国内外钢渣处理与资源化利用技术发展现状

1256 编辑：中冶有色技术网来源：《环境工程》

2021-12-03 14:25:43

研究背景：作为全球钢铁生产大国，我国2018年粗钢产量高达9. 28亿t，每吨钢产出的同时，亦伴随约150 kg的钢渣以副产品的形式产出。然而，我国国内钢渣的综合资源利用率仍处于较低水平，不仅占用大量工业用地，还会对大气、土壤、水环境等造成极大压力。为了解决这种现状，我国的环保法规对工业“三废”的排放和治理越来越严，2018 年实行的《环境保护税法》规定对冶炼渣开征25元/t的环保税。钢铁企业不能随便外排废渣，将促使钢铁企业认真考虑钢渣的稳定化处理和资源化利用工作。
为探索高效益、零排放钢渣处理方式，本文对相关统计与研发工作进行梳理，介绍了目前国内外对于钢渣处理、管理及利用现状，并进行深入探讨和展望。以期为实现钢渣的资源化利用，确保资源利用过程中的环境友好性，有效解决钢渣大规模堆积的重大问题，实现工业发展的可持续性提供数据支撑。
摘要：我国每年有超过1亿t的钢渣副产品产出，但目前国内钢渣综合利用率低，仅为30%左右，与发达国家之间差距较大，尤其是在道路建设和钢铁企业内循环利用方面。针对钢渣安定性以及尾渣资源化利用问题，对国内外现有钢渣预处理技术以及综合利用技术进行了论述。而国内新一代钢渣辊压破碎-余热有压热闷技术,实现了钢渣处理的装备化、环境友好化和高效化，是处于世界先进水平的工艺，基本克服国内外多种传统技术存在的适用性小、安定性差以及污染等问题。同时,建议应开发高附加值、低排放的新型综合利用技术,改变利用技术单一的现状；对钢渣进行深度的基础研究，力争解决钢渣的低膨胀性问题,改变钢渣无法在结构混凝土中应用的现状。
01国内外钢渣利用与管理现状
1.国外钢渣利用现状
统计了发达国家美国、日本及欧盟3个地区的利用情况，如表1所示。发达国家的钢渣利用普遍率较高，不存在钢渣堆积引起的严重环境问题，其中日本的钢渣利用率高达98.4%。
表1 国外钢渣利用现状

2.中国钢渣利用与管理
图1是我国钢渣利用现状。可知:我国在道路利用及钢铁企业内循环方面的利用率较低，其中，钢渣未得到有效利用的比例高达70%。按2018 年粗钢产量计算，我国2018 年的钢渣产出已远远超过1亿t，故钢渣利用管理方面任务较重。

图1 中国钢渣利用现状

近年来中国相关政府部门及行业出台了一系列政策与法规,涉及钢渣的处理方式、储存、应用以及强制性惩处措施等，列于表2中。
表2 中国有关限制钢渣排放的政策与规定

02国内外钢渣处理技术发展

安定性是钢渣大规模应用的关键性限制问题。从钢渣安定化预处理的机理看，钢渣的处理技术主要分为两类:热闷自解法和机械破碎法。
1.国外钢渣处理技术
在日本，钢渣安定性处理的最常见方法是蒸汽陈化法。鉴于蒸汽陈化过程的周期较长，日本开发出一种热闷罐蒸汽加速陈化方法，即将钢渣放入压力罐内通入蒸汽，在0.6 MPa左右压力下进行有压陈化；与常规蒸汽陈化相比,该方法的处理效率大幅提高。德国主要以箱式热泼的方法处理钢渣。近些年德国企业开发出1种新型钢渣处理方法：向熔融钢渣中添加含有SO2的砂子和氧气,将钢渣中f-CaO和f-MgO固化，实现钢渣安定化处理。目前，该方法已在德国杜伊斯堡钢铁企业成功应用。
加拿大、英国和印度则多采用热泼法，具体过程是将热态钢渣直接倾倒在空地上，喷洒水冷却，使钢渣因急冷形成内应力而破碎。
2.中国钢渣处理技术与应用
热泼法是我国较常见的钢渣处理方法，但此方法污染物排放较大，对大气、水等资源污染严重。鉴于我国环保压力较大，一些处理效果较好且能实现低排放的钢渣处理新工艺被研发出来，如滚筒法、风淬法和池式热闷法。目前，这些新工艺在国内各大钢铁企业的具体应用情况及优缺点列于表3中。
表3 中国钢铁企业对钢渣处理技术应用现状

近些年，为了提高装备化水平、处理效率和安定化能力，国内开发了钢渣辊压破碎-余热有压热闷技术。其详细工艺流程如图2所示。

图2 钢渣辊压破碎-余热有压热闷技术流程示意

与传统池式热闷技术相比，热闷压力提高了20倍以上，极大提高了钢渣处理效率；辊压破碎区和热闷区均能保证密闭性，易进行烟尘处理，更加洁净化；处理后钢渣安定性问题基本解决。此外，该技术还实现了水蒸气的热能回收，为钢渣显热回收提供条件。该技术在真正意义上实现了钢渣处理工艺的装备化、环境友好化、高效化、安定化，为后期钢渣深加工制备高附加值产品创造了有益条件。
03尾渣资源化利用技术发展现状
在国内现有处理流程中，熔融钢渣通过预处理后，经破碎、磁选、筛分得到渣钢和一定粒度的尾渣。其中渣钢基本直接回收循环利用于烧结流程；尾渣则根据应用领域的具体需求，制备成不同的性能材料。
1.传统资源化利用技术
1)道路建设。
由于钢渣拥有较高耐磨性和硬度，安定性较好的钢渣可以路基材料的形式用于公路建设。在美国，近50%的钢渣被用于公路行业；英国则使用98%钢渣用作道路骨料。乌鲁木齐市新建钢渣沥青混凝土试验段，结果表明，该段满足《公路工程质量检验评定标准》技术要求。基于国内先进钢渣预处理技术，钢渣在道路方面的应用在技术上已趋于成熟。钢铁企业应多与公路协会以及相关单位交流，展示钢渣在道路方面应用的优越性，加快拓展钢渣的大规模应用。
2)生产钢渣水泥和混凝土。
由于存在C3S、C2S等成分，钢渣的水硬凝胶性较好，是一种价格较为低廉的凝胶材料，可应用于水泥和混凝土的生产。由于钢渣活性较低，通常需要通过活性激发技术增加钢渣活性，较为常见的激发技术有物理激发、化学激发等。由于钢渣存在安定性问题,钢渣在混凝土领域的应用要极其谨慎，尤其是结构混凝土方面。目前，国内因为使用不合格钢渣发生了许多建筑方面的安全性事件，如墙面、道路开裂等。
3)生产微晶玻璃。
适当添加钢渣粉，可制备性能更为优异的微晶玻璃。迄今为止，国内外有许多大型企业已工业化生产微晶玻璃。与普通玻璃相比，微晶玻璃的晶化过程可以被控制，可促进玻璃产品的耐磨、抗风化、抗热震、耐腐蚀、强度等指标的提高。
4)烧结配加料。
由于钢渣主要成分为SiO2、MgO、FeO、Fe2O3、Al2O3、CaO等，适当添加钢渣于烧结原料中，可以节省大量的石灰石和白云石，降低原料成本。由于钢渣自身质量原因,国内钢铁企业在烧结料中的配加量相对较低,是相关研究亟需改善的利用方向之一。
2.新兴资源化利用技术
1)土壤修复。
钢渣碱度较高，含有一定量的Ca(OH)2和Mg(OH)2等碱性氧化物，使钢渣具有与酸性土壤发生中和反应的特性，具有应用于土壤修复的工程潜力。
2)污水重金属吸附。
由于多孔结构、较大比表面积、自由能高等特性，钢渣能够应用于环境污水中磷、铜、镍、镉、铅和砷等元素的脱除。此外，相比其他材料，钢渣密度较大，易从污水中分离。包勇超选用100目钢渣粉末作为吸附剂进行水中重金属的去除，发现钢渣代替石灰时，不仅去除效果好，而且产生污泥量小，污泥含水率低，可以实现“以废治废”的目的。
3)CO2 捕集和存储。
目前二氧化碳矿物碳酸化固定技术是钢渣综合利用新技术的研究热点。钢渣CO2捕集主要分为两种：干法固化CO2和浸出后固化CO2。钢渣中存在大量的CaO和MgO等氧化物，利用钢渣的碳酸化原理将CO2捕集并固定到钢渣中。这项技术成本廉价，原料易获取，易反应和工艺流程短。

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