吳 龍  王會(huì)剛  

（1鋼鐵工業(yè)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；2中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司，北京100088；3中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

摘要：鋼渣是煉鋼過程排放的固廢，具有年產(chǎn)量大、溫度高、化學(xué)組成復(fù)雜、硬度高和安定性不良等特點(diǎn)。在“雙碳”目標(biāo)下，其處理和資源化利用再次受到關(guān)注。針對(duì)鋼渣特點(diǎn)，本文對(duì)國內(nèi)外鋼渣處理利用情況進(jìn)行了綜述，指出現(xiàn)有處理工藝和資源化利用途徑的問題。并針對(duì)“雙碳”目標(biāo)下鋼渣的資源化利用途徑進(jìn)行了探討，提出鋼渣余熱回收、熔融鋼渣還原改性和CO₂捕獲是未來鋼渣處理方向和路徑。

關(guān)鍵詞：鋼渣處理；“雙碳”目標(biāo)；資源化利用；途徑探討

0  引言

鋼鐵工業(yè)是龐大的重工業(yè)部門，是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。鋼鐵工業(yè)也是資源密集、能耗密集、排放密集型產(chǎn)業(yè)。它主要以鐵礦石為原料，輔以煤炭、水、氧氣等，并借助電力、熱力等能量輸入，生產(chǎn)出鋼材、鐵制品以及副產(chǎn)物等一系列產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝。我國粗鋼產(chǎn)量占全球半壁江山已持續(xù)超過20年，圖1給出了從2010年到2020年我國粗鋼和生鐵產(chǎn)量?？梢钥闯?015年至今，中國粗鋼產(chǎn)量已累計(jì)增長近25%。數(shù)據(jù)顯示，2019年我國的二氧化碳排放量達(dá)到98.26億噸，占全球比例的28.76%，是全球最大的排碳經(jīng)濟(jì)體。其中，鋼鐵行業(yè)碳排放占比全國碳排放量的18%，是除發(fā)電之外的整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)中，碳排放量最高的行業(yè)。

2020年9月22日，在聯(lián)合國氣候大會(huì)上，習(xí)總書記首次承諾“我國的二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下，鋼鐵行業(yè)減碳工作是重中之重。為此，2021年1月20日，中國寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司公布其“碳達(dá)峰”“碳中和”時(shí)間表——“力爭2023年實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值，2025年具備減碳30%工藝技術(shù)能力，2035年力爭減碳30%，2050年實(shí)現(xiàn)‘碳中和’”。

當(dāng)前，在我國鋼鐵工業(yè)的冶煉技術(shù)和能源結(jié)構(gòu)還未發(fā)生革命性突破的階段，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)減碳目標(biāo)的重要途徑是推進(jìn)二次資源的循環(huán)利用。鋼鐵企業(yè)的二次資源主要包括固廢、廢水、廢氣，俗稱“三廢”。到目前為止，我國鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中新水用量、外排廢水量和生產(chǎn)水重復(fù)利用率等指標(biāo)明顯改善，鋼廠廢水重復(fù)利用率高達(dá)99%。廢氣中主要污染物排放指標(biāo)明顯改善，噸鋼工業(yè)粉塵、COD排放、SO₂和NO_x濃度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。但是鋼鐵固廢資源化利用率一直沒有大的突破，尤其是鋼渣。近年來，鋼渣的資源化利用率一直低于30%^[1-4]。如果實(shí)現(xiàn)其資源化利用的大幅提高，必將對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)極大助力。

1  鋼渣的產(chǎn)生及特性

鋼渣是轉(zhuǎn)爐、電爐、精煉爐熔煉過程中排出的由金屬原料中的雜質(zhì)與助熔劑、爐襯形成的以硅酸鹽、鐵酸鹽、氧化物為主要成分的渣（GB/T 51387-2019），主要包括轉(zhuǎn)爐渣、電爐渣、鑄余渣、平爐渣等。每生產(chǎn)1 t粗鋼，就會(huì)產(chǎn)生100-150 kg的鋼渣。近年來我國鋼渣的年產(chǎn)生量基本維持或超過1億噸。加之其資源化利用率一直不高，導(dǎo)致每年有7000萬噸左右的鋼渣堆棄。這不僅占用大量土地，也會(huì)造成土壤、空氣、水體的污染^{[5, 6]}。

鋼渣的出渣溫度高達(dá)1400~1600 ℃，蘊(yùn)含著大量的熱能。熔融鋼渣的比熱容約為1.2 kJ/(kg·℃)，如果回收熱量前后熔渣的溫度分別以1400 ℃和500 ℃計(jì)，則每噸鋼渣可回收1.2 GJ的顯熱，大約相當(dāng)于41 kg標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒后所產(chǎn)生的熱量^[7]。假如全國鋼廠產(chǎn)生的鋼渣的顯熱都加以回收利用的話，中國每年至少可節(jié)省490萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。即使按50％的余熱回收率考慮，全國范圍內(nèi)回收鋼渣顯熱的節(jié)能量將達(dá)到近250萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。另外，若將鋼渣產(chǎn)生的熱能按60%回收，將回收的熱能轉(zhuǎn)換成電能，按1 GJ熱能可轉(zhuǎn)化成277 kW•h的電能，電能以0.53元/kW•h的價(jià)格核算，全年的節(jié)能效益約127億元。

鋼渣主要由Ca、Si、Fe、Mn、Al、Mg、P、O等組成，其礦相主要包括硅酸二鈣（C₂S）、硅酸三鈣（C₃S）、RO（R代表鎂、鐵、錳的氧化物所形成的固熔體）、鐵酸二鈣（C₂F）、自由氧化鈣（f-CaO）、金屬鐵（MFe）等^[8-10]。由于鋼渣含有金屬鐵，使得鋼渣可以作為鐵資源回收的物質(zhì)；由于含有C₃S、C₂S及鐵鋁酸鹽等礦相，使得鋼渣具有一定的膠凝活性，具有膠凝材料使用價(jià)值。

鋼渣化學(xué)組成不同，導(dǎo)致鋼渣的性質(zhì)也有差異。堿度較低的鋼渣呈灰色，堿度較高的鋼渣呈褐灰色、灰白色。鋼渣松散不易粘結(jié)，質(zhì)地堅(jiān)硬密實(shí)。鋼渣密度為3.0~3.5 g/cm³，由于含鐵導(dǎo)致其較難磨。易磨指數(shù)為0.7（標(biāo)準(zhǔn)砂為1）。鋼渣有較好的抗壓性能，壓碎值為20%~32%。

綜上，如果能夠?qū)崿F(xiàn)鋼渣余熱、鐵資源、尾渣的回收利用，是實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、增效降碳的重要手段，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

2  國外鋼渣資源化利用

表1 國外主要國家鋼渣利用途徑

Table 1  Utilization ways of steel slag in major foreign countries

作為鋼廠一種產(chǎn)量大、溫度高、資源化利用潛力大的二次資源，目前國外的鋼渣利用途徑主要有以下兩個(gè)途徑：一種途徑是回收的渣鋼或磁選粉在鋼廠內(nèi)循環(huán)；另一個(gè)途徑是尾渣用于道路或建材^{[11, 12]}。其他利用途徑包括土壤修復(fù)、高附加值材料制備等，這些利用途徑消納鋼渣量很少。國外主要國家鋼渣利用途徑及各途徑利用占比如表1和圖2所示^{[1, 13]}。

表1表明日本、德國和美國鋼渣利用率很高，均已超過95%。具體而言，日本鋼渣的主要利用途徑包括外銷、自用和填埋。德國的鋼渣主要用于土木建筑、磷肥和鋼廠內(nèi)循環(huán)。美國的鋼渣利用率已經(jīng)超過98%，其中用于燒結(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%以上瑞典通過鋼渣改性技術(shù)，即向熔融鋼渣中加入還原劑、硅/鋁質(zhì)材料對(duì)鋼渣進(jìn)行物相調(diào)控和重構(gòu)，使其與水泥成分接近，之后用于水泥的生產(chǎn)。加拿大處理后的鋼渣主要用于道路建設(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。

圖2  歐洲鋼渣各利用途徑占比

Figure 2  Percentage of steel slag utilization in Europe

3  我國鋼渣的處理和利用

3.1  鋼渣處理

通過查閱鋼渣處理及資源化利用文獻(xiàn)^[1]，我國鋼渣處理大體上經(jīng)過了三個(gè)階段，如表2所示。第一階段主要發(fā)生在1950年到1980年的三十年時(shí)間里，這一階段，鋼渣產(chǎn)出后被直接堆棄在渣場(chǎng)。由于其資源化利用率幾乎為零，長時(shí)間的堆棄，形成渣山。由于鋼渣的無序堆棄，造成土壤、水體、空氣的極大污染。第二階段主要發(fā)生在1980年到2005年的二十多年的時(shí)間里。這一階段，鋼渣通過簡單的手動(dòng)或機(jī)械磁選回收渣鋼用于煉鋼，部分尾渣用于回填和道路。由于缺乏成熟的鋼渣處理技術(shù)和必要的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鋼渣使用中問題頻出^[14]。如寶鋼上世紀(jì)80年代在室內(nèi)體育館的建設(shè)過程中使用了鋼渣，導(dǎo)致了地基的開裂。第三階段從2015年開始，是鋼渣處理及處理后鋼渣的利用階段。但這個(gè)階段鋼渣的利用率也一直很低，2005年僅為10%左右，現(xiàn)在也只有30%左右。

表2  鋼渣利用階段劃分表

Table 2 Stage division table of steel slag utilization

造成鋼渣利用率低的原因是鋼渣中含有的f-CaO比較高，其遇水膨脹，導(dǎo)致構(gòu)筑物開裂，這是造成其低利用率最主要的原因。所以，要提高鋼渣利用率，首先應(yīng)降低鋼渣中f-CaO含量。為此，冶金工作者開發(fā)了多種鋼渣一次處理技術(shù)，主要包括常壓池式熱悶、熔融鋼渣罐式有壓熱悶、冷態(tài)鋼渣蒸汽陳化、熱潑、滾筒?；?、風(fēng)淬等技術(shù)。這幾種鋼渣處理技術(shù)特點(diǎn)如表3所示，目前我國大多數(shù)鋼鐵企業(yè)采用的是常壓池式熱悶和熔融鋼渣罐式有壓熱悶工藝來處理鋼渣。其中2012年以后，新建的鋼渣處理生產(chǎn)線主要采用的是熔融鋼渣罐式有壓熱悶工藝。該工藝的主要特點(diǎn)包括處理周期短，與現(xiàn)代煉鋼節(jié)奏匹配；處理過程自動(dòng)化程度高；處理過程煙氣有組織排放，運(yùn)行過程環(huán)保達(dá)標(biāo)；粉化率高，便于后續(xù)破碎篩分磁選。多大說國有鋼鐵企業(yè)和先進(jìn)的私有鋼鐵企業(yè)均采用了該工藝，如寶鋼、武鋼、河鋼、中天、鑌鑫等鋼鐵企業(yè)。熱潑法主要應(yīng)用于小型的私有企業(yè)，屬于落后淘汰的工藝。風(fēng)淬法工藝主要在馬鋼和石崗應(yīng)用，滾筒法工藝主要在寶鋼和馬鋼應(yīng)用^[15]。冷態(tài)鋼渣蒸汽陳化法是日本處理鋼渣的工藝。

表3  鋼渣處理技術(shù)及特點(diǎn)

Table 3  Steel slag treatment technology and characteristics

3.2  鋼渣利用

根據(jù)第2部分鋼渣的特性可知，鋼渣含有金屬鐵和含鐵相、硅酸鹽類等教您活性物質(zhì)。所以，我國的鋼渣利用主要圍繞這兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行。

1）鋼廠內(nèi)循環(huán)

在冶煉造渣過程，鋼渣在鋼液表面處于噴濺狀態(tài)，有部分鋼液以鋼珠形態(tài)和鋼渣粘附包裹在一起，隨渣排出。所以，鋼渣中含有約5%~10%的金屬鐵以及20%左右的含鐵相。所以，?；鋮s后的鋼渣經(jīng)過破碎、篩分、磁選選出渣鋼和磁選粉。通過工藝控制可以獲得鐵品位大于85%的渣鋼，直接返回?zé)掍摗＋@得鐵品位大于40%磁選粉，可直接返回?zé)Y(jié)使用。同時(shí)獲得金屬鐵低于2%的尾渣，根據(jù)產(chǎn)品性能要求，通過不同的處理手段，這部分尾渣被制備出不同性能的制品。

2）水泥制備

在硅酸鹽水泥中按一定比例摻入鋼渣粉制成鋼渣硅酸鹽水泥、低熱鋼渣水泥、鋼渣道路水泥等水泥品種。目前我國已有《鋼渣硅酸鹽水泥（GB 13590）》、《低熱鋼渣礦渣水泥（YB/T 057）》、《鋼渣道路水泥（YB 4098）》、《鋼渣砌筑水泥（YB 4099）》的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品。

3）道路用材料

由于鋼渣擁有較高耐磨性和硬度，處理后安定性良好的鋼渣尾渣可用于道路墊層、基層和面層，也可作瀝青混凝土路面，提高公路抗壓、抗折強(qiáng)度，改變公路抗彎沉性能。

4）鋼渣磚制備

經(jīng)穩(wěn)定化處理后的鋼渣和粒化高爐礦渣為主要原料摻入少量激發(fā)劑可產(chǎn)生建筑用磚，地面磚和砌塊等建筑材料，其強(qiáng)度和耐久性高于粘土磚。

盡管鋼渣利用途徑較多，但是我國鋼渣的資源化利用率還不到30%，導(dǎo)致我國在鋼渣資源化利用方面壓力較大。

4  鋼渣資源化利用緊迫性和利用途徑探討

4.1  鋼渣管理和利用相關(guān)政策

近年來，為了促進(jìn)鋼渣等大宗固廢的資源化利用，我國出臺(tái)了系列政策文件及法律法規(guī)。如2001年發(fā)布了《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了鋼渣貯存應(yīng)該遵循的準(zhǔn)則。2016年發(fā)布的《中國鋼鐵工業(yè)環(huán)境保護(hù)白皮》書分析了鋼渣綜合利用方向。2018年出臺(tái)的《循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》提出要促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高資源利用效率，保護(hù)和改善環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。同年出臺(tái)的《環(huán)境保護(hù)稅法》規(guī)定從2018年1月1日期對(duì)堆存的鋼渣征收每噸25元的稅費(fèi)?！蛾P(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》指出，十四五期間將大力推進(jìn)鋼鐵渣綜合利用工作，大宗固廢的綜合利用能力顯著提升，利用規(guī)模不斷擴(kuò)大。2021年2月國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》，提出“大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)再制造產(chǎn)品認(rèn)證與推廣應(yīng)用。建設(shè)資源綜合利用基地，促進(jìn)工業(yè)固體廢物綜合利用。”從國家發(fā)布的一系列法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃可以看出，鋼渣等大宗固體廢棄物的資源化利用依舊面臨重大挑戰(zhàn)，其突出表現(xiàn)就是資源化利用率不高。所以，國家通過法律手段倒逼鋼鐵企業(yè)采取合適的工藝處理和利用鋼渣，提高鋼渣整體利用率，避免資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。同時(shí)，作為鋼鐵研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)，也應(yīng)該加強(qiáng)鋼渣處理及利用工藝的研發(fā)，助力國家目標(biāo)的完成以及“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4.2  鋼渣利用途徑探討

1）鋼渣處理利用存在問題

作為鋼廠產(chǎn)量較大的一種二次資源，鋼渣有作為鐵回收、尾渣利用和熱能回收的潛力。但目前的鋼渣處理工藝和資源化利用途徑只關(guān)注了鋼渣物質(zhì)的回收，如渣鋼、磁選粉、尾渣。但在高溫冶金渣余熱余能的高效轉(zhuǎn)化、余熱余能回收的高效利用方面關(guān)注度不夠，特別是高溫鋼渣余熱回收潛力依然很大，余熱回收技術(shù)及裝備有待突破。

在鋼渣處理過程中，不同企業(yè)處理工藝條件和技術(shù)水平存在一定的差別，部分企業(yè)處理后的鋼渣存在游離鈣鎂氧化物超標(biāo)問題，鋼渣安定性不合格。使用安定性不達(dá)標(biāo)的鋼渣用于道路、房屋等建設(shè)，出現(xiàn)道路、地面、磚開裂等問題。這些失敗的案例對(duì)企業(yè)自身帶來了經(jīng)濟(jì)損失，更為鋼渣的資源化利用造成了十分嚴(yán)重的負(fù)面影響。同時(shí)，我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于起步階段，對(duì)于鋼渣等固廢資源化利用的產(chǎn)品，客戶還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，接受度差。鋼渣的資源化利用往往是跨行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，鋼渣是鋼鐵行業(yè)的固廢，而實(shí)際應(yīng)用客戶往往是建筑、交通等領(lǐng)域。導(dǎo)致鋼渣產(chǎn)品的市場(chǎng)認(rèn)可度差。

鋼渣制品附加值低，資源綜合利用缺乏可操作的政策支持等也是導(dǎo)致鋼渣資源化利用受限的重要原因。

2）鋼渣資源化利用途徑探討

目前，國內(nèi)約50%的鋼鐵企業(yè)仍采用落后的熱潑工藝，環(huán)保不達(dá)標(biāo)，處理后鋼渣安定性差，導(dǎo)致鋼渣尾渣產(chǎn)品存在體積膨脹開裂等問題，資源化利用水平低。盡管剩余的50%左右的鋼渣經(jīng)過罐式有壓熱悶、池式熱悶、滾筒、風(fēng)淬等處理工藝進(jìn)行了處理，但這些處理工藝處理的著力點(diǎn)都是基于鋼渣?；蚮-CaO的消解，便于后續(xù)的破碎篩分磁選，得到渣鋼、磁選粉和尾渣。

雖然鋼渣的資源化利用技術(shù)也較多，但大批量規(guī)模化應(yīng)用的主要是水泥的生產(chǎn)和充當(dāng)膠凝材料。目前鋼渣的資源化利用經(jīng)濟(jì)效益較差，產(chǎn)品附加值低，受水泥行業(yè)市場(chǎng)行情上下波動(dòng)，也因地域不同而具有較大的差異。在當(dāng)前雙碳目標(biāo)下，急需對(duì)鋼渣處理新技術(shù)和資源化利用途徑進(jìn)行探討和優(yōu)化。作者認(rèn)為熔融鋼渣還原改性、余熱回收和CO₂捕獲是未來鋼渣處理和資源化利用中比較有前景工藝方向。

（1）熔融鋼渣還原改性：利用鋼渣自身溫度高（1600 ℃）的特點(diǎn)，向其中加入還原劑，進(jìn)行熔渣鋼渣的還原改性，實(shí)現(xiàn)鐵的還原和尾渣物相的重構(gòu)。這種工藝可以實(shí)現(xiàn)鋼渣中“熱”、“鐵”、“渣”的綜合利用。其中，“熱”的利用是指采用鋼渣出爐時(shí)的顯熱為鋼渣中鐵的還原和物相重構(gòu)提供熱量；“鐵”的利用是指將鋼渣中的5%~30%左右的鐵氧化物還原成金屬鐵并回收利用；“渣”的利用是指根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的不同，通過不同改性材料重構(gòu)鋼渣物相，制備出高附加值制品，如微晶玻璃、保溫材料、巖棉等。

（2）高溫余熱回收：目前，文獻(xiàn)報(bào)告的鋼渣余熱回收技術(shù)有風(fēng)淬法余熱回收、雙內(nèi)冷轉(zhuǎn)筒?；療崮芑厥铡C(jī)械攪拌法余熱回收、“連鑄－連軋”干式?；陀酂徨仩t熔渣熱能回收、離心法余熱回收等工藝^[16]。但上述工藝僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段或是運(yùn)行幾年后由于各種原因而停滯。總之，國內(nèi)外在鋼渣余熱回收技術(shù)上還沒有重大突破。但是從余熱回收工藝可以看出，要想實(shí)現(xiàn)余熱的回收，首先需要將鋼渣進(jìn)行粒化，然后再采用合適的換熱介質(zhì)與鋼渣進(jìn)行充分換熱，從而達(dá)到鋼渣余熱回收的目的。如現(xiàn)在的熔融鋼渣罐式有壓熱悶工藝，通過鋼渣與水換熱，獲得具有一定溫度和壓力的水蒸氣來實(shí)現(xiàn)鋼渣余熱的回收。還有日本學(xué)者報(bào)道的，?；蟮匿撛c空氣進(jìn)行熱交換，獲得一定溫度的高溫空氣從而實(shí)現(xiàn)高溫鋼渣的余熱回收。在“雙碳”目標(biāo)下，高溫鋼渣余熱回收必將是未來鋼渣處理利用的重要方向。

（3）CO₂捕獲：其實(shí)質(zhì)是利用CO₂與鋼渣中含有的游離的CaO和MgO發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鹽^{[17, 18]}。這不僅可以實(shí)現(xiàn)鋼渣中物相的重構(gòu)，還捕獲了CO₂，使其固定于鋼渣中。目前，鋼渣用于CO₂捕獲的方法主要包括濕法和干法，盡管現(xiàn)在多處于研究階段，但在“雙碳”背景下，未來有關(guān)這方面的研究可能將會(huì)大量涌現(xiàn)。

5  結(jié)論與展望

在“雙碳”目標(biāo)下，鋼鐵企業(yè)會(huì)越來越重視鋼渣的處理與利用工作。對(duì)比現(xiàn)有國內(nèi)外鋼渣處理技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，這些工藝都沒有實(shí)現(xiàn)鋼渣余熱的回收和利用。并且其產(chǎn)品附加值不高，建材化產(chǎn)品市場(chǎng)認(rèn)可度差。在“雙碳”背景和目標(biāo)下，應(yīng)該加強(qiáng)鋼渣余熱回收方面的研究合投入，關(guān)注鋼渣新型處理工藝開發(fā)和高附加值產(chǎn)品制備，以期實(shí)現(xiàn)“熱”、“鐵”和“渣”的全部資源化利用。

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