北方典型鋼鐵企業(yè)非常規(guī)水源綜合利用與思考

王小軍 ，程繼軍 ，王利平 ，邢金良 ，李進(jìn)國 ，賀占超 ，武建國

（1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210029，南京；2.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，210029，南京；3.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，100711，北京；4.太原鋼鐵（集團(tuán)）公司，030003，太原）

我國水資源總量為28 412億m3，其中北方地區(qū)為5 267億m3，占全國的19%，而南方地區(qū)為23 145億m3，占全國的81%。北方地區(qū)國土面積、人口、耕地面積和GDP分別占全國的64%、46%、60%和45%，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡直接導(dǎo)致北方地區(qū)水資源開發(fā)利用過度問題嚴(yán)重，其中海河、石羊河等流域水資源開發(fā)利用率均超100%。

鋼鐵行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過20多年的高速發(fā)展，已逐步成為國際上最具競爭力的工業(yè)行業(yè)，有力支撐了我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求。我國鋼鐵工業(yè)不僅粗鋼產(chǎn)量穩(wěn)居世界首位，而且工藝技術(shù)裝備水平、鋼材加工產(chǎn)品亦居于國際先進(jìn)水平。但鋼鐵工業(yè)是典型的高耗水行業(yè)，在其快速發(fā)展的同時(shí)也帶來相應(yīng)的資源和環(huán)境壓力。目前，在我國北方分布有鞍鋼、首鋼、太鋼、包鋼、本鋼、邯鋼、唐鋼、萊鋼、安鋼、酒鋼等一系列大型鋼鐵企業(yè)。全國近60%的鋼鐵產(chǎn)能集中在缺水的北方地區(qū)和生態(tài)脆弱的西北內(nèi)陸，其中缺水最嚴(yán)重的京津冀地區(qū)產(chǎn)能超過30%，水資源支撐能力十分薄弱。

在資源約束趨緊、生態(tài)環(huán)境問題日益突出的背景下，要解決北方地區(qū)高耗水企業(yè)日益嚴(yán)峻的水資源問題，必須在節(jié)水優(yōu)先的原則下，通過用水系統(tǒng)工藝優(yōu)化與提升，充分利用非常規(guī)水源，提高水資源利用效率。為此，本文選擇我國北方地區(qū)典型鋼鐵企業(yè)山西太鋼不銹鋼股份有限公司進(jìn)行非常規(guī)水源利用分析，并通過對企業(yè)利用城市處理后的污水以及生產(chǎn)廢水等情況進(jìn)行總結(jié)，分析企業(yè)在非常規(guī)水源利用方面的經(jīng)驗(yàn)與存在的問題，并提出相關(guān)工作建議，為推動(dòng)鋼鐵企業(yè)水資源高效利用提供參考。

一、企業(yè)基本情況

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（簡稱太鋼）位于太原市，始建于1934年8月，前身是西北煉鋼廠，1996年1月改制為國有獨(dú)資公司，1998年獨(dú)家發(fā)起設(shè)立太鋼不銹鋼股份有限公司并在深交所上市，2006年實(shí)現(xiàn)鋼鐵主業(yè)整體上市，現(xiàn)已發(fā)展成為全球單體工廠規(guī)模最大、工藝裝備水平最高、品種規(guī)格最全的不銹鋼企業(yè)，形成年產(chǎn)1 200萬t鋼 （其中430萬t不銹鋼）的生產(chǎn)能力。太鋼擁有完整的鋼鐵生產(chǎn)工藝流程及相關(guān)配套設(shè)施，涵蓋了焦化、燒結(jié)球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、軋鋼、熱電等工藝流程。主要產(chǎn)品有不銹鋼、冷軋硅鋼、碳鋼熱軋卷板、火車輪軸鋼、軍工鋼等，多種產(chǎn)品市場占有率處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。太鋼2006—2017年粗鋼產(chǎn)量見圖1。

二、所在區(qū)域水資源條件及企業(yè)用水情況

太原市分屬黃河、海河流域，其中黃河流域面積6 253 km2，屬汾河水系，海河流域面積735 km2，屬牙河水系。全市屬北溫帶大陸性氣候，晝夜溫差較大，無霜期較長，日照充足，氣候年際變化大。經(jīng)過多年的快速發(fā)展，太原成為山西省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教、交通中心，逐步形成了煤炭、冶金、機(jī)械、化工、電力等五大支柱行業(yè)。

太原市多年平均天然年徑流量2.199億m3，平均徑流深31.5 mm，全市多年平均年地下水資源量為5.436億m3。多年來，受特殊地形和水文地質(zhì)條件的影響，太原市水資源條件局部差異較大，地區(qū)分布和季節(jié)分配不均，年際變化大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太原市水資源高度開發(fā)利用，地下水在1985—2005年間累計(jì)超采18.4億m3，其中城區(qū)累計(jì)超采量約為14億m3，由此引發(fā)石寒泉、晉祠泉等巖溶泉水?dāng)嗔骱秃畬邮韪?、地面沉降等水生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題。

圖1 太鋼2006—2017年粗鋼產(chǎn)量

表1 各工序用水系統(tǒng)水量指標(biāo)

太鋼屬于高耗水企業(yè)，主要用水環(huán)節(jié)遍布鋼鐵生產(chǎn)全流程，涵蓋了焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼、冷軋等生產(chǎn)工序，以及生產(chǎn)輔助設(shè)施等，主要有風(fēng)機(jī)、除塵設(shè)備、高爐爐體及其輔助設(shè)備、煉鋼爐體、氧槍、連鑄機(jī)及結(jié)晶器、加熱爐及其輔助設(shè)備、軋機(jī)等用水設(shè)備。生產(chǎn)用水主要包括設(shè)備間接冷卻用水、設(shè)備直接冷卻用水、煤氣洗滌用水、高爐沖渣用水等，各工序用水系統(tǒng)水量指標(biāo)見表1。

通過不斷改進(jìn)工藝提升用水水平，目前噸鋼取水量、水重復(fù)利用率分別為3.01 m3/t、98.5%，鋼鐵行業(yè)平均噸鋼取水量、水重復(fù)利用率分別為3.17 m3/t、97.71%，2015—2017 年太鋼水效指標(biāo)見表2。2016年，太鋼噸鋼取水量、直接冷卻水循環(huán)率、廢水回用率、水重復(fù)利用率、用水綜合漏失率分別為 2.35 m3/t、98.15%、82.03%、98.5%、4.83%，均優(yōu)于《節(jié)水型企業(yè)鋼鐵行業(yè)》（GB/T 26924—2011） 中噸鋼取水量≤4.2 m3/t、直接冷卻水循環(huán)率≥95%、廢水回用率≥75%、水重復(fù)利用率≥97%、用水綜合漏失率≤8%的規(guī)定。

三、太鋼水資源綜合利用情況

受水資源條件制約，太鋼目前主要取水水源包括自來水、汾河水、城市中水和處理回用的城市污水。太鋼現(xiàn)已基本不用汾河水源，主要通過購買北郊生活污水處理廠的中水作為生產(chǎn)用新水，另外依靠其地理位置優(yōu)勢，引入城市污水再生利用，使污水全面實(shí)現(xiàn)資源化利用，見圖2。

表2 太鋼2015—2017年水效指標(biāo)

圖2 太鋼2006—2017年取水及污水處理利用情況

1.城市污水處理利用

自2007年，太鋼回收處理尖草坪地區(qū)及流經(jīng)北澗河、北沙河的生活污水。城市生活污水處理回用工程采用MSBR法進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)處理能力5萬m3/d。處理后的中水作為膜處理的源水，產(chǎn)生除鹽水用以生產(chǎn)，進(jìn)而替代新水源，日可回用除鹽水量3.25萬m3，部分用于廠區(qū)綠化、道路灑水，部分直接勾兌到工業(yè)新水管網(wǎng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)生活污水最大程度利用。

2.廠區(qū)污水處理回用

自20世紀(jì)90年代，太鋼先后建成3個(gè)污水處理系統(tǒng)，共計(jì)處理污水13億多t，并回用于生產(chǎn)系統(tǒng)，減少了太鋼新水的消耗，同時(shí)減少了企業(yè)外排水量。2013年年底，太鋼新建了一套工業(yè)廢水膜處理系統(tǒng)，日處理工業(yè)廢水約4.88萬m3，產(chǎn)生除鹽水3.36萬m3。2015年，進(jìn)一步實(shí)施了工業(yè)廢水?dāng)U容提效改造工程，日處理工業(yè)廢水18萬m3。全面實(shí)施超濾和反滲透深度處理，處理后的污水全部補(bǔ)充到太鋼生產(chǎn)循環(huán)水系統(tǒng)中，提高了工業(yè)廢水處理及回用效率。

3.實(shí)施分質(zhì)用水，梯級利用

通過分類處理，推行分質(zhì)用水、串接使用等一系列節(jié)水技術(shù)，將非常規(guī)水源利用于主要工序，如凈循環(huán)水系統(tǒng)的排污水補(bǔ)充給污循環(huán)水系統(tǒng)，污循環(huán)水系統(tǒng)的排污水補(bǔ)充給煤氣洗滌循環(huán)水系統(tǒng)，煤氣洗滌系統(tǒng)水系統(tǒng)的排污水補(bǔ)充給水渣循環(huán)水系統(tǒng)等。

2005年，太鋼改造分質(zhì)供水、分質(zhì)排水、分質(zhì)處理的管網(wǎng)工程，以滿足各用戶對水質(zhì)的不同要求，形成了優(yōu)水優(yōu)用、劣水劣用、污水回用的模式。改造后用水種類主要有：生活水、工業(yè)新水、工業(yè)循環(huán)水、軟化水、除鹽水、濃鹽水等。2006年，太鋼采用表面蒸發(fā)冷卻器技術(shù)，實(shí)施工藝設(shè)備間接冷卻水閉路循環(huán)系統(tǒng)整改，大大降低了生產(chǎn)循環(huán)水損耗，年可節(jié)約新水300多萬t。在軋區(qū)冷水站工程中，將水溫要求低的冷軋用水系統(tǒng)采用低溫閉路循環(huán)系統(tǒng)，滿足了不銹鋼新系統(tǒng)的用水要求。同時(shí)，將初軋和不銹熱軋的主電機(jī)冷卻及油庫冷卻用水，由新水直接冷卻系統(tǒng)改造為冷凍水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，使3 500 m3/h的直接冷卻水得到循環(huán)利用。

4.強(qiáng)化節(jié)水管理，有效配置水資源

太鋼結(jié)合生產(chǎn)情況，制定《太鋼生產(chǎn)單位精細(xì)化節(jié)水管理制度》《供水系統(tǒng)超量補(bǔ)水考核管理規(guī)定》《降低噸鋼耗新水指標(biāo)實(shí)施措施》《污水處理回用管理考核細(xì)則》《反滲膜膜系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》等管理辦法，規(guī)范水資源利用。在水資源管理過程中，以量化指標(biāo)、細(xì)化措施、強(qiáng)化責(zé)任、硬化獎(jiǎng)懲為基礎(chǔ)，根據(jù)主要生產(chǎn)工藝的用水特征，對用水效率指標(biāo)進(jìn)行控制。由此實(shí)現(xiàn)水資源從提取、收集、轉(zhuǎn)供、加壓、分配、循環(huán)利用到資源治理全過程集中管理，并重點(diǎn)保證各水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合理的分質(zhì)供水、分質(zhì)用水，強(qiáng)化節(jié)獎(jiǎng)超罰力度，實(shí)現(xiàn)水資源整體效能的提升。

通過以上措施，太鋼以鋼鐵生產(chǎn)安全優(yōu)質(zhì)水源保供為基礎(chǔ)，以廢水利用為主要手段，輔以必要的工藝節(jié)水，在全工序推廣應(yīng)用分質(zhì)供水、串級用水、閉路循環(huán)、蒸發(fā)空冷、反滲透膜處理等先進(jìn)節(jié)水工藝技術(shù)，利用企業(yè)污水處理工藝對市政中水進(jìn)行再生回用，充分利用非常規(guī)水源，同時(shí)以增強(qiáng)節(jié)水意識、建立節(jié)水體系、優(yōu)化水源匹配為手段，最大程度減少取水量。目前，太鋼在生產(chǎn)過程中優(yōu)先采用節(jié)水生產(chǎn)工藝，全面實(shí)施“三干”技術(shù)，即焦?fàn)t配套干熄焦、高爐煤氣干法除塵、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵，從主體裝備工藝方面取消新水使用，并先后建成軋鋼廢水處理系統(tǒng)、冶煉廢水處理系統(tǒng)、膜法水處理系統(tǒng)、生活污水處理系統(tǒng)、中水深度處理系統(tǒng)、軋鋼廢水分質(zhì)處理系統(tǒng)等工程，用水效率顯著提高，優(yōu)于國內(nèi)其他同類型企業(yè)，見圖 3、表 3。用，有力提升了水資源利用效率。結(jié)合城市污水治理，太鋼直接收集周邊區(qū)域生活污水，采用生物和物理技術(shù)處理，達(dá)到中水利用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，或直接消納利用周邊城市污水處理廠處理后的中水，對中水進(jìn)一步深度處理。中水水源的硬度、氯離子、總含鹽

圖3 用水強(qiáng)度控制趨勢

表3 2016年國內(nèi)外同類企業(yè)水效對標(biāo)

四、結(jié) 語

（1）太鋼是高耗水企業(yè)，所在區(qū)域水資源短缺，供需矛盾尖銳。要解決企業(yè)面臨的水資源短缺問題，必須在節(jié)水優(yōu)先的原則下，強(qiáng)化水資源綜合利用，并充分利用非常規(guī)水源，全面做好用水節(jié)水工作。

（2）通過城市污水治理與中水利用，太鋼實(shí)現(xiàn)了非常規(guī)水源的高效利量等結(jié)垢、腐蝕性水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于鋼鐵企業(yè)外排水的相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)。另外，太鋼通過全面回收生活污水、生產(chǎn)廢水，利用綜合污水處理廠對廠區(qū)綜合污水進(jìn)行高效澄清、過濾預(yù)處理以及深度脫鹽處理等全面治理，實(shí)現(xiàn)綜合污水的再生回用，實(shí)現(xiàn)用水效率的大幅度提升，成為國內(nèi)外同類企業(yè)中的水效領(lǐng)跑企業(yè)。

（3）太鋼通過城市污水再生利用、中水利用和工業(yè)廢水再生利用等非常規(guī)水源綜合利用，為北方內(nèi)陸型鋼鐵企業(yè)水資源高效利用提供了參考。目前，我國北方鋼鐵企業(yè)多數(shù)位于缺水地區(qū)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，制定切實(shí)可行的非常規(guī)水源利用方案，對生產(chǎn)廢水、生活污水、雨水利用、海水淡化等不同水源綜合利用，在用水工藝方面進(jìn)一步創(chuàng)新突破，實(shí)現(xiàn)優(yōu)水優(yōu)用。

（4）有效防控城市污水等非常規(guī)水源利用風(fēng)險(xiǎn)。太鋼在利用城市污水的過程中，受到外部因素影響，使非常規(guī)水源利用風(fēng)險(xiǎn)增加。2017年，由于太原市市政河道改造，一部分生活污水被預(yù)先截流，太鋼城市污水再生利用系統(tǒng)難以收集到足夠的生活污水，不能滿負(fù)荷運(yùn)行，造成產(chǎn)水量下降。因此，鋼鐵企業(yè)在利用城市污水或中水過程中，應(yīng)重點(diǎn)對城市污水或中水來源可靠性進(jìn)行論證。同時(shí)，應(yīng)在水資源統(tǒng)一配置過程中，做好非常規(guī)水源與常規(guī)水源協(xié)同配置，并在實(shí)施過程中，綜合做好預(yù)案編制、風(fēng)險(xiǎn)防控等工作，確保水源得到有效保障。 ■