星期日,三月13 2011:14 43

環境和公共衛生問題

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改編自 UNEP 和 IISI 1997 以及 Jerry Spiegel 未發表的文章。

由於其運營的龐大數量和復雜性以及能源和原材料的廣泛使用,鋼鐵行業與其他“重”工業一樣,有可能對附近社區的環境和人口產生重大影響. 圖 1 總結了其主要生產過程產生的污染物和廢物。 它們包括三個主要類別:空氣污染物、廢水污染物和固體廢物。

圖 1. 不同過程產生的污染物和廢物的流程圖

IRO200F1

從歷史上看,鋼鐵行業對公眾健康影響的調查主要集中在鋼鐵生產集中的人口稠密地區,特別是在經歷過嚴重空氣污染事件的特定地區,例如多諾拉河谷和默茲河谷,以及波蘭、前捷克斯洛伐克和前德意志民主共和國之間的三角地帶(WHO 1992)。

空氣污染物

煉鐵和煉鋼作業產生的空氣污染物一直是一個環境問題。 這些污染物包括氣態物質,例如硫氧化物、二氧化氮和一氧化碳。 此外,煙塵、粉塵等可能含有氧化鐵的顆粒物一直是控制重點。 焦爐和焦爐副產品工廠的排放一直是一個問題,但過去二十年煉鋼技術和排放控制的不斷改進,加上政府法規更加嚴格,已大大減少了此類排放在北美、西歐和日本。 據估計,總污染控製成本佔總生產成本的 1% 至 3%,其中一半以上與空氣排放有關; 空氣污染控制裝置約佔工廠總投資的 10% 至 20%。 這種成本對在發展中國家和經濟上處於邊緣的老企業在全球範圍內應用最先進的控制措施造成了障礙。

空氣污染物因特定過程、工廠的工程和建造、使用的原材料、所需能源的來源和數量、廢物在過程中回收的程度以及污染控制的效率而異。 例如,鹼性氧氣煉鋼的引入允許以可控的方式收集和回收廢氣,減少排放量,而連鑄工藝的使用減少了能源消耗,導致減少排放。 這提高了產品產量並提高了質量。

二氧化硫

主要在燃燒過程中形成的二氧化硫的量主要取決於所使用的化石燃料的硫含量。 用作燃料的焦炭和焦爐煤氣都是二氧化硫的主要來源。 在大氣中,二氧化硫可與氧自由基和水反應形成硫酸氣溶膠,並可與氨結合形成硫酸銨氣溶膠。 硫氧化物對健康的影響不僅歸因於二氧化硫,還歸因於其形成此類可吸入氣溶膠的趨勢。 此外,二氧化硫可能會吸附到顆粒物上,其中許多顆粒物都在可吸入範圍內。 這種潛在的暴露不僅可以通過使用低硫含量的燃料來減少,還可以通過降低顆粒物的濃度來減少。 電爐使用的增加通過消除對焦炭的需求減少了硫氧化物的排放,但這已將這種污染控制負擔轉嫁給發電廠。 焦爐煤氣的脫硫是通過在燃燒前去除還原硫化合物(主要是硫化氫)來實現的。

氮氧化物

與硫氧化物一樣,氮氧化物,主要是氮氧化物和二氧化氮,是在燃料燃燒過程中形成的。 它們在紫外線 (UV) 輻射下與氧氣和揮發性有機化合物 (VOC) 發生反應,形成臭氧。 它們還與水結合形成硝酸,而硝酸又與氨結合形成硝酸銨。 這些也可能形成可吸入的氣溶膠,可通過濕沉降或乾沉降從大氣中去除。

顆粒物

顆粒物是最明顯的污染形式,是有機和無機物質的多種複雜混合物。 粉塵可能從鐵礦石、煤炭、焦炭和石灰石的庫存中吹出,也可能在裝載和運輸過程中進入空氣。 粗糙的材料在車輛下摩擦或壓碎時會產生粉塵。 在燒結、熔煉和熔化過程中會產生細小顆粒,特別是當鐵水與空氣接觸形成氧化鐵時。 焦爐產生細煤焦炭和焦油排放物。 潛在的健康影響取決於可吸入範圍內的顆粒數量、粉塵的化學成分以及接觸的持續時間和濃度。

已經實現了顆粒物污染水平的急劇下降。 例如,通過使用靜電除塵器淨化氧氣煉鋼過程中的干廢氣,一家德國鋼廠將排放粉塵水平從 9.3 年的 1960 千克/噸粗鋼降低到 5.3 年的 1975 千克/噸,略低於 1公斤/噸到 1990 年。然而,成本是能源消耗的顯著增加。 其他顆粒物污染控制方法包括使用濕式洗滌器、布袋除塵器和旋風分離器(僅對大顆粒有效)。

重金屬

鎘、鉛、鋅、汞、錳、鎳和鉻等金屬可能以粉塵、煙霧或蒸汽的形式從熔爐中排放出來,或者它們可能被微粒吸附。 對健康的影響,在本文的其他地方有所描述 百科全書, 取決於暴露水平和持續時間。

有機物排放

初級鋼鐵業務的有機排放物可能包括苯、甲苯、二甲苯、溶劑、多環芳烴、二噁英和酚類。 用作原材料的廢鋼可能包含多種此類物質,具體取決於其來源和使用方式(例如,油漆和其他塗層、其他金屬和潤滑劑)。 並非所有這些有機污染物都被傳統的氣體淨化系統捕獲。

放射性

近年來,有報導稱廢鋼中無意中含有放射性物質。 核素的物理化學性質(例如,熔化和沸騰溫度以及對氧的親和力)將決定它們在煉鋼過程中會發生什麼。 可能有足夠的量污染鋼鐵產品、副產品和各種類型的廢物,因此需要昂貴的清理和處置。 煉鋼設備也可能受到污染,鋼鐵工人可能會受到污染。 然而,許多鋼鐵企業都安裝了靈敏的輻射探測器來篩查所有採購的廢鋼。

二氧化碳

儘管在通常的大氣水平下它對人類健康或生態系統沒有影響,但二氧化碳很重要,因為它會導致與全球變暖相關的“溫室效應”。 鋼鐵工業是二氧化碳的主要產生者,更多的是使用碳作為鐵礦石生產鐵的還原劑,而不是將其用作能源。 到1990年,通過降低高爐焦化率、餘熱回收和節能等多種措施,鋼鐵工業二氧化碳排放量比47年減少了1960%。

臭氧

臭氧是地球表面附近大氣煙霧的主要成分,是空氣中通過陽光對氮氧化物的光化學反應形成的二次污染物,根據其結構和反應性,一系列 VOC 在不同程度上促進了臭氧. 臭氧前體物的主要來源是機動車尾氣,但鋼鐵廠和其他行業也會產生一些臭氧前體物。 由於大氣和地形條件,臭氧反應可能發生在距其來源很遠的地方。

廢水污染物

鋼鐵廠向湖泊、河流和溪流排放大量水,在冷卻焦炭或鋼材時會蒸發更多的水。 保留在未密封或洩漏的蓄水池中的廢水可能會滲出並可能污染當地的地下水位和地下溪流。 這些也可能因雨水通過成堆的原材料或堆積的固體廢物浸出而受到污染。 污染物包括懸浮固體、重金屬以及油和油脂。 由於排放較高溫度的工藝用水(70% 的煉鋼工藝用水用於冷卻),自然水域的溫度變化可能會影響這些水域的生態系統。 因此,排放前的冷卻處理是必不可少的,可以通過應用現有技術來實現。

懸浮固體

懸浮物(SS)是鋼鐵生產過程中排放的主要水性污染物。 它們主要包含加工過程中形成的水​​垢產生的氧化鐵; 煤、生物污泥、金屬氫氧化物和其他固體也可能存在。 這些在正常排放水平的水性環境中基本上是無毒的。 它們在較高濃度下的存在可能導致溪流變色、脫氧和淤塞。

重金屬

煉鋼工藝用水可能含有高含量的鋅和錳,而冷軋和塗層區域的排放物可能含有鋅、鎘、鋁、銅和鉻。 這些金屬天然存在於水生環境中; 正是它們的濃度高於通常水平,才引起人們對對人類和生態系統的潛在影響的擔憂。 與許多有機污染物不同,這些重金屬不會生物降解為無害的最終產品,並且可能會集中在沉積物以及魚類和其他水生生物的組織中,從而加劇了這些擔憂。 此外,通過與其他污染物(例如,氨、有機化合物、油、氰化物、鹼、溶劑和酸)結合,它們的潛在毒性可能會增加。

油和油脂

油和油脂可能以可溶和不可溶的形式存在於廢水中。 大多數重油和油脂是不溶的,並且相對容易去除。 然而,它們可能會因與清潔劑或鹼接觸或被攪動而乳化。 乳化油通常用作冷軋機工藝的一部分。 除了引起水面變色外,少量的大多數脂肪族油化合物是無害的。 然而,一元芳香油化合物可能有毒。 此外,油成分可能含有多氯聯苯、鉛和其他重金屬等有毒物質。 除了毒性問題外,油類和其他有機化合物的生物和化學需氧量(BOD 和 COD)會降低水中的氧含量,從而影響水生生物的生存能力。

固體廢物

煉鋼過程中產生的大部分固體廢物都可以再利用。 例如,生產焦炭的過程會產生煤衍生物,而煤衍生物是化學工業的重要原料。 許多副產品(例如,焦炭粉塵)可以返回到生產過程中。 當煤和鐵礦石中的雜質熔化並與用作熔煉助熔劑的石灰結合時產生的爐渣可用於多種用途:填海工程的填埋場、道路建設以及作為燒結廠的原材料供應高爐。 鋼材,無論等級、尺寸、用途或使用時間長短,都是完全可回收的,並且可以反復回收,而不會降低其機械、物理或冶金性能。 回收率估計為90%。 表 1 概述了日本煉鋼業實現廢料回收利用的程度。

表 1. 日本鋼鐵生產中產生和回收的廢物

 

世代(甲)
(1,000 噸)

垃圾填埋場(B)
(1,000 噸)

再利用
(A-B/A) %

礦渣

高爐
鹼性氧氣爐
電弧爐
小計

24,717
9,236
2,203
36,156

712
1,663
753
3,128

97.1
82.0
65.8
91.3

4,763

238

95.0

污泥

519

204

60.7

廢油

81

   

Total

41,519

3,570

91.4

資料來源:IISI 1992。

節能

節能不僅是出於經濟原因,也是為了減少能源供應設施(如電力公司)的污染。 鋼鐵生產中消耗的能源量因所使用的工藝以及進料中廢金屬和鐵礦石的混合而有很大差異。 1988 年,美國廢料工廠的能源強度平均為每噸 21.1 吉焦耳,而日本工廠的能耗降低了約 25%。 國際鋼鐵協會 (IISI) 的模型廢鋼廠每噸僅需要 10.1 吉焦耳 (IISI 1992)。

能源成本的增加刺激了節能和節材技術的發展。 低能氣體,如高爐和焦爐過程中產生的副產品氣體,被回收、淨化並用作燃料。 德國鋼鐵工業的焦炭和輔助燃料消耗量從 830 年的平均 1960 公斤/噸減少到 510 年的 1990 公斤/噸。日本鋼鐵工業能夠將其在日本能源消耗總量中的份額從 20.5% 降低到1973 年到 7 年約為 1988%。美國鋼鐵工業在節能方面進行了重大投資。 自 45 年以來,通過流程改進、新技術和重組(二氧化碳排放量按比例下降),工廠平均能耗降低了 1975%。

面對未來

傳統上,政府、行業協會和個別行業在特定媒體的基礎上處理環境問題,例如分別處理空氣、水和廢物處理問題。 雖然這很有用,但有時只是將問題從一個環境領域轉移到另一個環境領域,例如在昂貴的廢水處理的情況下,留下了處理處理污泥的後續問題,這也可能導致嚴重的地下水污染。

然而,近年來,國際鋼鐵行業通過綜合污染控制解決了這一問題,並進一步發展為全面環境風險管理,這是一項同時考慮所有影響並系統地解決優先領域的計劃。 同樣重要的第二個發展是注重預防而不是補救行動。 這解決了工廠選址、場地準備、工廠佈局和設備、日常管理職責的規範以及確保有足夠的人員和資源來監督環境法規的遵守情況並向有關當局報告結果等問題。

工業與環境中心由聯合國環境規劃署 (UNEP) 於 1975 年成立,旨在鼓勵工業界與政府之間的合作,以促進無害環境的工業發展。 它的目標包括:

  • 鼓勵將環境標準納入工業發展計劃
  • 促進保護環境的程序和原則的實施
  • 促進使用安全和清潔的技術
  • 促進全世界的信息和經驗交流。

 

UNEP 與 IISI 密切合作,IISI 是第一個致力於單一行業的國際行業協會。 IISI 的成員包括 51 個國家的公有和私營鋼鐵生產企業以及國家和地區鋼鐵行業協會、聯合會和研究機構,這些國家的鋼鐵產量合計佔世界鋼鐵總產量的 70% 以上。 IISI 通常與 UNEP 合作,制定環境政策和原則的聲明以及技術報告,例如本文大部分內容所基於的報告(UNEP 和 IISI 1997)。 他們共同致力於解決影響遵守環境原則、政策和法規的經濟、社會、道德、個人、管理和技術因素。

 

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