吳 龍  王會剛  

（1鋼鐵工業環境保護國家重點實驗室，北京 100088；2中冶節能環保有限責任公司，北京100088；3中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

摘要：鋼渣是煉鋼過程排放的固廢，具有年產量大、溫度高、化學組成復雜、硬度高和安定性不良等特點。在“雙碳”目標下，其處理和資源化利用再次受到關注。針對鋼渣特點，本文對國內外鋼渣處理利用情況進行了綜述，指出現有處理工藝和資源化利用途徑的問題。并針對“雙碳”目標下鋼渣的資源化利用途徑進行了探討，提出鋼渣余熱回收、熔融鋼渣還原改性和CO₂捕獲是未來鋼渣處理方向和路徑。

關鍵詞：鋼渣處理；“雙碳”目標；資源化利用；途徑探討

0  引言

鋼鐵工業是龐大的重工業部門，是發展國民經濟與國防建設的物質基礎。鋼鐵工業也是資源密集、能耗密集、排放密集型產業。它主要以鐵礦石為原料，輔以煤炭、水、氧氣等，并借助電力、熱力等能量輸入，生產出鋼材、鐵制品以及副產物等一系列產品的生產工藝。我國粗鋼產量占全球半壁江山已持續超過20年，圖1給出了從2010年到2020年我國粗鋼和生鐵產量。可以看出2015年至今，中國粗鋼產量已累計增長近25%。數據顯示，2019年我國的二氧化碳排放量達到98.26億噸，占全球比例的28.76%，是全球最大的排碳經濟體。其中，鋼鐵行業碳排放占比全國碳排放量的18%，是除發電之外的整個生產活動中，碳排放量最高的行業。

2020年9月22日，在聯合國氣候大會上，習總書記首次承諾“我國的二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。在“碳達峰、碳中和”目標下，鋼鐵行業減碳工作是重中之重。為此，2021年1月20日，中國寶武鋼鐵集團有限公司公布其“碳達峰”“碳中和”時間表——“力爭2023年實現二氧化碳排放達到峰值，2025年具備減碳30%工藝技術能力，2035年力爭減碳30%，2050年實現‘碳中和’”。

當前，在我國鋼鐵工業的冶煉技術和能源結構還未發生革命性突破的階段，促進鋼鐵行業減碳目標的重要途徑是推進二次資源的循環利用。鋼鐵企業的二次資源主要包括固廢、廢水、廢氣，俗稱“三廢”。到目前為止，我國鋼鐵企業生產中新水用量、外排廢水量和生產水重復利用率等指標明顯改善，鋼廠廢水重復利用率高達99%。廢氣中主要污染物排放指標明顯改善，噸鋼工業粉塵、COD排放、SO₂和NO_x濃度滿足國家標準。但是鋼鐵固廢資源化利用率一直沒有大的突破，尤其是鋼渣。近年來，鋼渣的資源化利用率一直低于30%^[1-4]。如果實現其資源化利用的大幅提高，必將對“雙碳”目標的實現貢獻極大助力。

1  鋼渣的產生及特性

鋼渣是轉爐、電爐、精煉爐熔煉過程中排出的由金屬原料中的雜質與助熔劑、爐襯形成的以硅酸鹽、鐵酸鹽、氧化物為主要成分的渣（GB/T 51387-2019），主要包括轉爐渣、電爐渣、鑄余渣、平爐渣等。每生產1 t粗鋼，就會產生100-150 kg的鋼渣。近年來我國鋼渣的年產生量基本維持或超過1億噸。加之其資源化利用率一直不高，導致每年有7000萬噸左右的鋼渣堆棄。這不僅占用大量土地，也會造成土壤、空氣、水體的污染^{[5, 6]}。

鋼渣的出渣溫度高達1400~1600 ℃，蘊含著大量的熱能。熔融鋼渣的比熱容約為1.2 kJ/(kg·℃)，如果回收熱量前后熔渣的溫度分別以1400 ℃和500 ℃計，則每噸鋼渣可回收1.2 GJ的顯熱，大約相當于41 kg標準煤完全燃燒后所產生的熱量^[7]。假如全國鋼廠產生的鋼渣的顯熱都加以回收利用的話，中國每年至少可節省490萬噸標準煤。即使按50％的余熱回收率考慮，全國范圍內回收鋼渣顯熱的節能量將達到近250萬噸標準煤。另外，若將鋼渣產生的熱能按60%回收，將回收的熱能轉換成電能，按1 GJ熱能可轉化成277 kW•h的電能，電能以0.53元/kW•h的價格核算，全年的節能效益約127億元。

鋼渣主要由Ca、Si、Fe、Mn、Al、Mg、P、O等組成，其礦相主要包括硅酸二鈣（C₂S）、硅酸三鈣（C₃S）、RO（R代表鎂、鐵、錳的氧化物所形成的固熔體）、鐵酸二鈣（C₂F）、自由氧化鈣（f-CaO）、金屬鐵（MFe）等^[8-10]。由于鋼渣含有金屬鐵，使得鋼渣可以作為鐵資源回收的物質；由于含有C₃S、C₂S及鐵鋁酸鹽等礦相，使得鋼渣具有一定的膠凝活性，具有膠凝材料使用價值。

鋼渣化學組成不同，導致鋼渣的性質也有差異。堿度較低的鋼渣呈灰色，堿度較高的鋼渣呈褐灰色、灰白色。鋼渣松散不易粘結，質地堅硬密實。鋼渣密度為3.0~3.5 g/cm³，由于含鐵導致其較難磨。易磨指數為0.7（標準砂為1）。鋼渣有較好的抗壓性能，壓碎值為20%~32%。

綜上，如果能夠實現鋼渣余熱、鐵資源、尾渣的回收利用，是實現鋼鐵企業節能減排、增效降碳的重要手段，助力“雙碳”目標實現。

2  國外鋼渣資源化利用

表1 國外主要國家鋼渣利用途徑

Table 1  Utilization ways of steel slag in major foreign countries

作為鋼廠一種產量大、溫度高、資源化利用潛力大的二次資源，目前國外的鋼渣利用途徑主要有以下兩個途徑：一種途徑是回收的渣鋼或磁選粉在鋼廠內循環；另一個途徑是尾渣用于道路或建材^{[11, 12]}。其他利用途徑包括土壤修復、高附加值材料制備等，這些利用途徑消納鋼渣量很少。國外主要國家鋼渣利用途徑及各途徑利用占比如表1和圖2所示^{[1, 13]}。

表1表明日本、德國和美國鋼渣利用率很高，均已超過95%。具體而言，日本鋼渣的主要利用途徑包括外銷、自用和填埋。德國的鋼渣主要用于土木建筑、磷肥和鋼廠內循環。美國的鋼渣利用率已經超過98%，其中用于燒結和高爐再利用、筑路方面利用的鋼渣用量占總鋼渣利用量的65%以上瑞典通過鋼渣改性技術，即向熔融鋼渣中加入還原劑、硅/鋁質材料對鋼渣進行物相調控和重構，使其與水泥成分接近，之后用于水泥的生產。加拿大處理后的鋼渣主要用于道路建設。阿拉伯地區利用電爐鋼渣作為混凝土摻合料配制出屬性更好的混凝土。

圖2  歐洲鋼渣各利用途徑占比

Figure 2  Percentage of steel slag utilization in Europe

3  我國鋼渣的處理和利用

3.1  鋼渣處理

通過查閱鋼渣處理及資源化利用文獻^[1]，我國鋼渣處理大體上經過了三個階段，如表2所示。第一階段主要發生在1950年到1980年的三十年時間里，這一階段，鋼渣產出后被直接堆棄在渣場。由于其資源化利用率幾乎為零，長時間的堆棄，形成渣山。由于鋼渣的無序堆棄，造成土壤、水體、空氣的極大污染。第二階段主要發生在1980年到2005年的二十多年的時間里。這一階段，鋼渣通過簡單的手動或機械磁選回收渣鋼用于煉鋼，部分尾渣用于回填和道路。由于缺乏成熟的鋼渣處理技術和必要的標準，導致鋼渣使用中問題頻出^[14]。如寶鋼上世紀80年代在室內體育館的建設過程中使用了鋼渣，導致了地基的開裂。第三階段從2015年開始，是鋼渣處理及處理后鋼渣的利用階段。但這個階段鋼渣的利用率也一直很低，2005年僅為10%左右，現在也只有30%左右。

表2  鋼渣利用階段劃分表

Table 2 Stage division table of steel slag utilization

造成鋼渣利用率低的原因是鋼渣中含有的f-CaO比較高，其遇水膨脹，導致構筑物開裂，這是造成其低利用率最主要的原因。所以，要提高鋼渣利用率，首先應降低鋼渣中f-CaO含量。為此，冶金工作者開發了多種鋼渣一次處理技術，主要包括常壓池式熱悶、熔融鋼渣罐式有壓熱悶、冷態鋼渣蒸汽陳化、熱潑、滾筒粒化、風淬等技術。這幾種鋼渣處理技術特點如表3所示，目前我國大多數鋼鐵企業采用的是常壓池式熱悶和熔融鋼渣罐式有壓熱悶工藝來處理鋼渣。其中2012年以后，新建的鋼渣處理生產線主要采用的是熔融鋼渣罐式有壓熱悶工藝。該工藝的主要特點包括處理周期短，與現代煉鋼節奏匹配；處理過程自動化程度高；處理過程煙氣有組織排放，運行過程環保達標；粉化率高，便于后續破碎篩分磁選。多大說國有鋼鐵企業和先進的私有鋼鐵企業均采用了該工藝，如寶鋼、武鋼、河鋼、中天、鑌鑫等鋼鐵企業。熱潑法主要應用于小型的私有企業，屬于落后淘汰的工藝。風淬法工藝主要在馬鋼和石崗應用，滾筒法工藝主要在寶鋼和馬鋼應用^[15]。冷態鋼渣蒸汽陳化法是日本處理鋼渣的工藝。

表3  鋼渣處理技術及特點

Table 3  Steel slag treatment technology and characteristics

3.2  鋼渣利用

根據第2部分鋼渣的特性可知，鋼渣含有金屬鐵和含鐵相、硅酸鹽類等教您活性物質。所以，我國的鋼渣利用主要圍繞這兩個特點進行。

1）鋼廠內循環

在冶煉造渣過程，鋼渣在鋼液表面處于噴濺狀態，有部分鋼液以鋼珠形態和鋼渣粘附包裹在一起，隨渣排出。所以，鋼渣中含有約5%~10%的金屬鐵以及20%左右的含鐵相。所以，粒化冷卻后的鋼渣經過破碎、篩分、磁選選出渣鋼和磁選粉。通過工藝控制可以獲得鐵品位大于85%的渣鋼，直接返回煉鋼。獲得鐵品位大于40%磁選粉，可直接返回燒結使用。同時獲得金屬鐵低于2%的尾渣，根據產品性能要求，通過不同的處理手段，這部分尾渣被制備出不同性能的制品。

2）水泥制備

在硅酸鹽水泥中按一定比例摻入鋼渣粉制成鋼渣硅酸鹽水泥、低熱鋼渣水泥、鋼渣道路水泥等水泥品種。目前我國已有《鋼渣硅酸鹽水泥（GB 13590）》、《低熱鋼渣礦渣水泥（YB/T 057）》、《鋼渣道路水泥（YB 4098）》、《鋼渣砌筑水泥（YB 4099）》的標準和產品。

3）道路用材料

由于鋼渣擁有較高耐磨性和硬度，處理后安定性良好的鋼渣尾渣可用于道路墊層、基層和面層，也可作瀝青混凝土路面，提高公路抗壓、抗折強度，改變公路抗彎沉性能。

4）鋼渣磚制備

經穩定化處理后的鋼渣和粒化高爐礦渣為主要原料摻入少量激發劑可產生建筑用磚，地面磚和砌塊等建筑材料，其強度和耐久性高于粘土磚。

盡管鋼渣利用途徑較多，但是我國鋼渣的資源化利用率還不到30%，導致我國在鋼渣資源化利用方面壓力較大。

4  鋼渣資源化利用緊迫性和利用途徑探討

4.1  鋼渣管理和利用相關政策

近年來，為了促進鋼渣等大宗固廢的資源化利用，我國出臺了系列政策文件及法律法規。如2001年發布了《一般工業固體廢物貯存、處置場污染控制標準》，規定了鋼渣貯存應該遵循的準則。2016年發布的《中國鋼鐵工業環境保護白皮》書分析了鋼渣綜合利用方向。2018年出臺的《循環經濟促進法》提出要促進循環經濟發展，提高資源利用效率，保護和改善環境，實現可持續發展。同年出臺的《環境保護稅法》規定從2018年1月1日期對堆存的鋼渣征收每噸25元的稅費。《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》指出，十四五期間將大力推進鋼鐵渣綜合利用工作，大宗固廢的綜合利用能力顯著提升，利用規模不斷擴大。2021年2月國務院發布《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》，提出“大力發展再制造產業，加強再制造產品認證與推廣應用。建設資源綜合利用基地，促進工業固體廢物綜合利用。”從國家發布的一系列法律法規、標準和規劃可以看出，鋼渣等大宗固體廢棄物的資源化利用依舊面臨重大挑戰，其突出表現就是資源化利用率不高。所以，國家通過法律手段倒逼鋼鐵企業采取合適的工藝處理和利用鋼渣，提高鋼渣整體利用率，避免資源浪費和環境污染。同時，作為鋼鐵研究機構或企業，也應該加強鋼渣處理及利用工藝的研發，助力國家目標的完成以及“雙碳”目標的實現。

4.2  鋼渣利用途徑探討

1）鋼渣處理利用存在問題

作為鋼廠產量較大的一種二次資源，鋼渣有作為鐵回收、尾渣利用和熱能回收的潛力。但目前的鋼渣處理工藝和資源化利用途徑只關注了鋼渣物質的回收，如渣鋼、磁選粉、尾渣。但在高溫冶金渣余熱余能的高效轉化、余熱余能回收的高效利用方面關注度不夠，特別是高溫鋼渣余熱回收潛力依然很大，余熱回收技術及裝備有待突破。

在鋼渣處理過程中，不同企業處理工藝條件和技術水平存在一定的差別，部分企業處理后的鋼渣存在游離鈣鎂氧化物超標問題，鋼渣安定性不合格。使用安定性不達標的鋼渣用于道路、房屋等建設，出現道路、地面、磚開裂等問題。這些失敗的案例對企業自身帶來了經濟損失，更為鋼渣的資源化利用造成了十分嚴重的負面影響。同時，我國循環經濟發展處于起步階段，對于鋼渣等固廢資源化利用的產品，客戶還缺乏足夠的認識，接受度差。鋼渣的資源化利用往往是跨行業領域的應用，鋼渣是鋼鐵行業的固廢，而實際應用客戶往往是建筑、交通等領域。導致鋼渣產品的市場認可度差。

鋼渣制品附加值低，資源綜合利用缺乏可操作的政策支持等也是導致鋼渣資源化利用受限的重要原因。

2）鋼渣資源化利用途徑探討

目前，國內約50%的鋼鐵企業仍采用落后的熱潑工藝，環保不達標，處理后鋼渣安定性差，導致鋼渣尾渣產品存在體積膨脹開裂等問題，資源化利用水平低。盡管剩余的50%左右的鋼渣經過罐式有壓熱悶、池式熱悶、滾筒、風淬等處理工藝進行了處理，但這些處理工藝處理的著力點都是基于鋼渣粒化和f-CaO的消解，便于后續的破碎篩分磁選，得到渣鋼、磁選粉和尾渣。

雖然鋼渣的資源化利用技術也較多，但大批量規模化應用的主要是水泥的生產和充當膠凝材料。目前鋼渣的資源化利用經濟效益較差，產品附加值低，受水泥行業市場行情上下波動，也因地域不同而具有較大的差異。在當前雙碳目標下，急需對鋼渣處理新技術和資源化利用途徑進行探討和優化。作者認為熔融鋼渣還原改性、余熱回收和CO₂捕獲是未來鋼渣處理和資源化利用中比較有前景工藝方向。

（1）熔融鋼渣還原改性：利用鋼渣自身溫度高（1600 ℃）的特點，向其中加入還原劑，進行熔渣鋼渣的還原改性，實現鐵的還原和尾渣物相的重構。這種工藝可以實現鋼渣中“熱”、“鐵”、“渣”的綜合利用。其中，“熱”的利用是指采用鋼渣出爐時的顯熱為鋼渣中鐵的還原和物相重構提供熱量；“鐵”的利用是指將鋼渣中的5%~30%左右的鐵氧化物還原成金屬鐵并回收利用；“渣”的利用是指根據目標產品的不同，通過不同改性材料重構鋼渣物相，制備出高附加值制品，如微晶玻璃、保溫材料、巖棉等。

（2）高溫余熱回收：目前，文獻報告的鋼渣余熱回收技術有風淬法余熱回收、雙內冷轉筒粒化熱能回收、機械攪拌法余熱回收、“連鑄－連軋”干式粒化和余熱鍋爐熔渣熱能回收、離心法余熱回收等工藝^[16]。但上述工藝僅停留在實驗室階段或是運行幾年后由于各種原因而停滯。總之，國內外在鋼渣余熱回收技術上還沒有重大突破。但是從余熱回收工藝可以看出，要想實現余熱的回收，首先需要將鋼渣進行粒化，然后再采用合適的換熱介質與鋼渣進行充分換熱，從而達到鋼渣余熱回收的目的。如現在的熔融鋼渣罐式有壓熱悶工藝，通過鋼渣與水換熱，獲得具有一定溫度和壓力的水蒸氣來實現鋼渣余熱的回收。還有日本學者報道的，粒化后的鋼渣與空氣進行熱交換，獲得一定溫度的高溫空氣從而實現高溫鋼渣的余熱回收。在“雙碳”目標下，高溫鋼渣余熱回收必將是未來鋼渣處理利用的重要方向。

（3）CO₂捕獲：其實質是利用CO₂與鋼渣中含有的游離的CaO和MgO發生反應，生成碳酸鹽^{[17, 18]}。這不僅可以實現鋼渣中物相的重構，還捕獲了CO₂，使其固定于鋼渣中。目前，鋼渣用于CO₂捕獲的方法主要包括濕法和干法，盡管現在多處于研究階段，但在“雙碳”背景下，未來有關這方面的研究可能將會大量涌現。

5  結論與展望

在“雙碳”目標下，鋼鐵企業會越來越重視鋼渣的處理與利用工作。對比現有國內外鋼渣處理技術可以發現，這些工藝都沒有實現鋼渣余熱的回收和利用。并且其產品附加值不高，建材化產品市場認可度差。在“雙碳”背景和目標下，應該加強鋼渣余熱回收方面的研究合投入，關注鋼渣新型處理工藝開發和高附加值產品制備，以期實現“熱”、“鐵”和“渣”的全部資源化利用。

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