徐軍，喬軍

(中冶南方工程技術(shù)有限公司  湖北 武漢 430223)

摘要：經(jīng)過多年發(fā)展，我國鋼鐵工業(yè)固廢綜合利用率取得較大進(jìn)展，多數(shù)固體廢物實(shí)現(xiàn)了資源回收及綜合利用，但鋼渣及含鋅塵泥未能找到合適綜合處理途徑。本文分析了鋼渣、含鋅塵泥處理現(xiàn)狀，針對鋼渣活化改性、安定性改善及塵泥脫鋅工藝進(jìn)行分析比較。

關(guān)鍵詞：鋼鐵固廢；鋼渣；含鋅塵泥；綜合利用。

鋼鐵行業(yè)是典型的資源、 能源密集型工業(yè)，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)在消耗大量資源的同時產(chǎn)生大量的廢棄物，據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵行業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量占工業(yè)固廢總量超過18%，鋼鐵長流程工序噸鋼固廢產(chǎn)生量超過600kg，綜合利用率維持在70%左右^[1]，多數(shù)固體廢物實(shí)現(xiàn)了資源回收及綜合利用，但鋼渣、含鋅塵泥的綜合處理一直困擾著企業(yè)。目前，鋼渣資源化利用主要方式是回收其中的金屬鐵、將尾渣深加工，但尾渣綜合性能差、處理難度大，大量尾渣堆存在鋼鐵企業(yè)內(nèi)無法處理。含鐵塵泥主要利用方式為回配返燒結(jié)、煉鋼工序，雖然實(shí)現(xiàn)了資源回收，但金屬鋅等有害元素的循環(huán)富集對企業(yè)正常運(yùn)行埋下隱患。

加強(qiáng)對鋼渣、含鋅塵泥等固廢的資源化利用，使鋼鐵行業(yè)達(dá)到“全利用、零排放”的環(huán)保目標(biāo)，不僅有利于保護(hù)環(huán)境，還可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，是企業(yè)貫徹國家綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然選擇和不可或缺的保障工作。

1、利用現(xiàn)狀

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)廢渣，根據(jù)工序不同，可分為脫硫、轉(zhuǎn)爐、鑄余、電爐渣等，每生產(chǎn)1t鋼能產(chǎn)生100~150kg鋼渣。鋼渣利用的主要方式是回收其中的金屬鐵和渣鐵，渣鋼、磁性粉分別返煉鋼、燒結(jié)工序，尾渣用于水泥生料及混合料、工程回填、混凝土摻合料等，如圖1所示。為提高尾渣利用率，部分鋼鐵企業(yè)建立了鋼渣微粉生產(chǎn)線，將尾渣粉磨成合格粒度鋼渣微粉與水泥熟料混合制備水泥。但尾渣綜合利用率仍處于較低水平，大量尾渣堆存在企業(yè)周邊，成為鋼鐵企業(yè)亟待解決的環(huán)保問題。

圖1：鋼渣處理產(chǎn)品大綱及用途

含鐵塵泥指燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序除塵過程收集的顆粒物，塵泥量一般為鋼產(chǎn)量的8%~12%。含鐵塵泥根據(jù)各工序不同，成分差異性較大，普遍含有30%以上的有價Fe元素，具有巨大的資源化利用潛力。目前，含鐵塵泥大部分返回?zé)Y(jié)配料，部分冷壓球團(tuán)加工后返煉鋼作為冷卻劑和造渣劑使用等，雖然基本實(shí)現(xiàn)了資源化利用，但由于含鐵塵泥品位差別較大、且含有有害雜質(zhì)，長期直接循環(huán)使用會造成燒結(jié)礦鐵品位降低、有害雜質(zhì)含量提高，導(dǎo)致爐襯壽命和高爐利用系數(shù)降低。實(shí)際生產(chǎn)過程中需結(jié)合塵泥不同成分，采取針對工藝，充分挖掘資源價值。

圖2：含鐵塵泥特性及資源化方向

越來越多企業(yè)重視到Zn＞2%除塵灰循環(huán)利用會明顯增加高爐的鋅負(fù)荷，影響高爐穩(wěn)定生產(chǎn)^[2]。部分企業(yè)配置了脫鋅處理線，但綜合處理費(fèi)用較高，未能實(shí)現(xiàn)工藝大規(guī)模化應(yīng)用。如何科學(xué)合理的處理含鋅塵泥是目前鋼鐵企業(yè)研究和關(guān)注的重點(diǎn)課題。

2 發(fā)展探討

2.1 鋼渣尾渣

鋼渣尾渣是鋼渣經(jīng)破碎、磁選將含鐵量較高渣回收后剩余的低磁性廢渣，鋼渣經(jīng)處理后中尾渣量占比70~80%。尾渣主要成分及特性見表-1。

表1：鋼渣尾渣成分主要成分構(gòu)成及礦物特性

鋼渣尾渣具有三個特征：1）膠凝活性低。相較于高爐礦渣，鋼渣內(nèi)有效膠凝成分含量占比低，礦物內(nèi)晶體致密、粗大，尾渣綜合膠凝活性較低；2）難磨性。尾渣中含有部分金屬鐵以及鐵氧化物，易磨性差，加工能耗高；3）安定性不良。內(nèi)部含有較高含量的f-CaO，完全水化時間長，水化膨脹造成體積安定性的隱患。上述特征制約了鋼渣尾渣的資源化利用，目前，尾渣綜合利用率不足40%，且多為附加值應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)尾渣資源化利用，需要在鋼渣活化改性、安定性改善方面實(shí)現(xiàn)突破。

1）活化改性

尾渣具有與普通硅酸鹽水泥相似的化學(xué)成分及礦物組成，具有很大的活性潛力，為改善尾渣活性，提高利用率，眾多機(jī)構(gòu)針對尾渣特性開展針對性活化改性研究，力求尋找破解尾渣綜合處理難現(xiàn)狀。主要方法包括：化學(xué)激發(fā)活化、物理磨細(xì)活化、相分離活化及高溫重構(gòu)，主要特點(diǎn)見圖3。

圖3：鋼渣活化改性工藝及特點(diǎn)

雖然活化改性工藝眾多，但大多還是停留在實(shí)驗(yàn)研究階段，僅物理磨細(xì)等少量工藝實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。此外，構(gòu)建基于單一工藝的多工藝協(xié)同處理法得到了越來越多關(guān)注，如鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)建成鋼渣微粉加工線采用“物理磨細(xì)+相分離”工藝在傳統(tǒng)磨粉基礎(chǔ)上增加RO相分選工藝，可降低加工成本，有效提高鋼渣微粉活性。

2）安定性改善

尾渣內(nèi)部存在一定量的f-CaO、f-MgO，這些氧化物遇水后會在很長時間內(nèi)持續(xù)水化并發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致尾渣制備道路、建材養(yǎng)護(hù)過程中的長期安定性極差，易發(fā)生磚體開裂，嚴(yán)重制約鋼渣在建材領(lǐng)域的使用。

采取合適的鋼渣預(yù)處理方式，可在保證其礦物活性不降低的前提下，有效降低f-CaO、f-MgO含量，使其含量處于體積穩(wěn)定性良好的可控范圍，有效促進(jìn)鋼渣建材資源化利用。現(xiàn)有的鋼渣預(yù)處理工藝包括冷棄法、水淬法、風(fēng)淬法、熱潑法、淺盤法、滾筒法、粒化輪法和熱燜法等。其中，應(yīng)用最廣泛、對安定性提高最有效的方法是滾筒法、熱燜法，主要特點(diǎn)見圖4。

圖4：鋼渣預(yù)處理工藝及特點(diǎn)

除了傳統(tǒng)鋼渣預(yù)處理措施改善鋼渣安定性外，近些年開展研究的高溫重構(gòu)和化學(xué)碳化處理工藝對鋼渣安定性改善起到一定效果。趙海晉等^[3]利用粉煤灰來對鋼渣進(jìn)行高溫重構(gòu)改性，粉煤灰中的硅鋁質(zhì)玻璃體在高溫下會重新熔融，吸收鋼渣中的f-CaO，使重構(gòu)鋼渣體積安定性提高。張豐等^[4]研究了化學(xué)碳化對鋼渣穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明: CO₂可與鋼渣中f-CaO、f-MgO發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)碳酸鹽，從而消除安定性隱患。

采用熱燜工藝處理，將尾渣粉磨成微粉后安定性能夠得到根本的改善，有效拓展鋼渣資源化利用。但鋼渣粒度大于1mm顆粒原則上其膨脹化的概率永遠(yuǎn)不會等于零，鋼渣資源利用途徑中需要避免作為骨料制備結(jié)構(gòu)混凝土。

2.2 含鋅塵泥

含鋅塵泥主要包括高爐煤氣凈化過程中收集的粉塵或塵泥，轉(zhuǎn)爐、電爐煙氣收集的粉塵等，噸鋼產(chǎn)生量20~40kg。含鋅塵泥簡單回配燒結(jié)會造成鋅的循環(huán)富集，影響高爐和燒結(jié)機(jī)使用壽命。《鋼鐵工業(yè)含鐵塵泥回收及利用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 28292-2012）規(guī)定，鋅含量>1%的中鋅含鐵塵泥需進(jìn)行脫鋅處理后再返回鋼鐵生產(chǎn)工藝，含鋅塵泥的脫鋅處理工藝主要有物理法、濕法、火法，主要特點(diǎn)見圖5。

圖5：含鋅塵泥分類及特點(diǎn)

鋼鐵企業(yè)內(nèi)含鋅塵泥一般為中鋅塵泥，適用于火法脫鋅處理工藝。目前，回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐工藝應(yīng)用最廣泛。

1）回轉(zhuǎn)窯

回轉(zhuǎn)窯法是把鋼鐵廠內(nèi)各種來源的廢料經(jīng)過預(yù)處理，然后同還原劑混合送入還原窯，窯內(nèi)爐料被加熱裝置加熱至一定溫度使得廢料中的鐵和鋅的氧化物被還原，這些鋅在窯溫下蒸發(fā)并與排出的煙氣一起離開回轉(zhuǎn)窯，經(jīng)過收集裝置富集鋅。

回轉(zhuǎn)窯工藝在國內(nèi)應(yīng)用較廣泛，具有工藝成熟、投資成本較低、設(shè)備運(yùn)行簡單等優(yōu)點(diǎn)。但存在生產(chǎn)過程中窯內(nèi)高溫段易結(jié)圈、工序能耗大、產(chǎn)品質(zhì)量低等缺點(diǎn)。

2）轉(zhuǎn)底爐

轉(zhuǎn)底爐工藝是將含鋅塵泥、碳粉和粘結(jié)劑混合造球。生球經(jīng)烘干后置于轉(zhuǎn)底爐內(nèi)加熱至氧化鋅被還原，還原出的鋅被蒸發(fā)并隨煙氣一起排出，經(jīng)冷卻系統(tǒng)時被氧化成細(xì)小的固體顆粒而沉積在除塵器內(nèi)，最終產(chǎn)物DRI（直接還原鐵）可直接返回鋼鐵生產(chǎn)。

轉(zhuǎn)底爐具有原料適應(yīng)性好、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)包括：原燃料中的硫未能在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)有效脫除，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品中硫含量普遍較高；在還原的過程中較易發(fā)生二次氧化從而使得產(chǎn)品的質(zhì)量即金屬化率降低。

3）工藝比較

如圖6所示，轉(zhuǎn)底爐工藝在原料適用性、產(chǎn)品質(zhì)量及環(huán)保效果上具有一定的優(yōu)勢，回轉(zhuǎn)窯工藝在技術(shù)成熟度、原料制備工序及工程投資等方面占優(yōu)。

圖6：回轉(zhuǎn)窯與轉(zhuǎn)底爐工藝比較

當(dāng)前，轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯工藝因現(xiàn)工藝存在的不足，綜合處理費(fèi)用較高，未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。基于此，眾多研究機(jī)構(gòu)在探索含鋅塵泥處理新工藝，如北京科技大學(xué)^[5]等機(jī)構(gòu)提出的熔融還原電爐工藝處理含鋅塵泥，與現(xiàn)有火法處理工藝相比，新工藝原燃料適應(yīng)性廣，污染少，能耗較低、生產(chǎn)成本較低，具有一定的商業(yè)價值。

3 結(jié)論

鋼鐵企業(yè)固廢正在經(jīng)歷資源處理向資源高價值利用轉(zhuǎn)變階段，在提高源利用率的基礎(chǔ)上，如何充分利用固廢有價資源成為企業(yè)綠色發(fā)展前提。鋼渣和含鋅塵泥綜合處理問題已成為鋼鐵企業(yè)亟待攻克的難題，需要更多機(jī)構(gòu)、學(xué)者加強(qiáng)針對性研究，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)突破。

1）鋼渣應(yīng)加速破解資源化利用低現(xiàn)狀，重點(diǎn)拓展建材化應(yīng)用方向，加強(qiáng)針對尾渣活化改性、安定性改善研究；

2）中高鋅塵泥循環(huán)使用前需要進(jìn)行脫鋅處理及鋅粉回收，轉(zhuǎn)底爐工藝在環(huán)保節(jié)能等方面有一定優(yōu)勢，值得大力推廣使用。熔融還原工藝原燃料適應(yīng)性廣、處理能力大，具有一定研究價值。

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