王高峰  王義忠  於 珩  吳 飆  李曉莉

（包鋼冶金渣公司（綠化公司））

摘 要：本文簡要介紹了鋼渣的基礎性能，簡述了國內鋼渣處理工藝及包鋼現狀，重點介紹了包鋼鋼渣用于煙氣脫硫的實踐研究，通過在多家企業開展鋼渣脫硫試驗，結果表明，鋼渣脫硫效率高達98%以上，脫硫系統能夠實現長期的穩定運行，完全可以替代石灰石進行煙氣脫硫，并且有很好的脫硫優勢。鋼渣法脫硫減少了石灰石的開采，減少了二氧化碳排放，具有很好的環境效益和社會效益，具有很好的推廣價值。

關鍵詞：包鋼；鋼渣；煙氣脫硫；循環經濟

1  前言

轉爐鋼渣是煉鋼過程中所排出的廢渣，其產生量通常為粗鋼產量的12%~18%，主要來自造渣材料（石灰石、白云石、螢石、鐵礦石、硅石）以及爐料的氧化物、侵蝕的爐襯和補爐材料、雜質等。隨著我國鋼鐵工業的快速發展，鋼渣產生量也在逐年增加。大量堆存的鋼渣既對環境造成危害又占用大量土地，因而加強鋼渣的資源化綜合利用關系到鋼鐵行業的可持續發展本。綜合國內各大鋼鐵企業，鋼渣綜合利用方向主要集中于冶金領域和建筑領域。鋼渣中含有較高含量的CaO，在冶金領域可以代替石灰石用作燒結配料，鋼渣中含有大量的鐵粒，含廢鋼量約為10~15%，通過破碎磁選可以回收廢鋼鐵，進而進行重新利用^[1]。除了含有金屬鐵外，鋼渣中還含有其他金屬，如Mn、Cr、V等。鋼渣具有密度大、強度高、磨損性小等優良特性，可作為優良的道路材料和工程回填材料，也可利用其含有較多的硅酸二鈣和硅酸三鈣等活性物質，用于生產鋼渣水泥，鋼渣同時具有較高的潛在水硬膠凝性，可制備建筑用磚和砌塊。鋼渣在農業領域中的應用也較為常見，用作肥料和進行土壤改良。另外鋼渣表面具有良好的吸附性，可以用在廢水處理工程中。本文通過分析鋼渣的基礎性能，并通過應用實踐，拓展鋼渣在煙氣脫硫的研究及應用。

2  鋼渣的基礎性能

鋼渣的化學成分主要有CaO、SiO₂、FeO、Fe₂O₃、MgO、MnO、P₂O₅和f-CaO、f-MgO。由于不同的鋼鐵生產工藝以及原料的不同，鋼渣的成分也存在著一定的波動。鋼渣的主要礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣、游離石灰（f-CaO）、RO相（R代表鎂、鐵、錳的氧化物，即FeO、MgO、MnO形成的固溶體）等。在煉鋼過程中需要不斷的加入石灰，鋼渣的組成成分也隨石灰量的增多而發生變化。鋼渣在煉鋼初期的成分主要有鈣鎂橄欖石，因其堿度不斷提高，吸收CaO從而轉變成為鈣鎂薔薇輝石，期間還伴隨著RO相的放出，繼續增加石灰，則生成硅酸二鈣和硅酸三鈣^[2]。

3  國內鋼渣處理工藝及包鋼現狀

目前，國內轉爐鋼渣處理的主流工藝有熱悶法、熱潑法、滾筒法、風淬法、水淬法及盤潑法等，輥壓破碎有壓熱悶技術近年也在部分企業得到了應用，該工藝處理效率高，處理過程潔凈化程度高，熱悶后的鋼渣粉化率高，是現今鋼渣處理比較先進的工藝。各種方法的主要目的是將熔融態轉爐鋼渣冷卻、破碎，以待進一步處理利用。冷卻后轉爐鋼渣的處理一般遵循破碎、磁選、篩分的工藝。

包鋼處理的鋼渣是煉鋼脫硫渣、轉爐渣和精煉渣，現有鋼渣處理工藝主要為熱悶/熱潑破碎、磁選及篩分工藝，是目前國內鋼鐵企業使用較多的鋼渣處理工藝，包鋼現有鋼渣處理工藝及生產線見下圖。

包鋼現有鋼渣處理工藝及生產線

熱悶工藝流程為：滿渣罐-吊車-渣入池-打水處理-集中打水-悶渣處理-出渣-磁選線，熱悶配套的磁選工藝流程為：除鐵-破碎-棒磨-除鐵-磁選-篩分。熱潑工藝流程為將鋼渣傾翻噴水冷卻，使鋼渣大部分自解破碎，熱潑配套的磁選線包括除鐵、磁選、篩分工藝。經熱悶/熱潑、破碎、磁選工藝加工后，主要產品為鋼坨、流鋼片、粒鋼、磁性物料及不同粒徑的尾渣等。

4  包鋼鋼渣進行煙氣脫硫實踐

由于鋼渣中的CaO和MgO含量較高，結合鋼渣主要礦相為硅酸二鈣、硅酸三鈣等，因此鋼渣是一種很有潛力的脫硫劑。

4.1  鋼渣脫硫劑的制取

鋼渣中金屬相、RO相（固溶物）物質活性度很差，直接用于脫硫效率很低，必須經過加工處理使鐵、鈣、鎂、錳等活性氧化物相對富集。實驗研究結果表明，鋼渣經過熱悶（或熱潑）、破碎、篩分、磁選將大顆粒金屬及固溶物去除，取得粒度小于10mm的粒狀鋼渣，鈣、鎂、鐵等活性氧化物相對富集，再經粉磨、分離、提純后形成超細粉作為復合礦物脫硫劑。包鋼采用干法生產脫硫劑，國內鋼渣法煙氣脫硫工藝大多采用濕法制取，相比濕法，干法制取的脫硫劑活性更高，用量較少，推廣利用半徑更大。

4.2  鋼渣脫硫劑脫硫反應機理

根據鋼渣漿液脫硫后產物分析得到相應的反應產物，將鋼渣漿液脫硫反應過程分為3個階段^[3]：

第一階段：鋼渣漿液中有游離的氧化鈣與水發生反應生成氫氧化鈣，此時溶液的 pH值升高，而鋼渣礦物不會被水解。當鋼渣漿液與模擬的燒結煙氣中SO₂接觸后發生反應生成相應的亞硫酸鹽，而燒結煙氣中含有氧在鋼渣漿液中起到氧化作用，生成相應的硫酸鹽。隨著 SO₂的不斷通入，氫氧化鈣、氫氧化鎂等堿性物質逐漸被消耗，溶液的pH值下降，鋼渣礦物開始分解。

第二階段：鋼渣漿液在偏酸性環境下，其主要礦物硅酸二鈣(2CaO?SiO₂)、硅酸三鈣(3Ca O?SiO₂)、鈣鎂橄欖石(CaO?MgO?SiO₂)等物質開始水化分解，分解出的主要氧化物 CaO、Mg O 與 SO₂水溶液反應生成相應的硫酸鹽，與此同時亞硫酸鹽與溶解氧反應生成相應的硫酸鹽

第三階段：在酸性環境下，礦物分解出的氧化物與 SO₂水溶液反應完成后，SO₂繼續通入反應器中導致 pH值下降，這時FeO開始反應直到鋼渣中的物質被硫酸溶液吸收耗盡，反應停止。

4.4  包鋼鋼渣脫硫劑應用情況

鋼渣脫硫劑脫硫類似于石灰石-石膏法的干、濕法脫硫工藝，二者在流程設置上也比較相似，完全可以替代石灰石，但也有不同的地方，鋼渣中含有的部分金屬氧化物對其濕法脫硫的整個過程起到催化和促進作用不容忽視。

鋼渣法與石灰石法、石灰法的比較見表1。

表1 鋼渣法與石灰石法、石灰法的比較

包鋼自2015年開始開展鋼渣法脫硫應用試驗，先后在冶金、化工、火電及普通燃煤火爐等行業進行了工業試驗，脫硫系統運行平穩，脫硫效果顯著，已與部分企業形成長期合作。開展的工業試驗及應用情況見表2。

表2 包鋼復合礦物脫硫劑應用情況

通過開展試驗，鋼渣脫硫效率高于石灰石粉，對煙氣二氧化硫濃度變化的適應性強于石灰石粉，同等條件下，鋼渣脫硫漿液消耗量低于石灰石粉，即使在配加高硫礦的情況下，煙氣出口SO₂濃度仍能保證達標排放，脫硫效率保持在98%以上，并且脫硫系統能夠實現長期的穩定運行，對設備無額外負擔，終端價格適中。鋼渣法脫硫具有良好的經濟性和技術性，具有很好的推廣價值。

4.3  鋼渣脫硫劑脫硫的優勢

煙氣脫硫技術主要用于火力發電廠和鋼鐵行業燒結、球團廠的煙氣處理。現在采用的煙氣脫硫技術種類很多，但其中以石灰石——石膏法脫硫占比例最高。日本、德國、美國的火力發電廠采用的煙氣脫硫裝置約80%以上采用此工藝。該工藝優點是脫硫率高和脫硫劑利用率高，脫硫效率大于95%，運行穩定。缺點是石灰石－石膏濕法采用石灰石作吸收劑，而石灰石資源是一種不可再生的礦產資源，同時開采石灰石的礦山和地區的生態環境遭到破壞，并且恢復效果難以達到理想狀況；而且工藝流程較長，占地面積大，投資較高，運行費用高；同時脫硫石膏的供求狀況地域性差異大，中西部天然石膏儲量豐富造成天然石膏大量拋棄而無處堆放；石灰石——石膏濕法脫硫副產物CO₂氣體是典型的溫室氣體，雖脫除了SO₂但造成了大量溫室氣體排放，采用鋼渣脫硫劑脫硫，減少了CO₂排放，今后還可參與碳排放交易。鋼渣脫硫劑脫硫效率高，脫硫效率可以達到98%以上，可將現有脫硫裝置入口二氧化硫濃度提高20-30%，這樣能拓寬原燃料采購渠道，降低生產成本。利用鋼渣脫硫劑進行煙氣脫硫同時可在鋼渣堆存、運輸、管理、鹽堿地改良等方面產生潛在的經濟效益、環境效益和社會效益。

5   結語

鋼渣屬于大宗冶金固廢，鋼渣綜合利用需兼具量大、高效、環保等多項因素，并且還需考慮地域因素。經過多年的實踐研究，利用鋼渣生產脫硫劑用于煙氣脫硫是目前包頭地區解決鋼渣綜合利用較可行的科學方案。通過開展試驗，鋼渣脫硫效率高，完全可替代石灰石粉進行煙氣脫硫，并且對煙氣二氧化硫濃度變化的適應性強于石灰石粉，對設備無額外負擔，終端價格適中。國內石灰石礦產資源緊缺，急需其他產品代替石灰石進行煙氣脫硫。將鋼渣再加工用于煙氣脫硫，既有效減少了石灰石的開采，又合理的利用了資源，實現固廢循環利用。呼包鄂地區集中了大量工業企業，鋼鐵、鋁業、稀土、電力、煤化工等企業均需消耗大量的脫硫劑，用鋼渣生產脫硫劑在呼包鄂地區具有廣泛的市場前景，利用鋼渣生產的脫硫劑替代石灰石進行煙氣脫硫，對于綜合利用固廢、減少固廢產生、大幅降低采購成本、有效回收含鐵資源具有重要意義；同時脫硫副產物可進行堿化土壤改良，真正做到“以廢治廢”，“既能還藍天，又能還綠地”，可為包鋼以及行業實現循環經濟產業鏈創造良好的經濟效益、環境效益和社會效益。

參考文獻

[1]  王愛華.鋼渣的綜合利用研究[J].中國資源綜合利用,2009,27(12):8-9.

[2]  李冰,唐彪,王星磊.淺談鋼渣的綜合利用[J].建材與裝飾,2018(12):120-121.

[3]  張順雨,貴永亮,袁宏濤,宋春燕,王亞文.鋼渣用于燒結煙氣脫硫反應機理分析[J].鑄造技術,2016,37(12):2650-2653.