鋼渣內(nèi)部綜合利用實(shí)現(xiàn)碳減排效果的生命周期評(píng)價(jià)分析

陳士強(qiáng)，劉黎慧

（中電建水環(huán)境科技有限公司，廣東 深圳 518000）

近幾年，鋼鐵工業(yè)廢料的鋼渣產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，但鋼渣的利用率較低，且大部分鋼渣仍儲(chǔ)存在露天環(huán)境中，浪費(fèi)了大量土地資源，鋼渣的化學(xué)物質(zhì)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成不同程度的污染和危害。鋼渣得不到綜合使用會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)，所以更好地利用資源，能夠降低運(yùn)營(yíng)成本，也能有效解決這種鋼渣對(duì)環(huán)境造成的污染問(wèn)題，這對(duì)冶金行業(yè)優(yōu)質(zhì)化的發(fā)展具有重要意義。

1 鋼渣及主要鋼企內(nèi)部資源化利用方式

我國(guó)對(duì)鋼渣綜合使用的研究起步較晚，近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和固體廢物再利用的重視，鋼鐵在道路建設(shè)、建筑材料和混凝土中得到了廣泛的應(yīng)用，但總體使用率僅為22%左右?，F(xiàn)如今，在發(fā)達(dá)國(guó)家，鋼渣主要用于道路建設(shè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑材料和土木工程。我國(guó)正在通過(guò)各種方式重復(fù)使用鋼渣，然后通過(guò)化學(xué)、物理和熱活化來(lái)刺激鋼渣的活性。這能夠通過(guò)提取有價(jià)值的成分、熔化溶劑、制造填充材料、建筑材料和農(nóng)業(yè)應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合利用，如可用于開發(fā)生產(chǎn)公路材料、瀝青涂料、水泥、透水磚等原材料。

1.1 鋼渣被用作礦山充填料

當(dāng)前階段，礦山充填料主要用礦山水泥，其中對(duì)水泥的高需求和其高填充成本是一個(gè)緊迫的問(wèn)題。所以，尋找新的水泥替代品是礦山充填領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。有關(guān)研究表明，鋼渣研磨后可用作礦山充填料，但由于活性層低，所以難以處理，即使是經(jīng)過(guò)粉碎機(jī)處理也不能直接成為制備礦場(chǎng)可充填料生產(chǎn)的原料，所以尋找合適的激發(fā)劑對(duì)鋼渣在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的意義。唐山石人溝以骨料、唐鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣、粉煤灰、渣粉和脫硫石膏復(fù)合刺激劑為全尾砂膠填料，研究結(jié)果顯示，無(wú)塑料制鋼渣防護(hù)滔材的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73%時(shí)，配合膠體流動(dòng)性能、流動(dòng)型膠結(jié)填充料流動(dòng)性的要求，可作為有效的礦山填充料。以渣和礦渣混合物為活性材料，采用水泥熟材、二水脫硫石膏和硝混合物為復(fù)合激發(fā)劑，以灰砂比1:6的全尾砂為骨料，采用正交設(shè)計(jì)，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，在濕度為96%的恒溫恒濕條件下，對(duì)9組填充材料試驗(yàn)塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。使用萬(wàn)能壓力機(jī)對(duì)28d養(yǎng)護(hù)后填充材料試驗(yàn)塊的耐壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鋼渣微粉、礦渣微粉、水泥熟料、脫硫石膏、硝的質(zhì)量比為20:62:12:1時(shí)，所制備的全尾砂凝固材料28d的耐壓強(qiáng)度達(dá)到2.78Mpa，滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度要求（28d耐壓強(qiáng)度>2.5MPa）。

1.2 路基混凝土

鋼渣具有耐磨、防滑和高堿度等特性。利用鋼渣配制瀝青混凝土，能夠提高瀝青混凝土的耐磨性、耐鋼渣性和水損害性。但鋼渣瀝青混凝土的發(fā)展仍面臨諸多問(wèn)題，多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致瀝青用量高、熱耗高、制備成本增加。鋼渣體積穩(wěn)定性差，不會(huì)使瀝青混凝土可持續(xù)性能有任何改善。研究表明，時(shí)效處理是提高鋼渣體積穩(wěn)定性的有效方法。通過(guò)對(duì)大粒徑集料和瀝青用量的檢測(cè)，能夠改善鋼包層瀝青混凝土的路用性能。高壓輥磨機(jī)分選的鋼漆集料的物理力學(xué)性能符合GB/T 24766-2009的要求，是一種優(yōu)良的道路集料。再者，制備的鋼漆混凝土是一種很好的皮革用鋼漆材料。鋼渣的物理和機(jī)械性能取決于處理工藝，通常緩慢冷處理的鋼渣比率高、硬度高、耐磨、取水量低，道路施工更好，在礦渣儲(chǔ)存1年以上后，因?yàn)椴糠植鸪?，混合鋼渣的?jí)配與瀝青混凝土骨料級(jí)配相近。直接使用此種混合鋼渣作為瀝青混凝土骨料，配料簡(jiǎn)單易操作。鋼渣被用作道路基礎(chǔ)，這不僅能夠充分利用鋼渣，而且能夠節(jié)省大量土地。鋼渣是在高溫下鈣化并含有硅酸鹽、鋁酸鐵相的物質(zhì)，它的化學(xué)成分與水泥熟料相似，我國(guó)鋼渣水泥研究具有國(guó)際領(lǐng)先水平，現(xiàn)如今礦渣水泥的生產(chǎn)品種主要是礦渣水泥。礦渣水泥具有后期強(qiáng)度高、水化熱低、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 燒結(jié)材料

與水泥基不同，陶瓷制備過(guò)程中高溫?zé)Y(jié)使有害離子轉(zhuǎn)化為原材料成為陶瓷產(chǎn)品的有益組成部分，而陶瓷建筑在我國(guó)是一個(gè)巨大的消費(fèi)品，是一種新的批量高價(jià)值使用方式。在空氣中燃燒的情況下，鋼渣原材料中的Fe 2+氧化形成赤鐵礦相。鋼渣也可用于烘烤多孔陶瓷或泡沫玻璃吸聲材料，這種多孔吸聲材料具有良好的吸聲性能，采用球團(tuán)堆積，結(jié)合添加成孔劑制備鋼渣孔隙聲學(xué)材料，孔隙率可達(dá)到60%以上。

1.4 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

鋼渣用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時(shí)間比較晚，但近年來(lái)，我國(guó)研究人員對(duì)鋼渣在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究取得了快速進(jìn)展，主要針對(duì)土壤改良、硅烷肥力和作物改良。使用鋼渣可提高土壤pH值和有效硅含量，促進(jìn)水稻對(duì)二氧化硅的吸收，并促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。然而，鋼層中的鈣和鎂含量以及過(guò)多的pH值可能會(huì)限制土壤養(yǎng)分的有效性和水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收，這可能會(huì)對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。研究表明，鋼渣和可變形球囊霉復(fù)合物處理可提高土壤pH值質(zhì)量分?jǐn)?shù)、球囊霉素的土壤總提取物和土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)dpa cd/Pb，從而促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，并在玉米田上部和根部積累cd/Pb。此外，與傳統(tǒng)施肥相比，添加鋼渣對(duì)增加大豆產(chǎn)量也有積極影響。鋼渣含有大量的氧化鈣、氧化鎂，可用于改善酸性土壤。其他微量元素也對(duì)植物有增產(chǎn)作用，特別是P^0s含量超過(guò)5%的可作為磷肥使用。雖然代表作物種類的實(shí)驗(yàn)研究不夠廣泛，特別是大量使用了鋼渣肥料后，用影響土壤結(jié)構(gòu)的鋼渣轉(zhuǎn)移到微量元素果實(shí)，既沒(méi)有肥料后效性，也沒(méi)有土壤適應(yīng)性，可積累長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)觀察經(jīng)驗(yàn)。

2 鋼渣回收前處理技術(shù)

鋼渣作為金屬工業(yè)中不可避免的散裝固體廢物，綜合利用價(jià)值非常高，這與生態(tài)效益和商業(yè)效益有關(guān)?，F(xiàn)如今，關(guān)于使用鋼渣的研究已經(jīng)取得了一些成果，并逐步發(fā)展了一些重要技術(shù)，例如，道路建設(shè)和混凝土制備。所以，應(yīng)在現(xiàn)有鋼渣使用技術(shù)的基礎(chǔ)上，審查鋼渣的替代用途，以提高使用效率，并使鋼渣成為我國(guó)寶貴的再利用資源。

2.1 熱潑工藝

高溫紅色液態(tài)鋼渣運(yùn)至鋼渣廠后應(yīng)均勻倒入鋼渣倉(cāng)。在對(duì)多余的水進(jìn)行密集、連續(xù)的注水和過(guò)濾后，鋼渣的平均溫度降至約75℃。這樣鋼涂層被運(yùn)輸?shù)戒撛鼜S進(jìn)行回收和處理。熱塑性工藝簡(jiǎn)單，更易加工和安全使用；然而，由于廢水在很大程度上是有限的，并且不可能從冷卻系統(tǒng)中回收這些部分，因此在運(yùn)用此工藝的最初幾年，水的消耗量很高，冷卻廢水的用量也很高。

2.2 水淬工藝

水淬工藝法是將高溫赤熱鋼清漆放入水中急速冷卻，在限制結(jié)晶的狀態(tài)下進(jìn)行?；，F(xiàn)在一般使用的水淬工藝方法有2種，分別是渣池水淬和爐前水淬火。渣池的水淬火慢慢地將溶解的水倒入池中，溶解的水急速冷卻，變成粒狀的水渣。水渣用起重機(jī)抓住，放在爐渣場(chǎng)，脫水后放入車內(nèi)。爐前水淬火時(shí)，高溫赤熱液體渣從爐渣底部開口處自由落下，跌落過(guò)程遇到高壓水柱，熱熔融渣被壓力水分割，破碎的同時(shí)突然退化破裂，顆?；^(guò)程完成。水淬火被運(yùn)送到淀池，通過(guò)管道取出，脫水后被運(yùn)送到外面。

2.3 風(fēng)淬工藝

高溫?zé)霟岬囊簯B(tài)鋼渣由中間罐底部的小孔噴出，與專門設(shè)計(jì)的噴霧器中的空氣相遇，被破碎成平均粒徑僅為2mm的球形顆粒。凈化后，鍋爐蓋中可用的熱空氣和微粒、熱量回收和微粒收集。風(fēng)淬工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、安全可靠、投資和運(yùn)行成本低、處理能力高、顆?；瘡氐?、無(wú)二次污染。通過(guò)風(fēng)淬工藝獲得的渣粒能夠被帶入磁選過(guò)程而不會(huì)再次破碎，但是風(fēng)淬工藝對(duì)鋼渣的液體要求很高，所以硬化方法只能冷卻和破碎部分鋼渣。

3 基于LCIA的溫室氣體減排效果分析

生命周期研究已證明是評(píng)估產(chǎn)品或服務(wù)以及資源使用的潛在環(huán)境影響的有效方法，并已證明是環(huán)境分析的重要工具。它還包括評(píng)估工業(yè)產(chǎn)品co2排放量的重要工具，這些工具在其生命周期內(nèi)根據(jù)co2排放量研究和不同工業(yè)部門以及其生命周期不同階段（生產(chǎn)、廢物回收等）的co2排放量進(jìn)行評(píng)估。

結(jié)果表明，合理規(guī)劃轉(zhuǎn)爐爐殼內(nèi)部綜合利用，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上最多可解決粗鋼產(chǎn)品溫室氣體排放量的14.2%。對(duì)減少這些鋼渣排放機(jī)制的深入研究表明，可轉(zhuǎn)換鉛的綜合使用，這意味著鋼鐵生產(chǎn)中資源和能源的消耗顯著減少；內(nèi)部再利用和回收非常粘稠的鋼和金屬也是減少碳排放的方法之一。研究結(jié)果還表明，生命周期評(píng)估是評(píng)估工業(yè)產(chǎn)品碳排放的重要方法，有助于決策者找到最合理的低碳解決方案。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼鐵行業(yè)開展金屬?gòu)U料（鋼渣）的綜合利用是減少碳排放和創(chuàng)造低碳經(jīng)濟(jì)的有效手段。全面規(guī)劃轉(zhuǎn)爐鋼渣綜合使用方案，可以在生產(chǎn)周期內(nèi)有效解決碳排放等問(wèn)題。