國(guó)內(nèi)外鋼渣處理與資源化利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

固廢網(wǎng)訊: 研究背景：作為全球鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)2018年粗鋼產(chǎn)量高達(dá)9. 28億t，每噸鋼產(chǎn)出的同時(shí)，亦伴隨約150 kg的鋼渣以副產(chǎn)品的形式產(chǎn)出。然而，我國(guó)國(guó)內(nèi)鋼渣的綜合資源利用率仍處于較低水平，不僅占用大量工業(yè)用地，還會(huì)對(duì)大氣、土壤、水環(huán)境等造成極大壓力。為了解決這種現(xiàn)狀，我國(guó)的環(huán)保法規(guī)對(duì)工業(yè)“三廢”的排放和治理越來越嚴(yán)，2018 年實(shí)行的《環(huán)境保護(hù)稅法》規(guī)定對(duì)冶煉渣開征25元/t的環(huán)保稅。鋼鐵企業(yè)不能隨便外排廢渣，將促使鋼鐵企業(yè)認(rèn)真考慮鋼渣的穩(wěn)定化處理和資源化利用工作。

為探索高效益、零排放鋼渣處理方式，本文對(duì)相關(guān)統(tǒng)計(jì)與研發(fā)工作進(jìn)行梳理，介紹了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼渣處理、管理及利用現(xiàn)狀，并進(jìn)行深入探討和展望。以期為實(shí)現(xiàn)鋼渣的資源化利用，確保資源利用過程中的環(huán)境友好性，有效解決鋼渣大規(guī)模堆積的重大問題，實(shí)現(xiàn)工業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性提供數(shù)據(jù)支撐。

摘 要：我國(guó)每年有超過1億t的鋼渣副產(chǎn)品產(chǎn)出，但目前國(guó)內(nèi)鋼渣綜合利用率低，僅為30%左右，與發(fā)達(dá)國(guó)家之間差距較大，尤其是在道路建設(shè)和鋼鐵企業(yè)內(nèi)循環(huán)利用方面。針對(duì)鋼渣安定性以及尾渣資源化利用問題，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有鋼渣預(yù)處理技術(shù)以及綜合利用技術(shù)進(jìn)行了論述。而國(guó)內(nèi)新一代鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù),實(shí)現(xiàn)了鋼渣處理的裝備化、環(huán)境友好化和高效化，是處于世界先進(jìn)水平的工藝，基本克服國(guó)內(nèi)外多種傳統(tǒng)技術(shù)存在的適用性小、安定性差以及污染等問題。同時(shí),建議應(yīng)開發(fā)高附加值、低排放的新型綜合利用技術(shù),改變利用技術(shù)單一的現(xiàn)狀；對(duì)鋼渣進(jìn)行深度的基礎(chǔ)研究，力爭(zhēng)解決鋼渣的低膨脹性問題,改變鋼渣無法在結(jié)構(gòu)混凝土中應(yīng)用的現(xiàn)狀。

01國(guó)內(nèi)外鋼渣利用與管理現(xiàn)狀

1.國(guó)外鋼渣利用現(xiàn)狀

統(tǒng)計(jì)了發(fā)達(dá)國(guó)家美國(guó)、日本及歐盟3個(gè)地區(qū)的利用情況，如表1所示。發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼渣利用普遍率較高，不存在鋼渣堆積引起的嚴(yán)重環(huán)境問題，其中日本的鋼渣利用率高達(dá)98.4%。

表1 國(guó)外鋼渣利用現(xiàn)狀

2.中國(guó)鋼渣利用與管理

圖1是我國(guó)鋼渣利用現(xiàn)狀?？芍?我國(guó)在道路利用及鋼鐵企業(yè)內(nèi)循環(huán)方面的利用率較低，其中，鋼渣未得到有效利用的比例高達(dá)70%。按2018 年粗鋼產(chǎn)量計(jì)算，我國(guó)2018 年的鋼渣產(chǎn)出已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1億t，故鋼渣利用管理方面任務(wù)較重。

圖1 中國(guó)鋼渣利用現(xiàn)狀

近年來中國(guó)相關(guān)政府部門及行業(yè)出臺(tái)了一系列政策與法規(guī),涉及鋼渣的處理方式、儲(chǔ)存、應(yīng)用以及強(qiáng)制性懲處措施等，列于表2中。

表2 中國(guó)有關(guān)限制鋼渣排放的政策與規(guī)定

02國(guó)內(nèi)外鋼渣處理技術(shù)發(fā)展

安定性是鋼渣大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵性限制問題。從鋼渣安定化預(yù)處理的機(jī)理看，鋼渣的處理技術(shù)主要分為兩類:熱悶自解法和機(jī)械破碎法。

1.國(guó)外鋼渣處理技術(shù)

在日本，鋼渣安定性處理的最常見方法是蒸汽陳化法。鑒于蒸汽陳化過程的周期較長(zhǎng)，日本開發(fā)出一種熱悶罐蒸汽加速陳化方法，即將鋼渣放入壓力罐內(nèi)通入蒸汽，在0.6 MPa左右壓力下進(jìn)行有壓陳化；與常規(guī)蒸汽陳化相比,該方法的處理效率大幅提高。德國(guó)主要以箱式熱潑的方法處理鋼渣。近些年德國(guó)企業(yè)開發(fā)出1種新型鋼渣處理方法：向熔融鋼渣中添加含有SO2的砂子和氧氣,將鋼渣中f-CaO和f-MgO固化，實(shí)現(xiàn)鋼渣安定化處理。目前，該方法已在德國(guó)杜伊斯堡鋼鐵企業(yè)成功應(yīng)用。

加拿大、英國(guó)和印度則多采用熱潑法，具體過程是將熱態(tài)鋼渣直接傾倒在空地上，噴灑水冷卻，使鋼渣因急冷形成內(nèi)應(yīng)力而破碎。

2.中國(guó)鋼渣處理技術(shù)與應(yīng)用

熱潑法是我國(guó)較常見的鋼渣處理方法，但此方法污染物排放較大，對(duì)大氣、水等資源污染嚴(yán)重。鑒于我國(guó)環(huán)保壓力較大，一些處理效果較好且能實(shí)現(xiàn)低排放的鋼渣處理新工藝被研發(fā)出來，如滾筒法、風(fēng)淬法和池式熱悶法。目前，這些新工藝在國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)的具體應(yīng)用情況及優(yōu)缺點(diǎn)列于表3中。

表3 中國(guó)鋼鐵企業(yè)對(duì)鋼渣處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年，為了提高裝備化水平、處理效率和安定化能力，國(guó)內(nèi)開發(fā)了鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù)。其詳細(xì)工藝流程如圖2所示。

圖2 鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù)流程示意

與傳統(tǒng)池式熱悶技術(shù)相比，熱悶壓力提高了20倍以上，極大提高了鋼渣處理效率；輥壓破碎區(qū)和熱悶區(qū)均能保證密閉性，易進(jìn)行煙塵處理，更加潔凈化；處理后鋼渣安定性問題基本解決。此外，該技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了水蒸氣的熱能回收，為鋼渣顯熱回收提供條件。該技術(shù)在真正意義上實(shí)現(xiàn)了鋼渣處理工藝的裝備化、環(huán)境友好化、高效化、安定化，為后期鋼渣深加工制備高附加值產(chǎn)品創(chuàng)造了有益條件。

03尾渣資源化利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有處理流程中，熔融鋼渣通過預(yù)處理后，經(jīng)破碎、磁選、篩分得到渣鋼和一定粒度的尾渣。其中渣鋼基本直接回收循環(huán)利用于燒結(jié)流程；尾渣則根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的具體需求，制備成不同的性能材料。

1.傳統(tǒng)資源化利用技術(shù)

1)道路建設(shè)。

由于鋼渣擁有較高耐磨性和硬度，安定性較好的鋼渣可以路基材料的形式用于公路建設(shè)。在美國(guó)，近50%的鋼渣被用于公路行業(yè)；英國(guó)則使用98%鋼渣用作道路骨料。烏魯木齊市新建鋼渣瀝青混凝土試驗(yàn)段，結(jié)果表明，該段滿足《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》技術(shù)要求。基于國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋼渣預(yù)處理技術(shù)，鋼渣在道路方面的應(yīng)用在技術(shù)上已趨于成熟。鋼鐵企業(yè)應(yīng)多與公路協(xié)會(huì)以及相關(guān)單位交流，展示鋼渣在道路方面應(yīng)用的優(yōu)越性，加快拓展鋼渣的大規(guī)模應(yīng)用。

2)生產(chǎn)鋼渣水泥和混凝土。

由于存在C3S、C2S等成分，鋼渣的水硬凝膠性較好，是一種價(jià)格較為低廉的凝膠材料，可應(yīng)用于水泥和混凝土的生產(chǎn)。由于鋼渣活性較低，通常需要通過活性激發(fā)技術(shù)增加鋼渣活性，較為常見的激發(fā)技術(shù)有物理激發(fā)、化學(xué)激發(fā)等。由于鋼渣存在安定性問題,鋼渣在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用要極其謹(jǐn)慎，尤其是結(jié)構(gòu)混凝土方面。目前，國(guó)內(nèi)因?yàn)槭褂貌缓细皲撛l(fā)生了許多建筑方面的安全性事件，如墻面、道路開裂等。

3)生產(chǎn)微晶玻璃。

適當(dāng)添加鋼渣粉，可制備性能更為優(yōu)異的微晶玻璃。迄今為止，國(guó)內(nèi)外有許多大型企業(yè)已工業(yè)化生產(chǎn)微晶玻璃。與普通玻璃相比，微晶玻璃的晶化過程可以被控制，可促進(jìn)玻璃產(chǎn)品的耐磨、抗風(fēng)化、抗熱震、耐腐蝕、強(qiáng)度等指標(biāo)的提高。

4)燒結(jié)配加料。

由于鋼渣主要成分為SiO2、MgO、FeO、Fe2O3、Al2O3、CaO等，適當(dāng)添加鋼渣于燒結(jié)原料中，可以節(jié)省大量的石灰石和白云石，降低原料成本。由于鋼渣自身質(zhì)量原因,國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)在燒結(jié)料中的配加量相對(duì)較低,是相關(guān)研究亟需改善的利用方向之一。

2.新興資源化利用技術(shù)

1)土壤修復(fù)。

鋼渣堿度較高，含有一定量的Ca(OH)2和Mg(OH)2等堿性氧化物，使鋼渣具有與酸性土壤發(fā)生中和反應(yīng)的特性，具有應(yīng)用于土壤修復(fù)的工程潛力。

2)污水重金屬吸附。

由于多孔結(jié)構(gòu)、較大比表面積、自由能高等特性，鋼渣能夠應(yīng)用于環(huán)境污水中磷、銅、鎳、鎘、鉛和砷等元素的脫除。此外，相比其他材料，鋼渣密度較大，易從污水中分離。包勇超選用100目鋼渣粉末作為吸附劑進(jìn)行水中重金屬的去除，發(fā)現(xiàn)鋼渣代替石灰時(shí)，不僅去除效果好，而且產(chǎn)生污泥量小，污泥含水率低，可以實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”的目的。

3)CO2 捕集和存儲(chǔ)。

目前二氧化碳礦物碳酸化固定技術(shù)是鋼渣綜合利用新技術(shù)的研究熱點(diǎn)。鋼渣CO2捕集主要分為兩種：干法固化CO2和浸出后固化CO2。鋼渣中存在大量的CaO和MgO等氧化物，利用鋼渣的碳酸化原理將CO2捕集并固定到鋼渣中。這項(xiàng)技術(shù)成本廉價(jià)，原料易獲取，易反應(yīng)和工藝流程短。