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Wassermanagement und Umweltschutz im Stahlwerk


Wassermanagement und Umweltschutz in Stahlwerken

Wasser ist ein entscheidendes Hilfsmittel, das für die Produktion von Eisen und Stahl in einem Stahlwerk benötigt wird. Billig und reichlich vorhanden, war Wasser jahrhundertelang ein Produktionshilfsmittel, das die Stahlindustrie als selbstverständlich ansah. Aber im gegenwärtigen Szenario werden Wasserressourcen aufgrund des wachsenden Ungleichgewichts zwischen Frischwasserverfügbarkeit und -verbrauch immer knapper, weshalb der Zugang zu sauberem und sicherem Frischwasser zu einer der größten Herausforderungen der modernen Gesellschaft geworden ist.

Der Wasserbedarf steigt weiter aufgrund (i) des Bevölkerungswachstums und der Migration in dürregefährdete Regionen, (ii) der schnellen industriellen Entwicklung und des steigenden Wasserverbrauchs pro Kopf und (iii) des Klimawandels, der zu veränderten Wettermustern in den besiedelten Gebieten führt . Dies hat dazu geführt, dass die Stahlindustrie in eine neue Ära der Wasserbeschränkung eingetreten ist. Ferner haben in den letzten drei Jahrzehnten die Bedenken hinsichtlich der Umweltverschmutzung weltweit zugenommen, und dies hat zur Verkündung restriktiverer Umweltvorschriften geführt. Da in Zukunft eine Verknappung der Wasserressourcen droht, hat die Stahlindustrie ihre Herangehensweise an die Wasserstrategie und -politik in Richtung einer Reduzierung des Frischwasserverbrauchs geändert.



Da die Verfügbarkeit und Qualität von Frischwasser ein wichtiges Anliegen sind, ist das Wassermanagement eine wichtige Herausforderung für das Management von Stahlwerken, und dieser wird begegnet, um die Nachhaltigkeit des Produktionszyklus zu verbessern. Wasser kann wie Stahl wiederverwendet und recycelt werden. Die Zunahme des Wasserrecyclings nach Reinigung und Kühlung kann jedoch die Wasserqualität verringern. Daher soll das Stahlwerk die Reinigungstechnologien zur Reduzierung des Wasserverbrauchs kontinuierlich verbessern. Darüber hinaus hängen die wasserbezogenen Herausforderungen (z. B. Verfügbarkeit, saisonale Knappheit, Konkurrenz mit anderen Nutzern) vom Standort der Anlage ab, es ist wichtig, einen lokalen Ansatz und eine maßgeschneiderte Lösung zu haben. Der Lebenszyklus von Wasser ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Der Lebenszyklus von Wasser

In einem integrierten Stahlwerk wird eine große Menge Wasser verbraucht. Die verbrauchte Menge ist jedoch nicht hoch, da das meiste Wasser wiederverwendet oder zur Quelle zurückgeführt wird. Der größte Teil des verbrauchten Wassers wird verdunstet und etwa 90 % (im Durchschnitt 88 % in einer integrierten Anlage und 94 % in einer EAF-basierten Anlage) des Wassers wird nach der Reinigung und/oder Kühlung abgeleitet und häufig von anderen Versorgungsunternehmen verwendet. Das im Stahlwerk nicht verbrauchte Wasser wird gereinigt, gekühlt und der Quelle wieder zugeführt. Wasser, das in Flüsse und andere Quellen zurückgeführt wird, ist häufig sauberer, als wenn es an der Ansaugpumpe entnommen wird.

Ein Stahlwerk umfasst eine Reihe von Prozessen von der Rohmaterialvorbereitung bis zum Walzen des fertigen Stahls. All diese Prozesse benötigen Wasser. Wenn das Wasser in diesen Prozessen verwendet wird, wird es mit Schadstoffen in unterschiedlichen Mengen und Konzentrationen belastet. Der typische Wasserbedarf in den verschiedenen Prozessen in Stahlwerken variiert stark zwischen Stahlwerken und kann von 20 Kubikmetern pro Tonne Rohstahl bis 150 Kubikmetern pro Tonne Rohstahl reichen. Pumpleistungen für diese Wassermengen werden für das Funktionieren verschiedener Prozesse im Stahlwerk benötigt. Der Wasserverbrauch wird als Wasseraufnahme minus Wasserabgabe betrachtet. Der Gesamtwasserverbrauch hängt von den Wasseraufbereitungs- und Kreislaufanlagen im Stahlwerk ab und liegt normalerweise im Bereich von 1,5 Kubikmeter pro Tonne Rohstahl bis 4 Kubikmeter pro Tonne Rohstahl.

Ein Stahlwerk verbraucht große Mengen an Frischwasser für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Kühlung, Staubunterdrückung, Reinigung, Temperaturkontrolle (Wärmebehandlung), Transport von Abfallmaterialien (Asche, Schlamm und Zunder usw.) und andere Anwendungen. Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil einiger Prozesse im Stahlwerk, wie z. B. Wasserzugabe zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Kokskohlemischung, Pelletierung von Sintermischung, Herstellung von Grünpellets während der Herstellung von Eisenerzpellets, Erzeugung von Dampf und damit Energie und Granulierung von Hochofenschlacke usw. Die Verwendung großer Wassermengen erzeugt auch eine beträchtliche Menge an Abwasser, das vor seiner Einleitung behandelt werden muss.

Da im Stahlwerk große Wassermengen verwendet werden, hat jede technologische Verbesserung der Kühltechnologie, die zu einer kleinen prozentualen Reduzierung des Wasserverbrauchs führt, das Potenzial, eine große Menge Wasser in der natürlichen Umgebung einzusparen und den Wasserverbrauch zu minimieren Fußabdruck. Es ist wichtig, nach Wegen und Technologien zu suchen, die eine Minimierung des Wasserverbrauchs in der Stahlindustrie ermöglichen.

Der Wasserfußabdruck ist ein neues Konzept, das die Quantifizierung des Frischwasserverbrauchs ermöglicht. Die Methodik des Wasserfußabdrucks wurde von Hoekstra als Indikator für die Aneignung von Süßwasser eingeführt, mit dem Ziel, den indirekten Wasserverbrauch zu quantifizieren und abzubilden und die Relevanz der Einbeziehung von Verbrauchern und Produzenten entlang der Lieferketten in das Wassermanagement aufzuzeigen.

Wassermanagementstrategien helfen Stahlwerken, Wasser zurückzugewinnen, wiederzuverwenden und/oder zu recyceln, was wiederum zu erheblichen Kosteneinsparungen führen kann, indem der Bedarf an Zulaufwasser minimiert und Abflussmengen reduziert werden. Das Wassermanagement in einem integrierten Stahlwerk hängt in erster Linie von den örtlichen Gegebenheiten, der Wasserverfügbarkeit und den gesetzlichen Anforderungen ab.

In jüngster Zeit hat sich das Wassermanagement zu einem der wichtigsten Bestandteile von nachhaltigem Stahl entwickelt. Die nachhaltige Bewirtschaftung von Wasser ist für das Stahlwerksmanagement sehr wichtig, da Wasser einen wesentlichen Wert für die Gesellschaft hat. Es ist notwendig, dass die Stahlwerksleitung das Wassermanagement ernst nimmt. Das Management muss ständig evaluieren, wie Wasser am besten genutzt werden kann, und Verbesserungen sowohl bei seiner Erhaltung als auch bei seiner Wiederverwendung finden.

Wie im Fall von Stahl kann Wasser wiederverwendet und recycelt werden. Dies verbessert die Effizienz der Wassernutzung und reduziert seinen Bedarf sowie die Kosten. Durch die Steigerung des Wasserrecyclings und die Kaskadierung der Wassernutzung von höherer zu niedrigerer Qualität können der Wasserverbrauch und -verbrauch im Stahlwerk erheblich reduziert werden. Es ist jedoch notwendig, den potenziellen Anstieg des Energieverbrauchs zu berücksichtigen, bevor ein Wasserwiederverwendungs-Managementsystem implementiert wird.

Der effektivste Weg, die Wasseraufnahme zu reduzieren, ist die Wiederverwendung. Dies beinhaltet normalerweise Reinigungs- und Kühlwasserströme zwischen jedem Gebrauch. Einige dieser Behandlungen, wie z. B. das Kühlen, benötigen große Mengen an Energie und können aufgrund einer höheren Verdunstung zu einem erhöhten Wasserverbrauch führen. Die erforderlichen zusätzlichen Prozesse stehen immer fast im Widerspruch zu den Zielen, den Energieverbrauch zu reduzieren, was höhere Kohlendioxidemissionen bedeutet. Daher ist es notwendig, die Wirksamkeit der Wasserwiederverwendung auf integrierte Weise unter Berücksichtigung aller Umweltaspekte zu bewerten.

Daher ist Energieeffizienz ein sehr wichtiger Aspekt im Wassermanagement im Stahlwerk. Maßnahmen zur Wasserreduzierung sind mit dem Einsatz von energieeffizienten Pumpen und Wärmerückgewinnungsanlagen zu koppeln. Energieeffiziente Pumpen bedeuten, dass weniger Energie für die Wasserentnahme, Wasseraufbereitung und Wasserzirkulation benötigt wird. Darüber hinaus soll die Wassernutzungseffizienz den tatsächlichen Verbrauch, d. h. den Unterschied in Zu- und Ablauf (bei gleicher oder besserer Qualität), sowie Verfügbarkeitsaspekte und Einflüsse auf andere Ressourcenkategorien des Stahlwerks wie Energie berücksichtigen. Auch die Wiederverwendung von Wasser in einer Hochtemperaturindustrie wie einem Stahlwerk kann den Wasserverbrauch erhöhen.

Der Wasserverbrauch im Stahlwerk ist sehr unterschiedlich und hängt von mehreren Faktoren ab, wie (i) Wasserverfügbarkeit, (ii) eingesetzte Technologie, (iii) Alter und Zustand der Anlage und Ausrüstung, (iv) Produktionsarten Prozesse und (v) Betriebsverfahren der Anlage. Die drei grundlegenden Faktoren, die für ein effizientes Wassermanagement entscheidend sind, sind (i) die Qualität des Zusatzwassers, (ii) die klimatischen Bedingungen am Standort des Stahlwerks und (iii) gesetzliche Anforderungen.

Die wichtigsten wasserbezogenen Probleme, die sich auf das Wassermanagement in einem Stahlwerk auswirken, sind (i) die Qualität des benötigten Prozesswassers, (ii) die Qualität des Abwassers, (iii) das Recycling von Wasser und die Minimierung seines Verbrauchs, (iv) Schadstoffe in der Wasser, (v) Implementierung neuer Technologien für die Wasserwirtschaft und (vi) Implementierung von Abwasserbehandlungstechnologien und deren Kosteneffizienz.

Da aufgrund des erhöhten Verbrauchs, des zusätzlichen Energiebedarfs und der Notwendigkeit, anfallende Nebenprodukte zu behandeln / zu entsorgen, ein ganzheitlicher Ansatz unter Berücksichtigung aller Umweltaspekte bei der Erwägung der Einführung verschiedener Technologien zur Wasserreduzierung und -behandlung von entscheidender Bedeutung ist das Ziel, null Abwassereinleitung zu erreichen. Daher ist es entscheidend, eine ganzheitliche Betrachtung der Gesamtauswirkungen auf die Wasserressourcen zu haben. Abb. 2 zeigt einen ganzheitlichen Ansatz für das Wassermanagement.

Abb. 2 Ganzheitlicher Ansatz zum Wassermanagement

Verwendung von Wasser

Wasser hat in Eisen- und Stahlwerken viele Verwendungszwecke, und die Wasserqualität, die für jeden Verwendungszweck benötigt wird, ist ebenfalls unterschiedlich. Außerdem kann es Systeme mit einem Durchlauf und Systeme mit teilweiser oder vollständiger Wasserumwälzung geben.

Der größte Teil des Wassers im Hüttenwerk wird zur Kühlung, zum Schutz der Ausrüstung und zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen an den Arbeitsplätzen verwendet. Eine kleinere, aber immer noch beträchtliche Wassermenge wird als Prozesswasser verwendet. Eine geringe Wassermenge wird als Kesselspeisewasser sowie als Brauch- und Brauchwasser verwendet.

Wasser wird nicht nur für Kühlvorgänge, sondern auch für andere Zwecke verwendet. Um den Wasserbedarf an verschiedenen Stellen im Werk zu decken, werden unterschiedliche Wasserqualitäten benötigt. Darüber hinaus wird Frischwasser hauptsächlich für Prozesse und direkte und indirekte Kühlung verwendet, während Meerwasser normalerweise für die Durchlaufkühlung nach einer Antifouling-Vorbehandlung verwendet wird. Die Verwendung von Süßwasser wird normalerweise als Leistungsindikator betrachtet. Bei der direkten Kühlung kommt Wasser mit dem Material und der Ausrüstung in Kontakt, während bei der indirekten Kühlung das Wasser nicht mit dem Material oder der Ausrüstung in Kontakt kommt.

Meerwasser wird hauptsächlich zur Durchlaufkühlung ohne Vor- oder Nachbehandlung verwendet. Es kommt nicht mit dem Material oder der Ausrüstung in Berührung. Frischwasser wird hauptsächlich für Prozesse und Kühlung verwendet. Es kommt mit dem Material und der Ausrüstung in Kontakt und wird vor der Wiederverwendung oder Entsorgung behandelt. Die wichtigsten Verwendungen von Wasser in einem integrierten Stahlwerk sind unten aufgeführt.

Wasserflussdiagramm und die für Wasser verwendeten Begriffe

Das Wasserflussdiagramm in einem Stahlwerk ist in Abb. 3 dargestellt. Die Begriffe, die für die verschiedenen Wasserarten im Diagramm verwendet werden, sind unten beschrieben.

Abb. 3 Wasserflussdiagramm eines Stahlwerks

Wasser aufnehmen – Es ist das Wasser, das aus dem Wasserkörper am Ansaugpumpenhaus gepumpt und dem Wassersystem des Stahlwerks zugeführt wird.

Zusatzwasser – Es ist das Wasser, das dem Wassersystem hinzugefügt wird. Ergänzungswasser wird häufig in Systemen benötigt, die Umlaufwasser verwenden. Es ist dieses Wasser, das dem System hinzugefügt wird, um den Wasserverlust (i) im Prozess, (ii) durch die Verdunstung und (iii) durch Leckagen zu kompensieren.

Prozesswasser – Es ist das Wasser, das mit einem Endprodukt oder mit in einem Endprodukt enthaltenen Materialien in Kontakt kommt. Prozesswasser umfasst im Großen und Ganzen Ströme, die mit den Rohstoffen oder Endprodukten der Stahlproduktion in Kontakt kommen oder die Teil des Endprodukts werden. Es gibt viele Prozesswasseranwendungen, darunter die physikalische Trennung von Erzbestandteilen, Abschreckhärtung, Entzunderung, Verzinkung und Plattierung. Prozesswasser ist auch Bestandteil von Lösungsmitteln, Säuren und Emulsionen, die zum Reinigen, Entfetten und Spülen von Stahloberflächen verwendet werden.

Kühlwasser – Es ist das Wasser, das ausschließlich zur Kühlung verwendet wird. Kühlwasser bezieht sich auf Ströme, die verwendet werden, um überschüssige Wärme von Stahlprodukten und zugehörigen Ausrüstungen abzuführen. Kühlanwendungen machen den größten Teil des in einem Stahlwerk verwendeten Wassers aus und umfassen Kontaktkühlung in Warm- und Kaltwalzprozessen, Abgaskühlung und -eindämmung, Kühlung von Öfen und Hochöfen und andere Anwendungen.

Die Wassermenge, die von einer Einrichtung entnommen und abgelassen wird, variiert erheblich je nach Art des verwendeten Kühlsystems. Durchlaufkühlsysteme haben den höchsten Wasserbedarf, während Umlaufkühlsysteme fast das gesamte Wasser für wiederholte Kühlzyklen zurückhalten.

Demineralisiertes Wasser – Demineralisiertes Wasser ist Wasser, dem die Mineralien des Wassers entzogen wurden. Als Kesselspeisewasser wird auch demineralisiertes Wasser verwendet. Der Demineralisierungsprozess wird normalerweise durchgeführt, wenn das Wasser für chemische Prozesse verwendet werden soll und die vorhandenen Mineralien die anderen Chemikalien stören können. Beim Entmineralisierungsprozess wird das Wasser enthärtet, indem die unerwünschten Mineralien entfernt werden. Demineralisiertes Wasser hat eine höhere Leitfähigkeit als deionisiertes Wasser.

Kesselspeisewasser – Als Kesselspeisewasser wird demineralisiertes Wasser verwendet. Kesselspeisewasser wird zur Erzeugung von Prozessdampf verwendet, der zum Antrieb vieler Prozesse in der Stahlproduktion verwendet wird. Kessel werden verwendet, um Energie für die Prozessheizung und -kühlung zu erzeugen sowie mechanische Antriebssysteme und Druckregelsysteme anzutreiben. Kessel benötigen hohe Wasserqualitätsstandards, um eine sichere Funktion unter ihren typischen Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen und Drücken zu gewährleisten. Mit der richtigen Vorbehandlung kann jedoch Wasser aus verschiedenen Quellen zur Verwendung als Zusatzwasser für den Kessel recycelt werden.

Löschwasser – Es ist das Wasser, das zum Löschen von Bränden im Stahlwerk verwendet wird.

Weiches Wasser – Weiches Wasser ist Wasser, das geringe Konzentrationen an Ionen enthält und insbesondere arm an Calcium- und Magnesiumionen ist. Der Begriff wird verwendet, um Wasser zu beschreiben, das durch einen Wasserenthärtungsprozess hergestellt wurde. Weiches Wasser kann auch erhöhte Mengen an Natrium- und Bikarbonat-Ionen enthalten. Weiches Wasser verursacht keine Kalkablagerungen in Wasserheizsystemen und indirekten Wasserkühlsystemen.

Abwasser – Es ist das Abwasser, das aus dem Wassersystem abgeleitet wird. Abwasser aus einer Anlage wird in ein Abfallentsorgungssystem eingeleitet. Innerhalb einer Anlage kann jedoch das Abwasser einer Einheit als Zulauf für eine andere Einheit verwendet werden. Die verbrauchte Wassermenge ist an den meisten Orten nur sehr schwer zu bestimmen und wird normalerweise als Differenz zwischen Zu- und Ablauf betrachtet oder vom Anlagenbetreiber geschätzt. Bei Durchlaufsystemen wird das Abwasser normalerweise nicht gemessen.

Brauchwasser – Es ist auch als Sanitärwasser bekannt und wird zum Trinken und in Waschräumen verwendet.

Brauchwasser – Es ist das Wasser, das für die allgemeine Reinigung der Werkstätten, das Unterdrücken von Staub und das Spülen von Abfällen usw. verwendet wird.

Andere Verwendungen von Wasser – Andere Wassernutzungen sind Wassernutzungen, die nicht unter die vorstehenden Überschriften fallen. Beispiele für andere Verwendungen sind Wasser, das in Belüftungssystemen verwendet wird, Transport von Abfallmaterialien wie Gülle und Gartenarbeit usw.

Schadstoffe im Abwasser

Das Wassermanagement in einem integrierten Stahlwerk ist sehr wichtig für seinen erfolgreichen Betrieb, da das integrierte Stahlwerk eine große Menge Wasser für seinen Betrieb benötigt. Während des Betriebs der Anlage wird dieses Wasser verunreinigt. Es ist sehr schwierig, den Gewässerschutz von der Wasserwirtschaft im Werk zu trennen. Ein gutes Wassermanagement führt zu einer Verringerung der Wasserverschmutzungskontrolle, während gleichzeitig die Wasserverschmutzungskontrolle ein gutes Wassermanagement erfordert. Ein gutes Wassermanagement erfordert keinen oder einen minimalen Wasserabfluss aus der Anlage. Dies wird durch den Einbau aufwendiger Wasseraufbereitungssysteme zur Wasserrückführung erreicht. Dies reduziert den Wasserverbrauch, da der Bedarf an Nachspeisewasser reduziert wird. Es reduziert auch die Wasserverschmutzung, da der Wasserabfluss von der Anlagengrenze gleich Null oder vernachlässigbar wird. Außerdem reduziert es die Notwendigkeit und die Kosten der Behandlung von verschmutztem Wasser, bevor es von der Anlagengrenze abgelassen wird. Die folgenden Schadstoffe sind im Abwasser vorhanden.

Die Einleitung von Abwasser ohne Behandlung verursacht eine Verschmutzung der Gewässer am Ort der Einleitung, und daher ist eine angemessene Behandlung des Abwassers vor seiner Einleitung aus dem Stahlwerk erforderlich. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Methoden aufgeführt, die normalerweise zur Behandlung von Abwässern verwendet werden.

Ein typisches Fließschema für die Behandlung von Schlamm ist in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 4 Fließbild zur Schlammbehandlung



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