Efficiënt Watermanagement en Verontreinigingsbeheersing voor Moderne Stalen Fabrieken

Watermanagement en Verontreinigingsbeheersing in Stalen Fabrieken

Water is een cruciale utiliteit die nodig is voor de productie van ijzer en staal in een stalen fabriek. Eeuwenlang was water goedkoop en overvloedig, een productieutiliteit die de staalindustrie als vanzelfsprekend beschouwde. Maar in de huidige situatie worden waterbronnen steeds schaarser door de groeiende onbalans tussen beschikbaarheid en verbruik van zoet water. Toegang tot schoon en veilig zoet water is daarmee een van de grootste uitdagingen van de moderne samenleving geworden.

Stijgende Watervraag

De watervraag blijft stijgen door:

• Bevolkingsgroei en migratie naar droogtegevoelige gebieden
• Snelle industriële ontwikkeling en toenemend watergebruik per capita
• Klimaatverandering die leidt tot veranderende weerspatronen in bevolkte gebieden

Dit heeft ertoe geleid dat de staalindustrie een nieuw, waterbeperkt tijdperk is binnengegaan. Bovendien zijn in de afgelopen drie decennia de zorgen over milieuvorming wereldwijd toegenomen, wat heeft geleid tot strengere milieuwetgeving. Met de dreiging van toekomstige watertekorten heeft de staalindustrie haar strategie en beleid gewijzigd naar reductie van zoetwaterverbruik.

Uitdagingen van Watermanagement

Omdat beschikbaarheid en kwaliteit van zoet water grote zorgen zijn, is watermanagement een belangrijke uitdaging voor het management van stalen fabrieken, gericht op verbetering van de duurzaamheid van de productiecyclus. Water, zoals staal, kan hergebruikt en gerecycled worden. Toename van waterrecycling na reiniging en afkoeling kan echter de waterkwaliteit doen dalen. Daarom moet de stalen fabriek de reinigingstechnologieën continu verbeteren om het waterverbruik te reduceren. Daarnaast hangen watergerelateerde uitdagingen (beschikbaarheid, seizoensgebonden tekort, concurrentie met andere gebruikers) af van de locatie van de fabriek, wat een lokale aanpak en maatwerkoplossingen vereist. De levenscyclus van water wordt weergegeven in Figuur 1.

Watergebruik en -verbruik

In een geïntegreerde stalen fabriek wordt een grote hoeveelheid water gebruikt, maar het daadwerkelijke verbruik is niet hoog, aangezien het meeste water hergebruikt wordt of terugkeert naar de bron. Het grootste deel van het verbruikte water verdampt, en gemiddeld 90% (88% in een geïntegreerde fabriek en 94% in een EAF-gebaseerde fabriek) wordt na reiniging en/of afkoeling afgedaan en vaak door andere utiliteiten gebruikt. Water dat niet verbruikt wordt, wordt gereinigd, afgekoeld en teruggevoerd naar de bron. Teruggevoerd water is vaak schoner dan bij de inname.

Een stalen fabriek omvat talloze processen, van ruwstofbereiding tot walsen van afgerond staal. Al deze processen hebben water nodig. Bij gebruik raakt het water vervuild met verontreinigingen in variërende hoeveelheden en concentraties. De typische waterbehoefte varieert wijd tussen fabrieken: 20 tot 150 kubieke meter per ton ruw staal. Pompcapaciteiten voor deze hoeveelheden zijn essentieel. Waterverbruik wordt gedefinieerd als inname minus afvoer. Het totale verbruik hangt af van waterbehandeling en recirculatie, en ligt normaal tussen 1,5 en 4 kubieke meter per ton ruw staal.

Toepassingen van Water

Een stalen fabriek gebruikt grote hoeveelheden zoet water voor:

• Koeling, stofonderdrukking, reiniging, temperatuurcontrole (warmtebehandeling)
• Transport van afvalmaterialen (as, slib, walmsel)
• Proceswater: vochtcontrole in cokeskoolmengsel, pelletisering van sintermengsel, groen pelletproductie, stoomproductie, granulator van hoogovenslak

Groot watergebruik genereert ook aanzienlijke hoeveelheden afvalwater dat behandeld moet worden voor lozing.

Watervoetafdruk en Beheerstrategieën

De watervoetafdruk, geïntroduceerd door Hoekstra, is een indicator voor zoetwaterappropriatie die indirect watergebruik kwantificeert en de relevantie van betrokkenheid van consumenten en producenten in de keten benadrukt.

Watermanagementstrategieën helpen stalen fabrieken water te herwinnen, hergebruiken en recyclen, wat leidt tot kostenbesparing door minder innamewater en geringere afvoervolumes. Het management hangt primair af van lokale omstandigheden, waterbeschikbaarheid en wettelijke eisen.

In de laatste tijd is watermanagement een van de belangrijkste onderdelen van duurzaam staal. Duurzaam watermanagement is essentieel vanwege de wezenlijke waarde van water voor de samenleving. Management moet constant evalueren hoe water het beste gebruikt kan worden, en verbeteringen zoeken in zowel behoud als hergebruik.

Net als staal kan water hergebruikt en gerecycled worden. Dit verbetert de efficiëntie en verlaagt vraag en kosten. Door recycling te verhogen en water in cascades van hogere naar lagere kwaliteit te gebruiken, kan het verbruik aanzienlijk gedaald worden. Echter, de potentiële toename van energiegebruik moet overwogen worden voordat een hergebruikssysteem geïmplementeerd wordt.

Energie-efficiëntie en Holistische Benadering

De effectiefste manier om waterinname te reduceren is hergebruik, wat normaal reiniging en afkoeling tussen elk gebruik vereist. Sommige behandelingen, zoals afkoeling, vragen veel energie en kunnen leiden tot hogere verdamping. De benodigde additionele processen conflicteren vaak met energiebesparingsdoelstellingen, wat hogere CO2-uitstoot betekent. Daarom moet de effectiviteit van waterhergebruik geïntegreerd beoordeeld worden, rekening houdend met alle milieuaspecten.

Energie-efficiëntie is cruciaal in watermanagement. Waterreductiemaatrellen moeten gekoppeld worden aan energie-efficiënte pompen en warmteherwinning. Energie-efficiënte pompen betekenen minder energie voor waterwinning, -behandeling en -circulatie. Watergebruiksefficiëntie moet rekening houden met daadwerkelijk verbruik (verschil inname en afvoer van gelijke of betere kwaliteit), beschikbaarheid en invloed op andere bronnen zoals energie. Hergebruik in een hoge-temperatuur industrie kan het waterverbruik zelfs verhogen.

Waterverbruik varieert wijd en hangt af van: (i) waterbeschikbaarheid, (ii) toegepaste technologie, (iii) leeftijd en staat van fabriek en apparatuur, (iv) typen productieprocessen, en (v) operationele procedures. Drie cruciale factoren voor efficiënt watermanagement zijn: (i) kwaliteit van aanvulwater, (ii) klimatologische omstandigheden op de locatie, en (iii) wettelijke eisen.

Hoofd Watergerelateerde Kwesties

• Kwaliteit van benodigd proceswater
• Kwaliteit van afvalwater
• Recycling en minimalisatie van verbruik
• Verontreinigingen in het water
• Implementatie van nieuwe watermanagementtechnologieën
• Implementatie van afvalwaterbehandeling en kosten-effectiviteit

Vanwege verhoogd verbruik, additionele energiebehoefte en de noodzaak om bijproducten te behandelen/af te voeren, is een holistische benadering cruciaal bij de introductie van waterreductie- en behandelingstechnologieën met als doel nul-afvoer. Figuur 2 toont een holistische benadering.

Gebruik van Water in de Staalindustrie

Water heeft veel toepassingen in ijzer- en stalen fabrieken, met variërende kwaliteitseisen. Er zijn eenmalige doorloopsystemen en systemen met gedeeltelijke of volledige recirculatie.

Het grootste deel van het water wordt gebruikt voor koeling, om apparatuur te beschermen en werkomstandigheden te verbeteren. Een kleinere maar nog steeds aanzienlijke hoeveelheid is proceswater. Een kleine hoeveelheid dient als ketelvoederwater en als domestisch en servicewater.

Zoet water wordt voornamelijk gebruikt voor processen en directe/indirecte koeling, terwijl zeewater normaal voor eenmalige doorloopkoeling na anti-verstoppingsbehandeling gebruikt wordt. Bij directe koeling komt water in contact met materiaal en apparatuur, bij indirecte koeling niet.

Belangrijke toepassingen in een geïntegreerde stalen fabriek:

• Procesbehoeftes: vochtcontrole cokeskool, natte afkoeling cokes, toevoeging aan sintermengsel, spuiten bij hoogoventop, granulator van hoogovenslak, varkensgieten, continu gieten, ontschaaling voor warm walsen, online warmtebehandeling, regeling pickelzuurstärke
• Materiaalconditie: transport van walmsel, stofonderdrukking bij transport/opslag, slurrys voor pipelinetransport, transport vlugas naar asbekken
• Gasbehandeling: koeling, reiniging, conditionering van procesgassen
• Warmteoverdracht: koeling apparatuur, walsen, ovenmantels (direct en indirect)
• Stoomproductie: gedemineraliseerd water voor processtoom en stroomopwekking
• Diverse koeling: ovens en refractair materiaal voor reparaties, afkoelen metalen/slakken voor transport
• Watergebaseerde mortels, runner massa, klei
• Riool- en waterbehandeling: toevoeging voor efficiënte behandeling, neutralisatie zuure afvalstoffen
• Reiniging: winkelvloeren, ventilatie controlekamers/tunnels
• Brandbestrijding, drinkwater, kantines, wasruimtes
• Beplanting voor milieu

Waterstroomdiagram en Termen

Het waterstroomdiagram wordt getoond in Figuur 3. De termen worden hieronder beschreven.

Definities

• Innamewater: Water opgepompt uit het waterlichaam bij het innamepumphuis en toegevoegd aan het watersysteem.
• Aanvulwater: Water toegevoegd aan het systeem ter compensatie van verliezen door proces, verdamping en lekkages. Vaak nodig in recirculerende systemen.
• Proceswater: Water dat in contact komt met eindproduct of materialen die in het eindproduct verwerkt worden. Omvat stromen die contact maken met grondstoffen/eindproducten of deel uitmaken van het eindproduct. Toepassingen: fysieke scheiding, afschrikverharding, ontschaaling, galvaniseren, verchrooming, component van oplosmiddelen/zure/emulsies.
• Koelwater: Water uitsluitend voor koeling. Dissipeert overtollige warmte van producten en apparatuur. Vertegenwoordigt het grootste deel van watergebruik. Omvat contactkoeling bij warm/koud walsen, rookgaskoeling, koeling ovens/oven.
• Gedemineraliseerd water: Water waaruit mineralen verwijderd zijn. Ook als ketelvoederwater. Hogere geleidbaarheid gedemineraliseerd water dan gedemineraliseerd water.
• Ketelvoederwater: Gedemineraliseerd water voor processtoom. Hoge kwaliteitseisen voor veilige werking bij hoge temperatuur/druk. Met pre-behandeling kan water uit diverse bronnen gerecycled worden.
• Brandweerwater: Voor brandbestrijding.
• Zacht water: Lage concentraties calcium/magnesium ionen. Geen calciumafzettingen in verwarmingssystemen.
• Afvalwater (effluent): Afgevoerd afvalwater. Binnen een fabriek kan effluent van één eenheid inname voor een andere zijn. Verbruik moeilijk te meten, vaak verschil inname-effluent. Bij eenmalige systemen vaak niet gemeten.
• Domestisch water: Sanitair water voor drinken en wasruimtes.
• Servicewater: Algemene reiniging, stofonderdrukking, afspoelen afval.
• Overig gebruik: Ventilatiesystemen, transport afvalstoffen (slurries), tuinieren.

Verontreinigingen in Effluent Water

Watermanagement is cruciaal voor succesvolle operatie. Tijdens operatie raakt water vervuild. Waterverontreinigingsbeheersing en watermanagement zijn onlosmakelijk verbonden. Goed watermanagement leidt tot minimale afvoer, door uitgebreide behandelingssystemen voor recirculatie. Dit vermindert waterverbruik (minder aanvulwater), waterverontreiniging (nul/vernachibaarbare afvoer) en behandelingskosten.

De volgende verontreinigingen zijn aanwezig in effluent water:

• Colloïdale en gesuspendeerde stoffen: Erts- en fluxfijnen, walmsel, zand, vlugas, kool- en cokesfijnen
• Temperatuur en warmte: Koelwater, ketelblowdown
• Olie: Walsoliën, smeermiddelen, hydraulische oliën, afschrikoliën, brandstofoliën, oplosmiddelen, teer, pek
• Chemicaliën: Pickelauge, zuurslib, natronloog, kalk, gespente ammoniakhoudende louter, ketelblowdown, giftige chemicaliën
• Sanitaire afvalstoffen: Afval uit kantines, wasruimtes, kleedkamers, toiletten

Lozing zonder behandeling verontreinigt waterlichamen. Adequate behandeling is noodzakelijk. Hoofdbehandelingsmethoden:

• Opslagtanks: Conventionele sedimentatie in rechthoekige/circulaire tanks. Soms flocculatie. Slibafvoer via pompen of kraan met grijper.
• Dikmakers, clarifiers, clariflocculators: Voor zeer fijn gesuspendeerd materie. Coagulantia: alum, ferriumchloride, ferriumsulfaten, poly-elektrolyten.
• Warmteverwijdering: Koelvijvers, sproeibekkens, koeltorens.
• Neutralisatie: pH 6,5-7,5. Zuur water met luiten, basisch water zuren.
• Oliehoudend effluent: Natuurlijke flottatie en afschuimen. Verzameling via mobile goten.
• Cokesovenafvalwater (hoge BOD): Drippelfilters of geactiveerd slibproces. Uitgebreide beluchting effectiever. Fosfaattoevoeging voor nutriëntenbalans. Rijksrioolwater helpt bij geactiveerd slibproces.

Een typisch stromenschema voor slibbehandeling wordt getoond in Figuur 4.