鋼鐵行業(yè)固體廢棄物資源化利用現(xiàn)狀及建議

黃文亮

1.前言

2019年4月28日，生態(tài)環(huán)境部等五部委《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》的聯(lián)合發(fā)文，對(duì)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、環(huán)境治理、固廢處置都有重要指導(dǎo)意義。鋼鐵行業(yè)固體廢物的綜合利用是建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然要求。鋼鐵行業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生體量大，以鋼鐵長流程生產(chǎn)企業(yè)為例，生產(chǎn)1噸鋼產(chǎn)生固體廢棄物的量為600kg-800kg，2018年中國粗鋼產(chǎn)量9.28億噸，以此推算，產(chǎn)生固體廢棄物的量在5.56億噸-7.42億噸之間。對(duì)鋼鐵行業(yè)固體廢物進(jìn)行資源化利用，不僅節(jié)約能源資源，還能降低對(duì)環(huán)境的污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

2.鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)綠色發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)工信部相關(guān)文件，2017年6月30日前我國全部取締“地條鋼”等落后產(chǎn)能以來，查處了 700 多家涉及“地條鋼”的企業(yè)，約1.4億噸的產(chǎn)能已全部拆除、查封，有效凈化了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。加上供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革等相關(guān)政策影響，近兩年來長流程鋼鐵企業(yè)效益普遍較好，多數(shù)企業(yè)盈利創(chuàng)歷史最好水平，高質(zhì)量發(fā)展成為業(yè)內(nèi)共同關(guān)注認(rèn)可的課題。

近幾年投產(chǎn)的一批長流程鋼鐵項(xiàng)目，包括廣西防城港鋼鐵基地、山鋼日照鋼鐵精品基地、鞍鋼鲅魚圈分公司、首鋼京唐公司、寶武湛江基地等，這些項(xiàng)目理念是秉承高質(zhì)量綠色發(fā)展的要求，集中展現(xiàn)在焦?fàn)t大型化、全干熄、高爐大型化、高爐出鐵場(chǎng)平坦化、料場(chǎng)全封閉等規(guī)模環(huán)保特點(diǎn)，采用焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝、燒結(jié)（球團(tuán)）煙氣脫硫脫硝、焦油渣回配、焦化廢水深度處理、密閉廢水處理等技術(shù)，并且優(yōu)先考慮了固廢資源化利用發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了“高效率、低排放、低污染”。目前，新余鋼鐵集團(tuán)就圍繞鋼鐵企業(yè)排放的重點(diǎn)工序，擬計(jì)劃投資100億元以上進(jìn)行此輪改造，包括4.3m焦?fàn)t升級(jí)改造項(xiàng)目、燒結(jié)綜合料場(chǎng)智能環(huán)保易地改造項(xiàng)目、100噸電弧爐項(xiàng)目、棒材線升級(jí)改造項(xiàng)目、含鐵二次資源綜合利用項(xiàng)目等。

今后一段時(shí)間，鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需圍繞高質(zhì)量綠色發(fā)展配置相關(guān)資源，實(shí)現(xiàn)廢水、廢氣、廢渣的“減量化、超低化、無害化”排放。另外，有條件的長流程鋼鐵企業(yè)應(yīng)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園，進(jìn)一步拓展鋼鐵生產(chǎn)、能源轉(zhuǎn)換和消納處理社會(huì)廢棄物功能，實(shí)現(xiàn)鋼廠城市互助互利、和諧友好是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

3.年產(chǎn)鋼900萬噸長流程鋼鐵企業(yè)各工序固體廢棄物產(chǎn)生情況介紹

3.1 從產(chǎn)生工序看

以某年產(chǎn)鋼900萬噸長流程鋼鐵企業(yè)為例，該企業(yè)具備完整的焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、線棒材、中厚板、板加、熱連軋、冷軋等工序。各工序產(chǎn)生各類固體廢棄物總量大致有550萬噸。

鐵前工序產(chǎn)生固體廢棄物資源（包括水渣）411萬噸，占比74.7%，鋼軋工序產(chǎn)生固體廢棄物資源134.8萬噸，占比24.5%，其他固廢4.4萬噸，占比0.8%（見表1）。

3.2 從品種結(jié)構(gòu)看

水渣360萬噸，占比65.46%，鋼渣尾料75萬噸，占比13.63%，燒結(jié)除塵灰、煉鐵除塵灰、軋鋼污泥及除塵灰共計(jì)49.6萬噸，占比9.01%，渣鋼A級(jí)料、C級(jí)料、氧化鐵屑共計(jì)25.8萬噸，占比4.69%，廢耐材、高爐渣、罐沿鐵、鐵紅、脫硫石膏、冷卻塔填料、焦化固廢等共計(jì)39.8萬噸，占比7.21%。

4.固體廢棄物資源化利用現(xiàn)狀及不足

鋼鐵行業(yè)固體廢棄物資源化利用主要有“鋼鐵廠自身工序循環(huán)利用”“鋼鐵廠新開發(fā)項(xiàng)目發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)”“有價(jià)銷售給相關(guān)加工企業(yè)”“工業(yè)垃圾資源化處置”4個(gè)方向。

4.1 鋼鐵廠自身工序循環(huán)利用

鋼鐵廠自身工序循環(huán)利用分為返焦化工序、燒結(jié)工序、返其它工序3個(gè)主要方向。第一，返焦化工序包括廢舊破碎塑料、焦化環(huán)境灰、焦油渣、焦化各類槽罐清理渣。第二，返燒結(jié)工序主要包括燒結(jié)機(jī)尾除塵灰、煉鐵重力除塵灰、煉鐵環(huán)境除塵灰、高鐵瓦斯灰、罐沿鐵粉、脫硫渣混合物、鐵粒子、C級(jí)料、轉(zhuǎn)爐污泥、粗顆粒污泥、煉鋼除塵灰、高線污泥、軋鋼污泥、冷軋廠污泥、熱軋污泥、氧化鐵屑、脫硫廢焦及干箱脫硫劑等。第三，返其他工序包括廢生鐵、罐沿鐵、8mm以上罐沿鐵粉、渣鋼A級(jí)料等去煉鋼工序使用，廢酸去冷軋廠再生處理。

圖1 從品種結(jié)構(gòu)看固體廢棄物產(chǎn)生明細(xì)

目前，利用鋼廠現(xiàn)有工序循環(huán)利用主要存在的問題是煉鐵重力除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、煉鋼除塵灰等進(jìn)入燒結(jié)配礦增加鋅負(fù)荷，導(dǎo)致高爐鋅負(fù)荷過高，影響高爐穩(wěn)定順行。以前面提到的該鋼鐵長流程企業(yè)的重力除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、煉鋼除塵灰質(zhì)量數(shù)據(jù)（見表2）。另外，以2017年高爐鋅負(fù)荷為例，鋅負(fù)荷最低的高爐為0.59kg/tFe、鋅負(fù)荷最高的高爐為1.24kg/tFe，遠(yuǎn)高于寶鋼高爐的鋅負(fù)荷≤0.08kg/tFe水平。

表1 年產(chǎn)鋼900萬噸長流程鋼鐵企業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生明細(xì)表

表2 重力除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、煉鋼除塵灰的質(zhì)量數(shù)據(jù) %

4.2 鋼鐵企業(yè)新開發(fā)項(xiàng)目發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)

這方面，寶武湛江基地走在國內(nèi)前列，其主要包括轉(zhuǎn)底爐項(xiàng)目、高爐礦渣項(xiàng)目、電廠粉煤灰項(xiàng)目、鋼渣環(huán)保項(xiàng)目、工業(yè)廢棄物回收分選項(xiàng)目、無價(jià)污泥處置項(xiàng)目、含鐵固廢（返生產(chǎn)）項(xiàng)目。這些項(xiàng)目的實(shí)施，在企業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用，兼顧社會(huì)產(chǎn)業(yè)鏈之間的資源再生循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)“高效率、低消耗和低排放”。目前，這方面，有些項(xiàng)目比較成熟，具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，行業(yè)認(rèn)可度高，能消耗大宗固廢。比如，高爐水渣磨成礦渣微粉為礦渣水泥的摻合料，用于水泥廠、道路建設(shè)單位等下游工序企業(yè)，已是比較固定的去向。在此，主要針對(duì)轉(zhuǎn)底爐工藝及鋼渣尾料綜合利用進(jìn)行分析。

4.2.1 轉(zhuǎn)底爐工藝

轉(zhuǎn)底爐主要流程包括原料處理系統(tǒng)和直接還原兩部分，其中原料預(yù)處理系統(tǒng)包括污泥烘干、配料、混合、造球、生球烘干等步驟。轉(zhuǎn)底爐工藝能解決高爐煤氣除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、電爐除塵灰等含鋅塵泥富集對(duì)高爐的危害，又能解決危廢處理、揚(yáng)塵等環(huán)保問題，產(chǎn)出的金屬化球團(tuán)能供煉鐵或煉鋼工序使用。因此，受到國內(nèi)鋼鐵廠的推進(jìn)使用，如：山鋼萊鋼與北科大合作、沙鋼與北京神霧、馬鋼與新日鐵合作、日照鋼鐵與鋼研科技集團(tuán)合作、寶武湛江與中冶賽迪合作，鋼鐵企業(yè)與科研院所合作分別建立了規(guī)模不等、工藝不一的轉(zhuǎn)底爐。

然而，從目前各鋼鐵企業(yè)運(yùn)行情況看，轉(zhuǎn)底爐工藝存在一些不足，主要包括能耗指標(biāo)高、作業(yè)率偏低、金屬化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度低、脫鋅率低、冷卻系統(tǒng)結(jié)垢、無經(jīng)濟(jì)效益等問題。

4.2.2 鋼渣尾料綜合利用

鋼渣是煉鋼過程中化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物以及各種造渣材料等物料共同形成的復(fù)雜物質(zhì)。由硅酸鈣類礦物、金屬鐵和鐵氧化物等化學(xué)物質(zhì)組成。硅酸鈣類礦物及其他成分主要由硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、橄欖石（CaO·RO·SiO2）、薔薇輝石（3CaO·RO·2SiO2）以及RO相（MgO、MnO、FeO的固溶體）等組成。鋼渣處理的主要目標(biāo)是最大限度的提取鐵資源，降低f-CaO、f-MgO、莫氏硬度等為鋼渣尾料后續(xù)綜合利用提供更多用途。國內(nèi)鋼渣處理的工藝有盤潑處理工藝、熱潑破碎篩分磁選工藝、水淬工藝、風(fēng)淬工藝、熱悶渣處理工藝和滾筒法處理工藝。近年來，國內(nèi)使用比較廣泛的技術(shù)為鋼渣熱悶技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第四代——鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶處理技術(shù)，該套技術(shù)在江蘇鑌鑫特鋼、內(nèi)蒙古遠(yuǎn)聯(lián)、河南濟(jì)源、常州東方、首鋼京唐等多家企業(yè)得到應(yīng)用，該套技術(shù)最大的特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境得到改善，f-CaO能控制在3%以內(nèi)，鋼渣尾料穩(wěn)定性能相對(duì)提高。

鋼渣尾料綜合利用的主要途徑有鋼渣微粉、礦渣復(fù)合粉、鋼渣水泥、瀝青混泥土骨料、回填材料、制標(biāo)磚及透水磚、改良土壤等。近年來，對(duì)鋼渣尾料的研究方面也取得了一定成果，袁濤等的“鋼渣混凝土透水磚的研制”指出透水磚的抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)兩者存在相互制約的矛盾關(guān)系，鋼渣混凝土透水磚的透水系數(shù)孔隙率最高能達(dá)到 6.54mm/s，抗壓強(qiáng)度最高能達(dá)到 43.61MPa；唐衛(wèi)軍的“鋼渣礦渣復(fù)合微粉對(duì)水泥和混泥土性能影響的實(shí)驗(yàn)研究”提出了采用酸性激發(fā)劑提高鋼渣礦渣復(fù)合微粉活性的原理，為酸激發(fā)鋼渣礦渣微粉活性提供理論依據(jù)；儀桂蘭等的“鋼渣和高爐渣微粉技術(shù)研究”指出鋼渣微粉、水渣微粉雙摻制備鋼渣-水渣復(fù)合微粉，實(shí)現(xiàn)了鋼渣粉和水渣粉優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并避免產(chǎn)生單獨(dú)使用水渣粉和鋼渣粉的缺點(diǎn)，可有效改善水泥性能，成為鋼渣高附加值利用的主要方向；崔孝巧的“以鋼鐵行業(yè)固廢為原料的高強(qiáng)高性能混凝土研究”，以鋼鐵行業(yè)的典型固廢鋼渣、礦渣和脫硫石膏為主要原料，制備膠凝材料，以鐵礦礦山廢石為粗骨料和鐵尾礦砂為細(xì)骨料，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案條件下，制備出鋼渣接量40%且28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到71.47MPa的全固廢高強(qiáng)高性能混凝王，大幅度提離了鋼渣在混凝王中的利用率，所制備的混凝止具有優(yōu)良的耐久性能；孫朋的“鋼渣多孔吸聲材料的制備和吸聲性能的研究”指出鋼渣多孔材料吸聲性能隨著孔隙率的增加而快速提高，孔隙率由46%增加到61%，NRC隨之從化0.40提高到0.45，材料平均孔徑由14um增大到51um，NRC也相應(yīng)由0.40提高到0.46，其他常用多孔吸聲材料性能比較發(fā)現(xiàn)，厚度基本相同條件下，鋼渣多孔吸聲材料的吸聲性能優(yōu)于多數(shù)常用的吸聲材料。

近年來鋼渣尾料綜合利用方面取得了不少進(jìn)展，但工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、高富加值利用案例依然較少。鋼渣尾料中f-CaO、f-MgO高，對(duì)鋼渣后續(xù)處理的影響，鋼渣尾料制鋼渣微粉和礦渣復(fù)合粉存在生產(chǎn)成本高的問題，鋼渣尾料制建材等方面，都需解決實(shí)用性、批量化、產(chǎn)業(yè)化等問題。

表3 脫硫渣混合物質(zhì)量數(shù)據(jù)表 %

4.3 有價(jià)銷售給相關(guān)加工企業(yè)

爐臺(tái)干渣骨料、廢耐材、脫硫石膏、氧化鐵紅、燒結(jié)機(jī)頭灰等可銷售給具備資質(zhì)的相關(guān)加工企業(yè)。如：爐臺(tái)干渣骨料主要供礦棉生產(chǎn)廠家利用，廢耐材主要供耐材生產(chǎn)廠家回收利用，脫硫石膏主要供水泥廠用做水泥配料，氧化鐵紅供磁材加工企業(yè)利用，燒結(jié)機(jī)頭灰給相關(guān)企業(yè)提取Au、Ag等有價(jià)元素。

4.4 工業(yè)垃圾的資源化處置

工業(yè)垃圾資源化處置主要是利用鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有工藝，對(duì)工業(yè)垃圾進(jìn)行綜合分析評(píng)判，進(jìn)行合理處置。本文主要以煉鋼脫硫渣、廢舊水處理填料進(jìn)行舉例說明。

按照傳統(tǒng)做法，煉鋼脫硫渣經(jīng)過渣鐵線分離出大、小塊脫硫渣鐵返煉鋼使用，脫硫渣金粉返回?zé)Y(jié)循環(huán)利用，脫硫渣尾料后續(xù)沒有較好途徑處置。經(jīng)過分析實(shí)踐，將脫硫渣分離出大、小塊脫硫渣鐵及粒徑8mm以下脫硫渣混合物三種產(chǎn)品更為適宜，大、小塊脫硫渣鐵繼續(xù)返煉鋼使用，粒徑8mm以下脫硫渣混合物返燒結(jié)循環(huán)利用。該方法既能充分利用其中的鐵元素，又能利用其中的鈣、鎂成分建設(shè)部分熔劑資源，以徹底解決脫硫渣尾料的處置難題（見表3）。

廢舊水處理填料是一種自然環(huán)境難消納的固體廢棄物，主要成分為聚丙烯（PP）或聚氯乙烯（PE），將其外排將占用部分土地，并對(duì)自然環(huán)境造成污染。廢舊水處理填料中碳含量高，可考慮煉焦工序使用。新日鐵為在煉焦煤中擴(kuò)大廢塑料摻入量做了大量試驗(yàn)研究，包括塑料粒度對(duì)焦炭強(qiáng)度的影響試驗(yàn)，加入PE粉末提高焦炭強(qiáng)度的試驗(yàn)，塑料粒度對(duì)焦炭CRI和CSR等的影響試驗(yàn)等。首鋼在處理“白色污染”方面也做了大量試驗(yàn)研究，其中“塑料型煤”加工技術(shù)的研發(fā)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)塑料在燃燒前先是軟化、熔融，而且具有很強(qiáng)的黏結(jié)能力，可以利用軟化熔融塑料的黏結(jié)性將煤粉黏結(jié)來解決廢塑料與煤粉混合偏析難題。焦煤中摻入2%的廢舊水處理填料不影響焦炭質(zhì)量，其回收比例為焦炭20%，焦?fàn)t煤氣及化工副產(chǎn)品各40%。針對(duì)鋼鐵企業(yè)廢舊水處理填料需先破碎后按適當(dāng)比例進(jìn)入煉焦生產(chǎn)的備煤工序，將廢舊水處理填料破碎預(yù)處理至粒度1.0cm以下，進(jìn)入煉焦生產(chǎn)。

目前，工業(yè)垃圾的資源化處置等方面的相關(guān)研究及應(yīng)用項(xiàng)目比較少。如脫硫渣混合物再利用，無價(jià)污泥制磚等都限于簡單處置，缺乏對(duì)機(jī)理的研究。廢舊塑料的煉焦利用盡管在日本有工業(yè)化生產(chǎn)利用的先例，但國內(nèi)這方面的研究跟規(guī)模運(yùn)用依然相對(duì)薄弱。

5.鋼鐵行業(yè)固廢下一步資源化利用的建議

鋼鐵行業(yè)固體廢棄物種類多、總量大、各單品種數(shù)量相差大，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物最大程度的資源化利用，有以下建議：

第一，鋼鐵企業(yè)應(yīng)做好整體規(guī)劃，采用先進(jìn)、成熟、可靠的工藝技術(shù)及裝備，并且配套固廢處理裝置，從源頭減少固體廢棄物的產(chǎn)生。如：焦?fàn)t大型化、全干熄、高爐出鐵場(chǎng)平坦化、料場(chǎng)全封閉、焦油渣回配裝置、二次物料均質(zhì)化處理技術(shù)等。

第二，選用產(chǎn)生固體廢棄物能再次利用的工藝或裝備。如燒結(jié)采用濕法脫硫所產(chǎn)生的脫硫石膏能供水泥廠利用，水處理填料采用聚丙烯或不銹鋼等能再次回收利用的材料。

第三，加大含鐵塵泥脫有害元素的研發(fā)力度，跨學(xué)科、跨行業(yè)融合研究，力爭(zhēng)早日研發(fā)出技術(shù)上合理、經(jīng)濟(jì)上可行的工藝，解決好鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥利用問題。

第四，積極推廣少渣冶煉技術(shù)，從源頭減少鋼渣的產(chǎn)生量。繼續(xù)推進(jìn)鋼渣處理技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、效益化處置利用。包括鋼渣尾料在農(nóng)業(yè)、筑路、新型墻板等行業(yè)的應(yīng)用。

第五，鋼鐵企業(yè)內(nèi)各工序間開展上下游攻關(guān)合作，共同推進(jìn)企業(yè)內(nèi)部固體廢棄物資源化利用最大化。

第六，加大塑料煉焦配煤研發(fā)力度，并利用鋼鐵企業(yè)裝備優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)廢舊塑料規(guī)模化配煤煉焦，有效處置鋼廠及周邊城市塑料垃圾，實(shí)現(xiàn)“鋼廠-城市”區(qū)域協(xié)同綠色發(fā)展。

參考文獻(xiàn)略