冶金固廢資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展

于先坤 楊 洪 華紹廣

(1.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山，243000；4.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽 馬鞍山，243000)

冶金固廢資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展

于先坤1,2,3楊 洪4華紹廣1,2,3

(1.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山，243000；4.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽 馬鞍山，243000)

冶金過程中會產(chǎn)生大量的冶金固廢，但由于處理技術(shù)落后，大量冶金固廢未能得到及時(shí)和有效的回收處理，而造成土壤、水重金屬污染等環(huán)保問題。針對我國冶金行業(yè)的特點(diǎn)，分析了我國冶金固廢的種類、來源以及資源化處理與綜合回收利用現(xiàn)狀，介紹了冶金渣在鋼渣磁選除鐵、鋼渣返燒結(jié)、鋼渣水泥、鋼渣、礦渣、復(fù)合微粉、鋼渣礦渣建材制品等方面的回收利用途徑和優(yōu)缺點(diǎn)，分析了高爐塵泥和煉鋼塵泥的來源、特性及回收技術(shù)，并總結(jié)了國內(nèi)各鋼廠在冶金過程中鋼渣處理和冶金塵泥回收方面的處理技術(shù)，指出了目前我國鋼鐵企業(yè)在固廢資源綜合利用上存在的不足，提出冶金固廢的資源化處理的發(fā)展趨勢，如拓展到海洋生態(tài)保護(hù)、顯熱發(fā)電工程等新的領(lǐng)域。

冶金固廢 資源化利用 利用現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

冶金固體廢棄物中絕大多數(shù)為鋼鐵工業(yè)廢棄物[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到8.26億t，占世界粗鋼總產(chǎn)量的50.21%，同時(shí)產(chǎn)生冶金渣達(dá)2億t以上。其中高爐渣、鋼渣、化鐵爐渣、塵泥、電廠粉煤灰、鐵合金渣產(chǎn)生量分別約為7557、3819、60、1765、494、90萬t，其利用率分別約為76.7%、22%、65%、98.5%、59%、20%[2]?！丁笆晃濉辟Y源綜合利用指導(dǎo)意見》中提出到2010年工業(yè)固體廢物綜合利用率要達(dá)到60%，其中冶金渣達(dá)到86%，目前綜合利用率較低[3]。未得到利用的冶金固體廢物長期堆放未及時(shí)處理，會造成其逐漸失去活性再處理難度大，也會造成大量占用土地形成環(huán)境污染問題，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致土壤、水重金屬污染等問題。冶金固廢資源化處理和綜合利用主要是指從冶金渣中磁選出鐵等有用金屬，并將尾料大量用于循環(huán)再生產(chǎn)，避免固廢資源的浪費(fèi)和對環(huán)境的污染。

1 冶金固廢的種類及成分

冶金過程中，會產(chǎn)生大量的、來源不同的冶金固廢。如在煉鐵、煉鋼、軋鋼過程中會產(chǎn)生諸如鋼渣、鐵渣、氧化鐵渣等廢渣，除塵工序中產(chǎn)生除塵灰、塵泥、瀝青渣等[4]，冶金固廢種類及主要特性見表1。

表1 冶金固廢種類及主要特性

高爐煉鐵熔融的礦渣在驟冷時(shí)，來不及結(jié)晶而形成的玻璃態(tài)物質(zhì)，呈細(xì)粒狀，熔融的礦渣直接流入水池中冷卻的叫水渣。鋼渣來源于煉鋼轉(zhuǎn)爐，含鐵量小于10%以下，鋼渣經(jīng)強(qiáng)制用水冷卻，利用磁選加工成一定粒度，鋼渣抗壓性能好，較耐磨。礦渣、鋼渣經(jīng)磨細(xì)后，是水泥的活性混合材料。以馬鋼的水渣和鋼渣為例，礦渣與鋼渣的化學(xué)成分見表2。

2 冶金固廢的利用現(xiàn)狀

冶金固廢主要包括冶金渣、冶金塵泥以及粉煤灰。

2.1 冶金渣

冶金渣經(jīng)歷了由最初的直接丟棄處理，到中期的粗放型開發(fā)利用處理，到目前的綜合回收開放利用處理，冶金渣的回收利用率逐步提升。目前，我國冶金渣綜合利用率可以達(dá)到約54.9%，主要應(yīng)用于建筑行業(yè)、建材生產(chǎn)、水泥生產(chǎn)、鋪設(shè)路面等生產(chǎn)中[5]。

作為冶金渣中最主要組成成分鋼渣，其綜合開發(fā)回收技術(shù)主要包括：

(1)鋼渣磁選除鐵。粗鋼生產(chǎn)中，伴隨著約15%產(chǎn)量形成鋼渣，而鋼渣中8%～10%左右為廢鋼。目前，國內(nèi)各鋼廠紛紛采用自磨+磁選方式或余熱自解熱悶處理技術(shù)回收廢鋼。其中，自磨+磁選技術(shù)主要是利用鋼渣的物理特性，采用干式破碎磁選、或濕式球墨磁選技術(shù)回收廢鋼；余熱自解熱悶處理技術(shù)主要是利用鋼渣的化學(xué)特性，通過消解其游離的氧化鈣、氧化鎂，使其成分穩(wěn)定，降低廢鋼的產(chǎn)生量。

表2 水渣和鋼渣成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Table 2 The chemical composition of water granulated slag and steel slag(mass fraction) %

(2)鋼渣返燒結(jié)。鋼渣中富含各種金屬非金屬(鈣、鐵、鎂、猛)的氧化物、殘鋼以及少量鐵酸鈣，而其對燒結(jié)礦在高爐中反應(yīng)可起到增強(qiáng)產(chǎn)品強(qiáng)度、降低溶劑消耗、減少碳酸鹽分解進(jìn)而降低燃料消耗的作用。因此，可將鋼渣返回到高爐中與燒結(jié)礦一起進(jìn)行再燒結(jié)，不但可以充分利用固廢鋼渣，同時(shí)改善產(chǎn)品燒結(jié)礦性能，還能在一定程度上降低原料、燃料的消耗，降低產(chǎn)品能耗比。

(3)鋼渣水泥。鋼渣水泥是以鋼渣為基料，摻合料和石膏為輔料，按一定比例進(jìn)行混合、球磨后制成。為提高鋼渣水泥產(chǎn)品性能，可在摻合料中加入適量的粉煤灰、礦渣、硅酸鹽水泥熟料(不超過總重量的20%)。用于生產(chǎn)水泥的鋼渣必須進(jìn)行烘干(含水率不得高于2%)，目前國內(nèi)多使用汽車將含水鋼渣運(yùn)輸至水泥廠，在熱風(fēng)爐中進(jìn)行烘干后使用，也有在鋼渣原產(chǎn)地直接使用高爐煤氣就地進(jìn)行烘干后再運(yùn)輸至水泥廠使用[2]。

(4)鋼渣、礦渣復(fù)合微粉。單獨(dú)使用礦渣微粉作為混凝土摻合料，雖可以一定程度上提高混凝土的強(qiáng)度，耐久性，但由于礦渣本身堿度較低，大量摻入到混凝土后，會明顯降低混凝土中液相的堿度，造成鋼筋鈍化膜的不穩(wěn)定性(當(dāng)pH<12.4時(shí)，鈍化膜易被破壞)，導(dǎo)致混凝土中的鋼筋腐蝕，造成工程質(zhì)量事故。而鋼渣中含有水硬性的游離CaO等礦物質(zhì)，當(dāng)與礦渣配比使用時(shí)，鋼渣水化分離出的堿性Ca(OH)2能激發(fā)礦渣的活性，而同時(shí)，礦渣可以消除鋼渣中游離CaO的缺陷，改善產(chǎn)品的體積安定性性能。鋼渣微粉和礦渣微粉復(fù)合時(shí)有優(yōu)勢疊加的效果，二者混合使用可以取長補(bǔ)短，性能更加完善，且經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

(5)鋼渣、礦渣建材制品。鋼渣、礦渣建材制品是以鋼渣、礦渣為骨料，摻入適量添加劑，以水泥為膠凝劑，采用半干法壓制成型，鋼廠余熱蒸汽養(yǎng)護(hù)制成[6]。與傳統(tǒng)黏土磚和粉煤灰磚相比，鋼渣礦渣混凝土磚具有強(qiáng)度高、耐久性高、節(jié)約黏土的優(yōu)點(diǎn)，但由于其比重較大，因此并不適宜用于實(shí)心墻體砌磚。

2.2 冶金塵泥

鋼鐵廠冶金塵泥主要包括高爐瓦斯灰(塵)、高爐瓦斯泥、煉鋼塵泥、除塵灰[7]等。

(1)高爐塵泥。冶金過程中隨高爐煤氣運(yùn)動并被除塵器捕集獲得的原料粉塵、燃料粉塵以及高爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)生成的各種金屬蒸氣統(tǒng)稱為高爐塵泥，其捕集方式主要分為干式捕集和濕式捕集。干式捕集主要是利用干式除塵器進(jìn)行捕集，得到固體粉狀物，稱為高爐瓦斯灰；濕式捕集主要是利用煤氣洗滌塔及濕式除塵器進(jìn)行捕集，得到呈泥漿狀塵泥，稱為高爐瓦斯泥。高爐塵泥具有Zn、Fe、C含量高，顆粒粒度小等特征，其中Zn主要集中在較小顆粒中，F(xiàn)e、C主要集中在較大顆粒中。由于高爐塵泥中富含豐富的Zn、Fe、C等金屬非金屬物質(zhì)，國內(nèi)各鋼廠對冶金中產(chǎn)生的高爐塵泥均會進(jìn)行資源集中回收處理，提取中間產(chǎn)品。目前，國內(nèi)一般采用弱磁選鐵工藝進(jìn)行分選，回收塵泥中的鐵精礦；采用浮選工藝回收塵泥中的碳精礦；采用水力分離工藝回收塵泥中的鋅產(chǎn)品、富碳尾泥。

(2)煉鋼塵泥。煉鋼塵泥是指在冶金轉(zhuǎn)爐加熱鐵水、冶煉工序中，高爐中低熔點(diǎn)的金屬雜質(zhì)在高溫條件下會發(fā)生氣化、蒸發(fā)，鐵水沸騰爆裂濺起，并形成大量微細(xì)的金屬液體進(jìn)入空氣中，在鐵水出爐過程中，爐內(nèi)空氣與外界空氣接觸發(fā)生熱交換，空氣急速冷卻后形成的金屬粉塵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冶金生成過程中，加入到轉(zhuǎn)爐內(nèi)的各類原料總重量的2%左右會轉(zhuǎn)變?yōu)闊掍搲m泥[7]。由于煉鋼塵泥主要為金屬粉塵，富含豐富的Fe、Ca等物質(zhì)，其主要以氧化物形式存在。目前，國內(nèi)各鋼廠對煉鋼塵泥的綜合回收利用方式主要有：將煉鋼塵泥與其他干粉及燒結(jié)返礦等按比例配料、混合，作為燒結(jié)原料繼續(xù)使用；由于其富含豐富的Fe，可將煉鋼塵泥經(jīng)金屬化球團(tuán)后，返回到回轉(zhuǎn)窯還原焙燒；由于其富含豐富的Ca，也可代替生石灰，作為煉鋼造渣劑使用，并具有成渣時(shí)間短、成渣效果好的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 粉煤灰

從煤燃燒后的煙氣中捕集獲得的細(xì)灰統(tǒng)稱為粉煤灰，其具有粒度細(xì)、孔隙度小等優(yōu)點(diǎn)，目前已在建材業(yè)、道路施工、市政施工中得到廣泛應(yīng)用。

冶金固體廢棄物主要利用途徑見表3。

表3 冶金固體廢棄物主要利用途徑

3 冶金渣處理技術(shù)

3.1 鋼渣處理技術(shù)

由于國內(nèi)各鋼廠冶煉設(shè)備、煉鋼工藝、鋼渣物化性能的多樣性、回收利用的多種途徑以及企業(yè)自身技術(shù)實(shí)力等實(shí)際情況，目前，我國鋼渣處理技術(shù)呈現(xiàn)出多元化，主要集中體現(xiàn)為：武鋼的熱潑技術(shù)，京唐鋼熱悶技術(shù)，寶鋼的盤潑和滾筒技術(shù)，濟(jì)鋼的水淬技術(shù)，馬鋼風(fēng)淬技術(shù)，沙鋼的?；喖夹g(shù)[8-10]等。

表4 國內(nèi)鋼渣處理技術(shù)簡介

3.2 冶金塵泥回收技術(shù)

3.2.1 從冶金塵泥中回收鐵、碳

(1)單一回收工藝。鐵的回收為磁選工藝、重選工藝、反浮選工藝；碳的回收為浮選工藝。

(2)聯(lián)合回收工藝。將2種或2種以上的單一回收工藝進(jìn)行集成，主要包括有：弱磁選→強(qiáng)磁選工藝；浮選→重選工藝；粗磨→弱磁→強(qiáng)磁→反浮選工藝；重選→反浮選→磁選工藝；磨礦→磁選→重選→浮選工藝等。

3.2.2 從冶金塵泥中回收鋅

鋅的回收：物理法(磁性分離、機(jī)械分離)、濕法化學(xué)法(酸浸、堿浸、焙燒+堿浸)、火法(熔融還原法、直接還原法)、聯(lián)合法[7]。

4 結(jié) 論

冶金固廢處理應(yīng)從傳統(tǒng)的回收選鐵、鋅等金屬、鋼渣水泥生產(chǎn)、鋼渣礦渣微粉生產(chǎn)、建材制品生產(chǎn)等回收利用行業(yè)中，拓展到諸如在復(fù)合肥生產(chǎn)等農(nóng)業(yè)活動、鋼渣防赤潮等海洋生態(tài)保護(hù)工程、固廢顯熱發(fā)電工程、粉煤灰活化燒結(jié)利用工程等新領(lǐng)域、新方向的研究利用。

通過多年的實(shí)踐，我國鋼鐵企業(yè)在冶金固廢的回收利用方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但與國外同行業(yè)相比，仍存在諸如高開采、高排放、低回收、產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率低、物質(zhì)閉環(huán)流動有缺口等問題。冶金固廢的資源化處理應(yīng)遵循減量化(Reducing)、再利用(Reusing)、資源化循環(huán)(Recycling)的3R原則，即在輸入端、過程端、輸出端進(jìn)行控制。為此，應(yīng)努力打造形成冶金固廢再生循環(huán)利用的經(jīng)濟(jì)模式，在盡可能減少資源投入使用的情況下，最大化地回收利用各個(gè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，既可減少對環(huán)境的污染，提高資源綜合利用率，又可為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯 石海林)

The Utilization and Development Status of Metallurgical Solid Waste Resource

Yu Xiankun1,2,3Yang Hong4Hua Shaoguang1,2,3

(1.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResources，Maanshan243000，China；2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China；3.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000，China;4.SchoolofEnergyandEnvironment，AnhuiUniversityofTechnology，Maanshan243000，China)

Metallurgical process has produced a great deal of metallurgical solid wastes.Due to the poor processing technology，these metallurgical solid wastes have not been recovered or treated promptly and effectively，and result in environmental problems，such as heavy metal pollution in soil and water.According to the characteristics of the metallurgical industry in China，the types and sources，as well as the treatment and comprehensive utilization of the metallurgical solid wastes，were analyzed.The recycling way，advantages and disadvantages in application of metallurgical slag to steel slag magnetic separation in addition to iron，steel slag to return composite powder sintering，steel slag，slag，steel slag cement，and building materials products were introduced.The source，characteristics and recovery technology of blast furnace dusts and steelmaking dusts were analyzed.In addition，several kinds of main steel slag processing technology and metallurgical dust slime recovery technology were pointed out，and the problems existing in the waste comprehensive utilization of resources on the iron and steel enterprises in China were given.The resource processing development trend of metallurgical solid wastes was put forwards，such as expanding to the Marine ecological protection，sensible heat power generation project and other new fields.

Metallurgical solid waste，Resource utilization，Utilization status，Development trend

2014-11-22

于先坤(1987—)，男，助理工程師，碩士。

X705

A

1001-1250(2015)-02-177-04