冶金固體廢棄物資源化處理與綜合利用
據(jù)統(tǒng)計，目前我國冶金工業(yè)固體廢棄物年產(chǎn)生量約 4.3億噸，綜合利用率為18.03%。其中工業(yè)尾礦產(chǎn)生量為2.84億噸，利用率1.5%；高爐渣產(chǎn)生量7557萬噸，利用率65%；鋼渣產(chǎn)生量3819萬噸，利用率10%；化鐵爐渣60萬噸，利用率65%；塵泥1765萬噸，利用率98.5%；自備電廠粉煤灰和爐渣494萬噸，利用率59%；鐵合金渣 90萬噸，利用率90%；工業(yè)垃圾436萬噸，利用率45%。針對我國冶金工業(yè)固體廢棄物的現(xiàn)狀，資源化處理與綜合利用是相關(guān)企業(yè)和機構(gòu)必須重視和加大力度進行研究突破的課題。本文就冶金固體廢棄物資源化處理與綜合利用進行了一些有益的探討。
1 冶金渣的資源化處理和綜合利用
目前我國鋼鐵年總產(chǎn)量已達到5億噸，每年產(chǎn)生的冶金渣達1億噸以上。在冶金渣中排量大的主要有高爐水淬礦渣、鋼渣、高爐重礦渣等，其中高爐水淬礦渣和高爐重礦渣利用率較高，而鋼渣利用率較低，僅有20%左右。未得到利用的冶金渣長期堆放未及時綜合利用，一方面會造成冶金渣逐漸失去活性難以再利用，另一方面冶金渣的堆放要占用大量土地并會嚴重污染環(huán)境。2009年1月 1日，《循環(huán)經(jīng)濟促進法》頒布實施，如何大量利用冶金渣已成為各鋼鐵企業(yè)的當務(wù)之急。
1.1 冶金渣資源化處理和綜合利用的發(fā)展方向
目前，我國的鋼產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一，但由于煉鐵煉鋼技術(shù)尚不夠先進，因而各鋼鐵企業(yè)每年都會產(chǎn)生大量的、不同種類的冶金渣。根據(jù)我國的國情和目前的技術(shù)水平，要想大量利用冶金渣，只有走開發(fā)節(jié)能、利廢、環(huán)保的建材產(chǎn)品這條路。冶金渣資源化處理和綜合利用是指從冶金渣中磁選除鐵并將尾料大量用于建材產(chǎn)品的生產(chǎn)。從冶金渣中磁選回收的廢鋼鐵可返回鋼鐵廠冶煉再利用；磁選回收的尾料可用來生產(chǎn)水泥混合材、路基材、砌筑水泥、預(yù)拌砂漿、混凝土標磚、多孔磚、冶金渣蒸壓加氣砌塊等建材產(chǎn)品。冶金渣的開發(fā)利用既要考慮資源的再利用，符合循環(huán)經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)政策；又要考慮到采用合理的生產(chǎn)工藝開發(fā)出節(jié)能、環(huán)保、符合市場需求、達到國家標準要求的建材產(chǎn)品。
1.2 冶金渣資源化處理和綜合利用與節(jié)能環(huán)保
利用冶金渣生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保建材產(chǎn)品的方法是利用鋼鐵廠產(chǎn)生的冶金渣、高爐煤氣、余熱蒸汽等再生資源生產(chǎn)出節(jié)能、環(huán)保、可替代高能耗建材產(chǎn)品的新工藝。破碎磁選除鐵后的鋼渣含有較多的游離CaO等礦物質(zhì)，這些礦物質(zhì)具有水硬性。當鋼渣與高爐水淬礦渣配合使用時，鋼渣水化析出的Ca(OH)2能對礦渣起到堿性激發(fā)作用，而礦渣又可消除鋼渣中游離CaO的不良影響，改善產(chǎn)品的體積安定性。破碎磁選除鐵后的重礦渣具有質(zhì)密、體積安定性好的特點，可取代碎石、黃砂用作建材產(chǎn)品的粗細骨料。本文以鋼渣混合材、鋼渣礦渣混凝土磚和冶金渣蒸壓加氣砌塊為例，分析了冶金渣綜合利用與節(jié)能環(huán)保的關(guān)系。
（1）鋼渣混合材的節(jié)能環(huán)保分析
鋼渣應(yīng)用于水泥工業(yè)在我國已有30余年的歷史，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)目前每年可使用鋼渣混合材1000萬噸。用于生產(chǎn)水泥的鋼渣混合材必須烘干，而目前普遍的烘干方法是用汽車將含水約12%的鋼渣混合材運送至水泥廠，然后用煤燃燒產(chǎn)生熱風進行烘干。該過程一方面增加了10%的汽車運輸量，另一方面需要消耗煤炭資源，F(xiàn)在利用鋼渣作為水泥混合材的經(jīng)濟方式是利用煉鐵廠產(chǎn)生的副產(chǎn)品—高爐煤氣就地進行烘干，這樣可大幅節(jié)省汽車運輸量和石油、煤炭等資源。采用煉鐵廠產(chǎn)生的副產(chǎn)品—高爐煤氣就地進行烘干，每噸鋼渣初水分12%烘干至終水分2%需150立方米的高爐煤氣（熱值以3500千卡/立方米計），每年1000萬噸鋼渣混合材需15億立方米的高爐煤氣，折合標煤75萬噸（標煤熱值約7000千卡/千克計）；每年1000萬噸鋼渣混合材（運距以30公里計）可節(jié)省汽車運輸用油量45萬升（重型載重汽車以每噸鋼渣油耗以1.5升/100公里計）、煤炭用量75萬噸。
（2）鋼渣礦渣混凝土磚的節(jié)能環(huán)保分析
鋼渣礦渣混凝土磚主要是以鋼渣礦渣配制的砌筑水泥為膠凝材料，以鋼渣、水淬礦渣和高爐重礦渣為骨料，再摻入一定量的添加劑，采用半干法壓制成型、鋼廠余熱蒸汽養(yǎng)護的方法生產(chǎn)出來的一種冶金渣磚。該生產(chǎn)工藝于2006年在新余鋼鐵股份有限公司的建材生產(chǎn)線上已經(jīng)實施。經(jīng)過理論和實踐證明該工藝生產(chǎn)出來的鋼渣礦渣混凝土磚各項性能指標均優(yōu)于國家標準要求，而且產(chǎn)品成本低，生產(chǎn)原料90%以上采用鋼廠廢棄的冶金渣，采用鋼廠余熱蒸汽養(yǎng)護，符合國家節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策。以新余鋼鐵股份有限公司年產(chǎn)30萬立方米的鋼渣礦渣混凝土磚生產(chǎn)線為例，每年可消耗鋼渣約 11萬噸、礦渣11萬噸、重礦渣22萬噸，可為鋼廠利用大量的冶金渣并產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。
鋼渣礦渣混凝土磚生產(chǎn)使用的膠凝材料采用冶金渣自配的M22.5砌筑水泥，無需采用高能耗的PS32.5以上的成品水泥。鋼渣礦渣混凝土磚的骨料就地采用鋼廠的冶金渣，每年可減少36萬噸砂石的開采開挖量和汽車運輸量。鋼渣礦渣混凝土磚的養(yǎng)護采用鋼廠余熱蒸汽養(yǎng)護，節(jié)省了煤炭資源。該條生產(chǎn)線集成了冶金渣、余熱蒸汽、高爐煤氣等再生資源的綜合利用，每年可節(jié)省砂石運輸（運距以30公里計）用油量16.2萬升（重型載重汽車每噸鋼渣油耗以1.5升/100公里計）；每年可節(jié)省成品水泥9萬噸，折合標煤約1萬噸（成品水泥煤耗以 110公斤/噸計）；同時每年可減少2億塊粘土標磚的生產(chǎn)使用，折合標煤3萬噸（粘土磚煤耗以100公斤/立方米計）。若全國100家大型鋼鐵廠平均每家建設(shè)一條30萬立方米的鋼渣礦渣混凝土磚生產(chǎn)線，每年可利用冶金渣共約4400萬噸，節(jié)省汽車運輸用油量1620萬升、煤炭用量 400萬噸。這樣既大量利用了鋼廠廢棄的冶金渣又大量代替了粘土磚的市場，保護了耕地；同時由于鋼渣礦渣混凝土是一種免燒磚，因而可以節(jié)能降耗。
（3）冶金渣蒸壓加氣砌塊生產(chǎn)的節(jié)能環(huán)保分析冶金渣蒸壓加氣砌塊是將鋼渣、礦渣加水磨成漿料，加入粉狀復(fù)合添加劑，適量石膏和發(fā)氣劑，經(jīng)發(fā)氣、預(yù)養(yǎng)、切割、蒸壓等工序后制成的加氣砌塊制品。該工藝生產(chǎn)出來的冶金渣蒸壓加氣砌塊性能良好，符合工業(yè)與民用建筑需要，而且能大量地消耗冶金渣。該工藝采用的原材料中90%以上為冶金渣，養(yǎng)護蒸汽是采用煉鐵廠的副產(chǎn)品—高爐煤氣作為燃料產(chǎn)生的，產(chǎn)品成本低。該生產(chǎn)線每年消耗約7500萬立方米的高爐煤氣（熱值以3200千卡/立方米計），折合標煤約3.4萬噸（標煤熱值以7000千卡/公斤計）。以湘潭鋼鐵集團有限公司年產(chǎn) 30萬立方米的冶金渣蒸壓加氣砌塊生產(chǎn)線為例，每年可消耗鋼渣約14萬噸、礦渣14萬噸，可利用大量的冶金渣并產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。若全國100家大型鋼廠平均每家建設(shè)一條30萬立方米的冶金渣蒸壓加氣砌塊生產(chǎn)線就可利用冶金渣共約3000萬噸，每年節(jié)省煤炭用量340萬噸。
2 冶金塵泥的資源化處理與綜合利用
2.1 技術(shù)分析
鋼鐵廠冶金塵泥主要包括：高爐瓦斯泥、轉(zhuǎn)爐塵泥及除塵灰等。
煉鋼過程中，加入到轉(zhuǎn)爐內(nèi)的原料有2%左右會轉(zhuǎn)變?yōu)榉蹓m，轉(zhuǎn)爐塵的發(fā)生量約為20公斤/噸。煉鋼粉塵主要由氧化鐵組成，占70% ～95%，其他氧化物雜質(zhì)（如 CaO、ZnO等）占5%～30%。轉(zhuǎn)爐煉鋼塵泥一般可用作燒結(jié)的原料，但鋅在煉鐵過程中屬有害元素，因在高爐冶煉的過程中易形成爐瘤而影響爐料和氣體的流動，因此轉(zhuǎn)爐塵泥在回收過程中，可通過選礦法回收粉礦和富 C、Zn的尾泥。在燒結(jié)混合料中加入OG泥懸浮液有利于混合料制粒，隨OG泥配量的增加，混合料中1mm粒級比率迅速降低，有利于改善混合料透氣性、提高產(chǎn)量、降低成本及保護環(huán)境。
高爐瓦斯泥的組成主要是約20%的氧化鐵、23%的碳、1%～5%的鋅，還有較多的CaO、SiO2、Al2O3 等氧化物。高爐爐塵發(fā)生量約為25kg/t。高爐瓦斯泥顆粒較細，小于200目的占90%以上。高爐瓦斯泥的特征是含鋅、鐵、碳、水分含量高，顆粒細，鋅主要存在于較小的顆粒中。對高爐瓦斯泥、瓦斯灰可采用水力分離選礦法提取富Zn、富C尾泥作為資源回收利用。
目前我國大型企業(yè)的冶金塵泥回收利用率可達 100%。轉(zhuǎn)爐泥、除塵灰及瓦斯泥利用工藝和技術(shù)處于較先進水平，可為企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟效益。
2.2 工藝分析
冶金塵泥綜合利用工藝流程如下：
（1）轉(zhuǎn)爐泥、除塵灰干法利用工藝
轉(zhuǎn)爐泥、除塵灰→燒結(jié)返礦→混合料加工場。
（2）轉(zhuǎn)爐泥濕法利用工藝
轉(zhuǎn)爐泥→攪拌池→管道→燒結(jié)配料皮帶→轉(zhuǎn)爐泥烘干+氧化鐵皮+化學(xué)粘結(jié)劑→攪拌混勻→加壓成球→入爐干燥→球團礦。
（3）瓦斯泥利用工藝
瓦斯泥→重選→鐵精粉→燒結(jié)廠→含鋅泥→火法提鋅。
3 冶金固體廢棄物資源化處理與綜合利用的發(fā)展趨勢
近年來，國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)以固體廢棄物全利用、零排放為目標，取得了很大進步，專業(yè)化集中管理與多種管理體制相結(jié)合也初見成效。目前，各鋼鐵企業(yè)基本完成了工業(yè)固體廢棄物中含鐵資源的全量處理和回收利用，利用路徑為：固廢資源回收→燒結(jié)→高爐→煉鋼→ 軋鋼，即所謂大循環(huán)利用模式，但其利用仍處于低層次、低效率、低附加值、低梯級的利用，表現(xiàn)為經(jīng)濟效益和環(huán)保效益的非最優(yōu)化，如氧化鐵皮、轉(zhuǎn)爐泥及瓦斯泥的利用等，故在固廢深度開發(fā)和高價值利用方面還有待進一步研究與發(fā)展。
3.1 加強鋼渣熔劑渣配料對燒結(jié)礦品位與質(zhì)量的研究
鋼渣經(jīng)破碎磁選后回收的熔劑渣一直以來為燒結(jié)廠利用，配比一般在115%左右。但熔劑渣的配入會影響燒結(jié)礦的品位和質(zhì)量，主要是由于所配鋼渣的加水潤濕性能和造球性能較鐵礦粉差，燒結(jié)廠用量有限甚至停止使用，使熔劑渣利用與外銷壓力增大。因此應(yīng)加強燒結(jié)礦配加鋼渣熔劑渣強化制粒的試驗研究，探討合適的鋼渣熔劑渣配入量，保證燒結(jié)速度、燒結(jié)礦強度、成品率、利用系數(shù)、燒結(jié)礦還原性等指標符合要求。
3.2 進一步開發(fā)鋼渣在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用
應(yīng)進一步加強鋼渣用于水泥廠的生產(chǎn)試驗研究和生產(chǎn)性驗證，探索鋼渣水泥生產(chǎn)最佳工藝控制參數(shù)，提高鋼渣摻入量。
3.3 開發(fā)鋼渣粉生產(chǎn)
利用水泥和混凝土中的鋼渣粉是我國鋼渣高價值資源化利用的最佳途徑。細度在比表面積為400m2 /kg的鋼渣可等量取代10%～30%的水泥，直接用于混凝土建筑工程，可提高混凝土后期強度，提高耐磨性、抗凍性、耐腐蝕性能，成本比水泥低30%，可降低工程造價，是高性能高耐久性混凝土的原料。目前，全國鋼渣粉年產(chǎn)量已達300萬噸，產(chǎn)品主要用于工程建設(shè)。在開發(fā)鋼渣粉生產(chǎn)中要加強粉磨設(shè)備的選擇和粉磨工藝的控制。
3.4 鋼渣作道路材料和建筑材料
關(guān)鍵是要解決鋼渣的穩(wěn)定性問題，需要對現(xiàn)有熱潑法渣處理工藝進行改進，應(yīng)加強鋼渣熱燜法處理工藝及裝備等技術(shù)研究。湖南漣鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣熱燜法處理及水硬性鋼鐵渣免燒承重磚的開發(fā)研究達到了較好效果。美國 Alfred大學(xué)的Agrwal G等人利用鋼渣制造出比普通玻璃耐磨耐蝕的富CaO的微晶玻璃。
3.5 加快瓦斯泥的梯級開發(fā)利用
瓦斯泥重選提鐵后，其尾泥中碳含量高達35%，對瓦斯泥中碳元素加以回收代替高爐噴吹用無煙煤。使用回收新工藝可回收炭粉。
3.6 開發(fā)冶金塵泥生產(chǎn)煉鋼用冷卻劑、造渣劑
轉(zhuǎn)爐泥、除塵灰、氧化鐵皮等的綜合利用過去一直采取“回收-加工-燒結(jié)利用”工藝路線，不是固廢資源的深度開發(fā)高附價值的利用方式。利用轉(zhuǎn)爐泥等冶金塵泥生產(chǎn)符合煉鋼要求的冷卻劑、造渣劑，使冶金塵泥的利用工藝從過去的“廢料-燒-鐵-鋼”大循環(huán)利用向“廢料-鋼”小循環(huán)利用轉(zhuǎn)變，使系統(tǒng)能耗更少、污染更小、成本更低、效益更好。
總之，近幾年國家鼓勵發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，號召節(jié)能降耗。冶金固體廢棄物資源化處理與綜合利用是最具代表性的資源循環(huán)利用、節(jié)能、環(huán)保措施之一，也是鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)健康、可持續(xù)發(fā)展的一個重要保障。利用冶金渣生產(chǎn)建材產(chǎn)品既大量利用了工業(yè)廢渣及余熱蒸汽、高爐煤氣等再生資源，又能生產(chǎn)出滿足市場需要的綠色建材產(chǎn)品，這樣的項目具有良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益。因此應(yīng)繼續(xù)加大研究并推廣冶金固體廢棄物資源化處理與綜合利用技術(shù)，為我國鋼鐵企業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。
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