看， 我国铁合金工业的节能减排、 环保治理势在必行， 清洁生产理念的引入将有助于铁 合金行业的持续良性发展。 2清洁生产的概念 清洁生产审核作为清洁生产最重要、 最具可操作 性的方法， 通过一整套系统而科学的程序， 重点对企 业的生产过程进行预防污染的分析和评估， 从而发现 问题、 提出问题， 并通过清洁生产方案的实施在源头 减少或消除废弃物的产生。 清洁生产审核主要针对以下 8 方面进行 原辅材 料和能源、 技术工艺、 设备、 过程控制、 产品、 废弃物、 管理以及员工素质。以上划分不是绝对的， 而是各有 侧重点， 许多情况下都是相互交叉和渗透 ［1］。 3锰硅合金工业中的清洁生产潜力 3. 1原辅材料和能源方面 生产锰硅合金的原料有锰矿、 富锰渣、 焦炭、 硅 石、 白云石 或石灰 等。为了生产符合标准要求的 锰硅合金， 取得良好的经济技术指标， 所有原料必须 符合一定的质量要求。 3. 1. 1原辅材料 1锰矿和富锰渣 锰矿和富锰渣是生产锰硅合 金的主要原料， 是锰硅合金中锰的主要来源。锰矿的 质量直接影响到锰硅合金的冶炼指标和产品产量。 据统计， 锰矿品位每降低 1 ， 生产每吨锰硅合金电 耗相应升高135 kWh。 在 2008 年修订的铁合金行 业准入条件 中明确规定锰硅合金产品单位冶炼电 耗不高于4 200 kWh/t 入炉品位 34 。根据锰矿 资源情况， 合理搭配矿石， 提高能源利用效率与锰硅 901 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 合金生产效益是必须注意的重要问题。 2焦炭 锰硅合金冶炼采用焦炭做还原剂， 对焦 炭的要求是电阻率大、 化学活性好、 有害杂质磷、 硫含 量低、 灰分少、 固定碳高、 并有一定机械强度。入炉焦 炭含水量要尽可能低。 3硅石 在冶炼锰硅合金时通常采用含 SiO2量 较高的锰矿石， 若锰矿带入的 SiO2量不一定， 可以考 虑配入少量的硅石。要求硅石的 SiO2含量应大于 97 ; 表面无泥沙等杂质; 要有足够的机械强度和良 好的高温抗爆性; 块度为 20 ～ 40 mm。 4熔剂 在锰硅合金冶炼中， 为了使炉渣能够顺 利排出， 提高锰的回收率， 需要在炉料中加入白云石 或石灰等熔剂， 保持炉渣具有适宜的碱度。 3. 1. 2能源消耗 我国主要使用电炉法生产锰硅合金， 电力是铁合 金生产的第一要素 ［2］。耗能设备包括 冶炼设备、 动 力设备、 器重运输设备以及机修设备等， 主要耗能设 备是冶炼设备。一般电炉耗电量占生产车间总耗电 量的 90 以上。 在 2009 年发布的 清洁生产标准 钢铁行业 铁合 金 锰硅合金清洁生产指标的资源与能源利用指标中 的三级水平为 单位产品冶炼电耗≤4 200 kWh /t; 综合能耗 折标煤 ≤990 kg/t［3］。铁合金工业是高耗 能产业， 同时也是最具节能潜力的行业 ［4］。节约能源， 提高能源利用效率是实现清洁生产的目标之一。 3. 2技术工艺及设备方面 目前使用的电炉有封闭式与半封闭式两种。电 炉冶炼铁合金通过电极和炉料之间放电产生热弧， 使 电能在弧光中转化为热能， 电炉用三相电极电弧及电 阻热产生 1800 ～ 2200 ℃ 高温， 在高温下发生化学反 应， 生成熔融状态的锰硅合金， 流入铁水包， 送至锭模 槽中冷却出锰硅合金产品 ［5］。 电炉属高能耗设备， 电能消耗占综合生产成本很 大比重， 根据炉容及生产产品的不同， 占综合生产成 本的 50 ～ 65 ［6］。 3. 3过程控制 在国外的电炉冶炼中大多采用了自动控制技术， 而在我国铁合金生产中电炉大多以手动控制为主。 将触摸屏技术与 PLC 相结合应用于电炉自动控制系 统， 不仅提高了电炉的自动化控制水平， 而且可实现 准确控制电极负荷， 确保电炉稳定持续运行， 将人为 因素降到了最低程度， 并能及时准确地记录电炉运行 参数， 电极电流控制精度大大提高 ［7］。 3. 4废弃物方面 锰硅合金生产过程中产生的废水、 粉尘和废渣对 环境产生较大影响。在清洁生产的进行中， 一方面要 在源头控制污染的产生， 减少排污量; 另一方面， 在末 端治理上推广新技术并对“三废” 进行资源化处理。 3. 4. 1废水的产生及治理 锰硅合金生产中废水来源是生产设备的冷却水， 间接冷却水没有有毒有害物质产生， 但从企业效益和 资源利用方面考虑， 要求冷却水循环利用， 如果采用湿 法除尘， 除尘过程中产生的污水需要经处理后进入闭 路循环利用或达标后排放， 水污染物排放应符合国家 GB 1345692钢铁工业水污染排放标准 铁合金 。 有地方标准的应当执行地方污染物排放标准。在铁 合金行业准入条件 中要求水循环利用率 95 以上。 3. 4. 2废气的产生及治理 锰硅 合 金 生 产 中 的 废 气 主 要 是 烟 尘。每 台 12500 kVA 的电炉生产锰硅合金所产生的烟气量约 为 80000 m3/h。而且排放量及含尘量受冶炼炉况和 半封闭烟罩操作门开闭状况的影响。一般每立方米 烟气含粉尘 2000 mg 左右， 因此一台 12500 kVA 的电 炉每年向大气排放大量粉尘。除冶炼过程产生大量 烟气外， 还存在一些无组织排放烟气， 例如出铁后排 放的烟气以及原辅料场粉尘的无组织排放。 铁合金行业准入条件 中要求原料处理、 熔炼、 装卸运输等所有产生粉尘部位， 均配备除尘及回收处 理装置， 铁合金电炉配备干法袋式或其他先进适用的 烟气净化收尘装置。铁合金熔炼炉大气污染物排放 应符合现行国家 GB 90781996工业炉窑大气污染 物排放标准 。 此外， 电炉排放的烟气温度较高， 将这部分热能 充分利用， 可以取得良好的效益， 例如烟气余热发电 技术等。 3. 4. 3固体废物的产生及治理 锰硅合金生产过程中产生的固体废物包括电炉 产生的废渣和除尘器收集的粉尘。 每生产 1 t 锰硅合金会产生 1. 1 ～ 1. 4 t 废渣， 合 理地利用和处理这些废渣不仅保护环境， 还可以回收 一些有用的矿产资源; 除尘器收集的粉尘一般含锰量 较高， 可以返回炉再利用， 提高锰元素利用率。 3. 5管理及员工素质 企业管理、 员工的素质与生产息息相关， 只有不 011 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 断完善管理制度， 提高员工专业技能、 强化环保节能 意识， 才能为企业的发展奠定良好的基础。 4某铁合金企业清洁生产审核实例 4. 1企业概况 某铁合金企业目前拥有 12 500 kVA 电炉 8 座， 年生产能力锰硅合金 10 万 t。企业采用传统工艺进 行生产， 如图 1 所示。电炉为半封闭式矮烟罩电炉。 图 1锰硅合金生产工艺流程 1生产中不涉及有毒有害原料， 主要原料是混 合锰矿。通过对混合锰矿进行固体废物浸出毒性试 验， 混合锰矿不属于具有浸出毒性的危险废物。 2电力为主要能源消耗。主要能耗设备是冶炼 设备和动力设备。企业所用大功率设备较多; 炉体材 料隔磁效果不好; 人工进料， 员工工作条件差， 有物料 损失及炉子空烧等情况。 3生产过程控制先进性不高， 机械化、 自动化水 平低， 多数采用人工操作。 4在“三废” 排放与处理方面， 废气通过除尘器 处理达标排放; 冷却水排入循环水池得到循环利用; 废渣和除尘灰回用或售出。 电炉采用半封闭矮烟罩集气方式， 配备袋式除尘 器， 除尘效率大于 98 。出铁口位置设置有排风器， 对出铁口烟气进行收集， 再经除尘器处理后排放。出 铁后无组织排放烟气为间歇排放， 排放时间短。经除 尘设施处理后粉尘排放浓度符合 GB 90781996工 业炉窑大气污染物排放标准二级标准限值。 生产用水全部为冷却水， 冷却水收集至循环储水 池， 全部循环使用不外排。 固体废物 ①电炉炉渣， 炉渣的主要成分如下 MnO2 5 ～ 15 ; SiO2 35 ～ 40 ; CaO 20 ～ 25 ; MgO 1. 5 ～ 6 ; Al2O3 10 ～ 20 ; FeO 0. 2 ～ 2 ， 不属于危险固体废物， 可进行简单处置。 在生产过程中产生的炉渣一部分返回工艺， 一部分外 销。②粉尘， 除尘系统收集的粉尘， 含锰量较高， 大约 20 左右， 将其返回生产系统再利用。 5企业管理制度较完善， 员工素质在同行业中 处于中等水平， 但是与相对有实力的企业相比还存在 差距。 4. 2清洁生产方案的产生 在现场调研和初步了解企业情况的基础上运用 简单比较法并同专家讨论， 确定审核重点为电炉冶炼 工序， 通过与 HJ 4702009清洁生产标准 钢铁行业 铁合金 中的锰硅合金产品清洁生产指标要求进 行对比， 找出问题与差距， 并依此设定清洁生产目标 值， 见表 1 所示。针对冷却水系统跑冒滴漏、 风机水 泵减震、 完善用水计量、 加强设备养护以及推广节能 灯具等方面提出无 /低费方案 7 项。 表 1清洁生产目标一览表 项目 单位产品冶炼电耗 / kWh t － 1 综合能耗 / kgt － 1 固废产生 量 /t 现状4 394. 021 126. 25118 796. 05 近期目标4 200990115 000 远期目标4 000950113 000 运用物料平衡法和元素平衡法分析锰元素和其 他原辅材料的去向 见表 2、 表 3 ， 运用能量衡算法 分析冶炼过程的能耗情况。 表 2锰硅合金生产物料平衡表 104t/a 输入部分输出部分 锰矿石17. 17锰硅合金7. 97 硅石2. 77炉渣11. 16 白云石0. 31粉尘0. 71 萤石0. 60废气排放5. 44 焦炭4. 81其他成分及烧损0. 78 电极糊0. 40 合计26. 06合计26. 06 表 3锰元素平衡表 输入部分产出部分 物料 名称 含 Mn 量 / 锰元素总量 / 104t a － 1 物料 名称 含 Mn 量 / 锰元素总量 / 104t a － 1 锰矿石35. 876. 15锰硅合金655. 18 粉尘～ 200. 14 炉渣5 ～ 150. 83 合计6. 15合计6. 15 从表 2 中可以看出 约有 15. 8 的 Mn 经转化进 入粉尘与炉渣中。由于粉尘与炉渣中锰元素含量较 高， 有回收再利用的价值， 因此将其大部分返回电炉 进行冶炼， 提高锰元素的综合回收率。 电炉用电约占全厂用电量的 94 图 2 ， 最具 节能潜力， 因此， 减少不必要的电能损耗势在必行。 111 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 从图 3 可看出 虽然电炉用电所占比例很大， 但其本 身电能利用率很低， 大部分电能以热量的形式散发出 去， 电能的利用效率有很大的提升空间。 图 2锰硅生产供电分配比例 图 3电炉能量平衡 在评估的基础上， 针对企业实际情况提出环境、 经济和技术可行的中 /高费方案， 见表 4 所示。 表 4中 /高费方案一览表 编号方案内容预期效果 HF01 对电炉上料系统进行改造， 由人 工进料改为自动进料 节约物料与人力资源， 减排固废 HF02对电炉炉体进行改造， 包括矮烟 罩、 密封装置等系统的改造并提 高炉体材料的隔磁性能。 提高能源利用效率 4. 3效益分析 通过实施清洁生产， 该企业在节能降耗方面获得 了显著效果， 并在环境效益与经济效益上也取得了较 好的效果。 4. 3. 1节能降耗 通过本轮清洁生产方案的实施， 每生产一吨锰硅 合金可减少用电 200 kWh， 大大提高了能源利用效 率， 节约人力资源， 自动进料比人工进料更加均匀， 减 少了物料损失， 并可以减少炉子空烧的情况。采用料 管下料后， 每生产 1t 锰硅合金大约可节约 0. 08 t 锰 矿， 从而间接地减少炉渣与除尘灰的产生， 从而达到 “节能、 降耗、 减污、 增效” 的效果。 4. 3. 2环境效益 一些方案的环境效益无法定量给出， 但是总体来 说方案实施后获得了良好的环境效益。经估算， 可实 现节水 2 万 t/a， 减少固废排放 4500 t/a， 粉尘减排 5. 2 t/a， 并有效降低车间噪声， 优化工人作业环境。 4. 3. 3经济效益 本次清洁生产共产生 9 个方案， 其中无 /低费方 案 7 项， 全部已实施; 中 /高费方案 2 项， 已实施2 项。 9 个 方 案 总 投 资 525 万 元，年 实 现 经 济 效 益 1 584 万元。 其中， 7 个无 /低费方案共投入资金 1. 95 万元， 方案实施后带来的直接经济效益约 6. 7 万元; 2 个 中 /高费方案全部实施， 共投入资金 523. 05 万元， 方 案实施后带来的直接经济效益约 1 577. 3 万元。 HF01 的实施大大降低工人的劳动强度， 每班由 原来的 11 人减少到 4 人， 节约人力资源约 26 万元/a， 在节省物料的同时可节约资金 896 万元 /a; HF02 的 实施节约大量电能， 每年约可节约资金 655 万元。 4. 3. 4清洁生产目标完成情况 通过本轮清洁生产审核和方案的采用， 与审核初 期确定的清洁生产目标相对照， 全面达到了预期目 标， 具体情况见表 5。 表 5审核前后指标对比表 项目 单位产品冶炼电 耗 / kWh t － 1 综合能耗折标煤 / kg t － 1 固废产生 量 /t 现状4 394. 021 126. 25118 796. 05 近期目标4 200990115 000 方案实施后4 194. 02880. 45114 380. 05 5结语 1锰硅合金生产属高耗能、 高污染行业， 该行业 推行清洁 生 产的 潜 力较 大， 是 可 持 续 发 展 的 必 然 趋势。 2清洁生产审核围绕原辅材料和能源、 技术工 艺、 设备、 过程控制、 产品、 废弃物、 管理以及员工素质 等方面展开。冶炼环节为锰硅合金生产的审核重点， 运用物料平衡法与能量平衡法对主要原料去向与能 源消耗进行分析， 为清洁生产方案的产生提供支持。 3通过清洁生产审核， 提出并实施方案， 获得良 好的环境效益与经济效益。同时， 企业领导与员工加 深了对清洁生产的认识， 提高环保与节能意识， 在今 后的生产与管理中不断发现问题、 解决问题， 提高企 业清洁生产水平。 参考文献 ［1］段宁， 陈文明． 企业清洁生产审计手册［M］． 北京 中国环境科 学出版社， 1996 1- 10. 下转第 124 页 211 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 产过程中的成本构成。率先采取节能减排措施、 采取 技术创新的低碳认证企业将获得良好的发展机遇和 广阔的发展空间 ［6］。 2产业结构调整和技术创新。从十二五规划中可 看出， 大力发展战略性新兴产业的重中之重就是发展高 效节能、 先进环保、 资源循环利用关键技术装备、 产品和 服务， 与之相关的碳税和碳交易等措施会进一步刺激企 业采取更为先进的工艺技术和设备， 推动行业进步。 3市场需求。气候变化和低碳经济直接催生了 绿色经济发展模式， 公众绿色消费理念也对企业的低 碳、 低能耗的产品提出更新的需求。一些领先的著名 生产商和采购商已经开始实施积极的节能减排政策， 这也要求企业必须参与其中， 并制定有效的低碳产品 市场发展策略 ［7- 8］。 4企业社会责任。在企业社会责任报告中， 节 能减排及环境信息成为了其中必不可少的部分， 企业 的利益相关方对企业的环境影响日益关注， 及时准确 的碳信息披露 CDP 可很好的提高公司的美誉度， 展 示良好的企业社会责任感。 在能源匮乏和节能减排的压力下， 社会对产品的 环保提出了更高要求， 这也就意味着企业的产业模式 必须向低碳转型， 产品结构必须全面优化升级。低碳经 济成为未来发展的流行趋势， 也成为了家电企业转型的 新契机。企业需要在低碳经济下重新梳理自己的价值 链， 及时调整产品结构与经营理念以顺应潮流发展。 3总结 企业制定低碳战略的实践可从以下方面考虑 提 供更健康更环保的节能型产品与服务， 提供解决方案 促进产业链低碳发展， 倡导公众低碳消费模式， 加强 企业自身减排和节能措施的推进， 提高能源和资源的 综合利用效率等。从海尔的具体实践可以看出， 家电 产品的能耗主要消耗在产品的制造和使用阶段， 这就 表明可以从这两个阶段入手持续改善产品的环境效 益。制定企业低碳战略， 进行相应的能力建设， 可为 企业带来环保效益与经济效益的双丰收。 节能减排是未来企业必然的发展方向， 公司的碳 信息越来越受到各相关方的关注， 及时制定企业的低 碳发展战略， 保持与外界良好的沟通， 有助于企业在 未来的生存和发展中抢得先机， 走出一条可持续发展 的低碳之路。 参考文献 ［1］杜群， 王兆平． 国外碳标识制度及其对我国的启示［J］． 中国政 法大学学报， 2011， 21 1 68- 79． ［2］魏仕勇， 刘克明， 胡强． 低碳经济与热处理节能环保新技术浅谈 ［J］． 热处理技术与装备， 2011， 32 6 46- 51． ［3］崔艳新． 欧盟应对气候变化政策的进展及影响［R］． 国际贸易 论坛， 2010 32- 65． ［4］安德鲁霍夫曼． 抢先一步 制定应对气候变化的企业策略 ［R］． 美国 Pew 研究中心， 2006． ［5］赵敏， 张卫国， 俞立中． 上海市能源消费碳排放分析［J］． 环境 科学研究， 2009， 22 8 985- 989． ［6］宋德勇， 卢忠宝． 中国碳排放影响因素分解及其周期性波动研 究［J］． 中国人口资源与环境， 2009， 19 3 18- 24． ［7］朱聆， 张真． 上海市碳排放强度的影响因素解析［J］． 环境科学 研究， 2011， 24 1 20- 26． ［8］佟金萍， 马剑锋， 仇蕾． 中国能源强度变动的分解与影响因素 ［J］． 系统工程， 2009， 27 10 25- 31． ［9］曾静静， 曲建升． 世界各国的气候变化适应战略与行动［N］． 科 学时报， 2010 年 4 月 23 日． 作者通信处尹凤福266103青岛市海尔路 1 号海尔集团技术研发中 心 E- mailyinff haier． com 2012 － 03 － 15 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 112 页 ［2］杨志忠， 郭培民． 中国铁合金工业的发展与思考［J］． 铁合金， 2003 6 40- 46. ［3］HJ 4702009 清洁生产标准 钢铁行业 铁合金 ［S］ . ［4］陈洪飞． 以循环经济的理念发展我国铁合金工业［J］． 铁合金， 2007 1 43- 49. ［5］包金国． 刍议矿热炉无功补偿新技术［J］． 中国新技术新产品， 2011 2 13. ［6］麻林伟， 赵小明， 贾磊， 等． 12. 5MVA 矿热炉能耗高的原因分析 及对策［J］． 铁合金， 2010 2 20- 23. ［7］谢子洪， 汤顺祥， 王炳金， 等． PLC 和触摸屏技术在矿热炉中的 应用［J］． 铁合金， 2007 2 41- 45. 作者通信处武晓燕300071天津市卫津路 94 号南开大学环境科 学与工程学院 电话 022 23502756 E- mailwuxiaoyan1_2006 126． com 2012 － 03 － 31 收稿 421 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期