鋼鐵工業(yè)是重要的基礎(chǔ)工業(yè)，是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它的原料、燃料及輔助材料資源狀況，影響著鋼鐵工業(yè)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和布局方向。1996 年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量突破 1 億 t，躍居世界第一。表 1 給出了從 2010 年到 2020 年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量，可以看出 2015 年曾發(fā)生過(guò)一次產(chǎn)量的下降，當(dāng)年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量下降至 8. 0 億 t，比上年減少 1900萬(wàn) t，同比下降 2. 33%。2016 年鋼鐵供給側(cè)改革拉開(kāi)大幕之后，行業(yè)逐漸回暖，鋼鐵產(chǎn)量再次逐年攀升。2015 年至今，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量已累計(jì)增長(zhǎng)約 25%。鋼鐵工業(yè)是資源密集、能耗密集、排放密集型產(chǎn)業(yè)。鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物主要有鋼渣、高爐渣( 包括水渣、干渣) 、含鐵塵泥( 包括燒結(jié)、煉鐵、煉鋼及軋鋼等系統(tǒng)收集的除塵灰泥) 、脫硫灰、電廠粉煤灰、廢耐火材料和工業(yè)垃圾等。平均每噸鋼產(chǎn)生固廢 500～800 kg。在過(guò)去的 20 年中，隨著我國(guó)粗鋼產(chǎn)量的增加，鋼鐵工業(yè)固廢的產(chǎn)量也大幅增加。
鋼鐵工業(yè)固體廢棄物處理及利用涉及機(jī)械設(shè)備、資源、環(huán)境等眾多領(lǐng)域，目前鋼鐵工業(yè)固體廢棄物綜 合 利 用 率 較 低，尤其是鋼渣的利用率不到30%。未得到利用的固體廢物長(zhǎng)期堆放不及時(shí)處理，會(huì)造成其逐漸失去活性，再處理難度大，也會(huì)占用大量土地形成環(huán)境污染問(wèn)題，嚴(yán) 重 時(shí) 會(huì) 導(dǎo) 致 土壤、水重金屬污染等問(wèn)題。因此，鋼鐵工業(yè)固體廢物綜合利用是節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是為工業(yè)又好又快發(fā)展提供資源保障的重要途徑，也是解決固體廢物不當(dāng)處置與堆存所帶來(lái)的環(huán)境污染和安全隱患的治本之策。鋼鐵工業(yè)固體廢物綜合利用是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要舉措，更是確保我國(guó)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。
我國(guó)鋼鐵行業(yè)是環(huán)保意識(shí)覺(jué)醒較早的工業(yè)行業(yè)，環(huán)保工作一直走在工業(yè)領(lǐng)域的前列。從七十年代至今，鋼鐵行業(yè)的綠色發(fā)展歷經(jīng)了冶煉伴生產(chǎn)品處理、節(jié)能降耗和全面綠色化發(fā)展等 3 個(gè)階段，如圖 1 所示。鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展謀求的目標(biāo)是資源的綜合利用、短缺資源的代用、二次資源的利用，減緩資源的耗用; 通過(guò)節(jié)能、節(jié)材、可再生資源和綠色能源的利用達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，減少?gòu)U料和污染物的產(chǎn)生和排放，促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)、消費(fèi)過(guò)程中與環(huán)境相容，降低整個(gè)工業(yè)活動(dòng)對(duì)人類和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。
針對(duì)鋼鐵工業(yè)固體廢棄物的處置和利用，本文分別對(duì)鋼渣、高爐渣、含鐵塵泥和脫硫灰的處理技術(shù)及利用進(jìn)行了綜述，并結(jié)合現(xiàn)有工藝特點(diǎn)給出了未來(lái)鋼鐵工業(yè)固廢處理利用的發(fā)展方向。
1 鋼渣處理及利用
鋼渣每噸鋼產(chǎn)生量 100 ～ 150 kg，主要包括轉(zhuǎn)爐鋼渣、電爐鋼渣和平爐鋼渣 3 種。鋼渣作為二次資源綜合利用有 2 個(gè)主要途徑，一是作為冶煉溶劑在鋼廠內(nèi)循環(huán)利用; 另一個(gè)是作為筑路材料、建筑材料或農(nóng)業(yè)肥料的原材料。目前，日本的鋼渣有效利用率已達(dá)到 95%以上，轉(zhuǎn)爐渣和電爐渣的利用方向分為外銷、自使用、填埋。德國(guó)的鋼渣有效利用率達(dá) 98%以上，其主要利用方向?yàn)橥两�、農(nóng)肥以及配入燒結(jié)和高爐進(jìn)行再利用。美國(guó)的鋼渣有效利用率達(dá) 98%，其中燒結(jié)和高爐再利用、筑路方面利用的鋼渣用量占總鋼渣利用量的 65%以上。瑞典通過(guò)向熔融鋼渣中加入碳、硅和鋁質(zhì)材料對(duì)鋼渣進(jìn)行成分重構(gòu)，回收渣中渣鋼后將鋼渣用于水泥生產(chǎn)。加拿大將處理后的鋼渣用于道路建設(shè)。阿拉伯地區(qū)利用電爐鋼渣作為混凝土摻合料配制出屬性更好的混凝土。整體來(lái)講，國(guó)內(nèi)鋼渣利用率不足 30%，大部分鋼渣堆存。
我國(guó)關(guān)于鋼渣回收的報(bào)道在上世紀(jì) 70 年代才開(kāi)始。大體上，我國(guó)鋼渣的處理利用經(jīng)歷了 3 個(gè)階段，如圖 2 所示。
第 1 階段是堆棄階段，主要發(fā)生于上世紀(jì) 50 年代至 70 年代。在這一階段，每個(gè)鋼鐵廠都有一個(gè)鋼渣山，鋼渣利用率幾乎為 0%，這些鋼渣山造成的污染非常嚴(yán)重。
第 2 階段是從上世紀(jì) 80 年代到 2005 年的粗放發(fā)展階段。在此階段，鋼渣通過(guò)簡(jiǎn)單的手動(dòng)或機(jī)械磁選進(jìn)行處理。渣鋼用于煉鋼，尾渣用于回填和道路。然而，由于缺乏成熟的鋼渣處理技術(shù)和必要的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鋼渣使用中問(wèn)題頻出。例如，1992 年武漢鋼鐵公司使用了 17 萬(wàn)噸鋼渣作為回填，導(dǎo)致了 390 m2 地基的開(kāi)裂。寶鋼上世紀(jì) 80 年代在室內(nèi)體育館的建設(shè)過(guò)程中使用了鋼渣，也導(dǎo)致該地基也出現(xiàn)了裂縫。
第 3 階段是綜合利用階段，自 2005 年開(kāi)始至今，我國(guó)鋼渣的產(chǎn)量隨著粗鋼產(chǎn)量的增加而急劇上升。近年來(lái)，鋼渣產(chǎn)生量更是超過(guò) 1 億 t。鋼渣的利用率一直很低，2005 年僅為 10%左右。鋼渣中高含量的f-CaO 是造成鋼渣構(gòu)筑物開(kāi)裂的主要原因。所以，提高鋼渣利用率，首先應(yīng)降低鋼渣中 f-CaO 含量。為此，冶金工作者開(kāi)發(fā)了系列鋼渣一次處理技術(shù)，主要包括鋼渣常壓池式熱悶處理技術(shù)、熔融鋼渣罐式有壓熱悶處理技術(shù)、冷態(tài)鋼渣蒸汽陳化技術(shù)、熱潑技術(shù)、滾筒粒化技術(shù)和風(fēng)淬技術(shù)，這些鋼渣處理方法的主要技術(shù)特點(diǎn)如表 2 所示�？梢钥闯�: 有壓熱悶工藝技術(shù)適用性強(qiáng)、處理時(shí)間短，在自動(dòng)化、處理效果、環(huán)境排放、資源化利用，余熱利用等各方面均具有優(yōu)勢(shì)，符合我國(guó)日益嚴(yán)格的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)以及裝備化升級(jí)換代的需要。盡管通過(guò)鋼渣處理技術(shù)的應(yīng)用與普及，鋼渣利用率從 2004 年的 10%僅提高到現(xiàn)在的約 30%，仍有超過(guò) 7000 萬(wàn) t 的鋼渣沒(méi)有得到有效利用。并且熔融鋼渣高品質(zhì)的熱能也沒(méi)有得到回收，浪費(fèi)高溫鋼渣熱能。
2 高爐渣處理及利用
現(xiàn)代高爐煉鐵生產(chǎn)中，高爐渣的處理主要采用水力沖渣方式。我國(guó)大部分高爐渣采用水淬工藝加工成水渣，水渣具有潛在的水硬膠凝性，可以作為優(yōu)質(zhì)的水泥原料，制成礦渣硅酸鹽水泥、石膏礦渣水泥、石灰礦渣水泥等。水淬時(shí)，一種是將爐渣直接水淬; 一種是將爐渣機(jī)械破碎后，再進(jìn)行水淬。主要處理工藝有因巴法、圓盤法、圖拉法等。
1) 因巴法
因巴法是由盧森堡 PW 公司和比利時(shí)西德瑪( SIDMAR) 公司共同開(kāi)發(fā)的爐渣處理工藝，1981 年在西德瑪公司投入運(yùn)行。該法的工藝流程為: 與鐵水分離后的爐渣，經(jīng)渣溝進(jìn)入爐渣�；瘏^(qū)，吹制箱內(nèi)的高速水流使其水淬�；�，經(jīng)水渣槽進(jìn)一步粒化和緩沖之后，流入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的水渣分配器，被均勻分配到轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾器中。在轉(zhuǎn)鼓下半周濾去部分水后，被葉片刮帶，隨筒邊旋轉(zhuǎn)邊自然脫水; 轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)鼓上半周時(shí)，渣落至伸入鼓內(nèi)的皮帶上，經(jīng)此皮帶和分配皮帶送至成品槽貯存，裝車外運(yùn)。國(guó)內(nèi)經(jīng)歷引進(jìn)、不斷改進(jìn)成熟、國(guó)產(chǎn)化，包括寶鋼、酒鋼在內(nèi)的鋼鐵公司多座高爐采用因巴法爐渣處理工藝即熱轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝，取得了良好的使用效果。
2) 圖拉法
因該法首次應(yīng)用是在俄羅斯圖拉廠 2000 m3 高爐上，故稱其為圖拉法。圖拉法爐渣處理工藝主要過(guò)程包括爐渣�；屠鋮s、水渣脫水、水渣輸送與外運(yùn)以及沖渣水循環(huán)等。1998 年 9 月建成投產(chǎn)的唐鋼2560 m3 高爐引進(jìn)了 3 套圖拉法處理裝置，使用至今，運(yùn)行狀況良好。
3) 圓盤法
熔渣從高爐出來(lái)后，沿固定出渣溝進(jìn)入�；b置工藝線，�；鲊姵鰶_渣水將渣�；⒗鋮s，渣水混合物一起落入沉淀池，在沉淀池里，渣漿自然變稠，要用循環(huán)水澄清。�；玫脑鼭{沉積在沉淀池底部，利用氣力提升機(jī)提升至分離器。分離后經(jīng)溢流斜槽流入圓盤型脫水器。已脫好的�；度肓蟼}(cāng)，然后用皮帶輸送至成品倉(cāng)。
就目前來(lái)看，圓盤法性能好，但圓盤脫水器體積龐大，處理噸渣單位耗量大，成本較高; 圖拉法安全性能好，返渣率高，使水系統(tǒng)磨損嚴(yán)重，�；喴r板壽命短，增加維修成本; 而因巴法在技術(shù)上最為成熟，實(shí)際應(yīng)用的高爐亦較多。
另外，熱潑的高爐渣可以制備混凝土、鋼筋混凝土以及 500 號(hào)以下預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土骨料; 高爐渣還可以制取礦渣棉，用作保溫、吸音、防火材料等。整體來(lái)講，我國(guó)高爐渣綜合利用率較高，大于 90%。但是高爐渣也和鋼渣存在著同樣的問(wèn)題，其高品質(zhì)熱能也沒(méi)有得到有效回收，導(dǎo)致熱能的浪費(fèi)。
3 含鐵塵泥處理及利用
含鐵塵泥主要包括燒結(jié)塵泥、高爐瓦斯灰( 泥) 、轉(zhuǎn)爐污泥、電( 轉(zhuǎn)) 爐除塵灰、軋鋼氧化鐵鱗、出鐵場(chǎng)集塵等。傳統(tǒng)的高爐－轉(zhuǎn)爐鋼鐵生產(chǎn)工藝中，含鐵塵泥總產(chǎn)生量一般為鋼產(chǎn)量的 10% ～ 15%。其中燒結(jié)工序粉塵產(chǎn)出量占燒結(jié)礦產(chǎn)量的 3% ～ 4%，煉鐵工序粉塵( 泥) 產(chǎn)出量占鐵水產(chǎn)量的 3% ～4%，煉鋼工序塵泥產(chǎn)出量約占鋼產(chǎn)量的 2% ～ 3%。國(guó)外含鐵塵泥用專用工藝及設(shè)備處理比例較高，主 要 包 括Oxycup 工藝、DK 工藝、轉(zhuǎn)底爐工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝、冷固結(jié)球團(tuán)工藝。德國(guó)、日本、美國(guó)鋼廠含鐵塵泥處理比例已接近 100%。
我國(guó)鋼鐵企業(yè)大多采用返回?zé)Y(jié)的方法來(lái)利用這些塵泥，但由于含鐵塵泥中 Zn、K、Na、Cl、S 等含量較高，在鋼廠內(nèi)循環(huán)會(huì)引起高爐順行受阻、焦比升高、結(jié)瘤等一系列問(wèn)題。因此，含鐵塵泥需要處理后才能在鋼廠內(nèi)較好的循環(huán)利用。其處理方法主要包括回轉(zhuǎn)窯技術(shù)和轉(zhuǎn)底爐技術(shù)。
1) 回轉(zhuǎn)窯技術(shù)。
含鐵塵泥和煤粉配料后從回轉(zhuǎn)窯尾加入。爐料隨回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)下行，溫度逐步升高轉(zhuǎn)變成半熔態(tài)。回轉(zhuǎn)窯最高溫度為 1100～1300 ℃，以防止?fàn)t壁結(jié)圈。還原過(guò)程中，ZnO 被還原成為 Zn 蒸氣，經(jīng)除塵設(shè)備處理獲得鋅精粉。脫鋅后的粉塵從回轉(zhuǎn)窯出口流出，自然冷卻后采用濕法磁選方式選鐵。
回轉(zhuǎn)窯工藝在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣泛，具有工藝成熟、投資成本較低、設(shè)備運(yùn)行簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但存在生產(chǎn)過(guò)程中窯內(nèi)高溫段易結(jié)圈、工序能耗大、產(chǎn)品質(zhì)量低等缺點(diǎn)。
2) 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)。
轉(zhuǎn)底爐工藝流程如圖 3 所示。首先將粉塵配加還原劑( 煤粉) 、黏結(jié)劑等進(jìn)行造球，造好的具有一定強(qiáng)度的生球經(jīng)烘干機(jī)烘干后生球的水分降低至 3%以下，然后將烘干的生球通過(guò)振動(dòng)布料機(jī)均勻布置在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)，轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)溫度控制在 1100～ 1300 ℃，球團(tuán)在爐內(nèi)發(fā)生直接還原反應(yīng)，70%以上的鐵氧化物還原為金屬鐵保留在金屬化球團(tuán)中，而同時(shí)球團(tuán)中的鋅、鉛、鉀和鈉還原或揮發(fā)后進(jìn)入轉(zhuǎn)底爐煙氣系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)球團(tuán)中鐵與鋅、鉀、鈉的分離，從而實(shí)現(xiàn)鐵回收利用、鋅及鉀和鈉的分離。
我國(guó)自 20 世紀(jì) 90 年代起對(duì)轉(zhuǎn)底爐技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究，先后在山西翼城、河南舞陽(yáng)、河南鞏義、遼寧鞍山等地建立試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)，獲得了經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)的積累。近幾年在消化吸收國(guó)外轉(zhuǎn)底爐技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，先后有多家企業(yè)投資建設(shè)轉(zhuǎn)底爐裝置，另有多家鋼鐵企業(yè)規(guī)劃或籌建轉(zhuǎn)底爐，轉(zhuǎn)底爐工藝逐漸成為直接還原鐵領(lǐng)域的建設(shè)熱點(diǎn)。
國(guó)內(nèi)的回轉(zhuǎn)窯工藝和轉(zhuǎn)底爐工藝均引自國(guó)外，國(guó)內(nèi)采用專用工藝及設(shè)備對(duì)含鐵塵泥進(jìn)行處理的處理率低。在未來(lái)對(duì)于含鐵塵泥的處置中，應(yīng)按照下列原則對(duì)含鐵塵泥進(jìn)行分類處理: 含鐵塵泥的資源化利用可分為生產(chǎn)回用和除雜工藝兩類。K、Na、Zn 等雜質(zhì)元素含量低的含鐵塵泥應(yīng)因地制宜的生產(chǎn)回用; 反之，雜質(zhì)元素含量高的必須通過(guò)除雜處理再回用生產(chǎn)。
4 脫硫灰處理現(xiàn)狀
脫硫灰是煙氣凈化過(guò)程產(chǎn)生的一種固體廢棄物，主要包括濕法脫硫灰和干法脫硫灰。濕法脫硫灰主要成分為二水硫酸鈣( CaSO4·2H2O) ，含量接近90%。國(guó)內(nèi)濕法脫硫石膏主要應(yīng)用于水泥緩凝劑、膠凝材料、土壤改良劑、建筑石膏制備領(lǐng)域。目前我國(guó)關(guān)于干法脫硫灰產(chǎn)量以及可行性利用方式的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)尚缺少報(bào)道。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，干法脫硫灰的產(chǎn)量已超過(guò) 1000 萬(wàn) t，未來(lái)產(chǎn)量還將大幅度增加。干法脫硫灰含硫礦物成份是亞硫酸鈣( CaSO3·0. 5H2O) ，屬于高鈣高硫型混合物。干法脫硫灰中 CaSO3·0. 5H2O存在及其含量的不穩(wěn)定性使脫硫灰極不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響了其在水泥、建筑及農(nóng)業(yè)等方面的資源化利用。目前綜合利用難度較大，僅有少部分用于礦山回填或鋪路，絕大部分仍然堆放。
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家解決了脫硫灰在運(yùn)輸、干燥、改性、應(yīng)用等技術(shù)性難題，且石膏工業(yè)都在大規(guī)模采用脫硫灰，應(yīng)用技術(shù)也比較成熟。日本每年排放脫硫灰 300萬(wàn) t，平均利用率達(dá)到 97. 5%以上，大部分脫硫灰用于生產(chǎn)石膏板。德國(guó)脫硫灰被全部利用，主要生產(chǎn)石膏板和用作替代高齡土和方解石生產(chǎn)紙的填料和涂膠料。美國(guó)脫硫灰主要和天然石膏一起用于生產(chǎn)石膏板，利用率接近 100%。
5 展 望
高爐渣作為優(yōu)質(zhì)的水泥原料，可以制備具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的高附加值產(chǎn)品，如礦渣棉、微晶玻璃、耐火材料等。但是目前的利用僅限于對(duì)其高爐渣物質(zhì)的利用，其含有的高品質(zhì)熱能基本沒(méi)有回收利用，今后應(yīng)關(guān)注這方面的研究開(kāi)發(fā)。對(duì)于鋼渣處理而言，我國(guó)鋼渣一次處理居于世界領(lǐng)先水平，特別是鋼渣輥壓破碎－余熱有壓熱悶技術(shù)，為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。但鋼渣因其自身的安定性差、易磨性差、活性較低、含重金屬、成分不穩(wěn)定等原因，鋼渣制品用于建材行業(yè)有一定安全隱患，市場(chǎng)認(rèn)可度不高，鋼渣綜合利用技術(shù)亟待提高，目前鋼渣綜合利用率不足 30%。同樣，與高爐渣一樣，鋼渣也存在熱能資源沒(méi)有得到有效回收利用的問(wèn)題。
大部分企業(yè)將含鐵塵泥采用簡(jiǎn)單處理后作為燒結(jié)輔料進(jìn)行利用，不僅影響燒結(jié)工藝，鉛、鋅、鉀鈉堿性氧化物等長(zhǎng)期閉路循環(huán)富集也影響高爐順行和壽命等。隨著國(guó)家對(duì)固體廢物、重金屬污染的關(guān)注，鋼鐵企業(yè)愈來(lái)愈關(guān)注含鐵塵泥的綜合利用，加強(qiáng)對(duì)有價(jià)元素的回收。對(duì)于含鐵塵泥而言，我國(guó)采用專業(yè)處理設(shè)備及工藝對(duì)含鐵塵泥處理的鋼廠較低。目前，僅有少量大型鋼廠采用回轉(zhuǎn)窯或轉(zhuǎn)底爐對(duì)含鐵塵泥處理，如寶鋼湛江、萊鋼、沙鋼、馬鋼等。
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