賈國良 樊康 賈宜川
目前，大宗工業固廢主要作為原材料或混合材料用于建材行業的水泥、混凝土等，是規模化利用工業固體廢棄物的主要技術和途徑，但總體來講，還處于低端的應用，高附加值技術得不到廣泛推廣，利用大宗工業固廢作為原材料制備高端產品的難度依然很大。水泥、混凝土等建材行業可以大量消納工業固廢，但由于受建材行業產能嚴重過剩的影響，大宗工業固廢在建材行業的規模化應用也受到很大限制，同時，隨著建材標準的提升，為保證產品性能和質量，水泥、混凝土生產過程中摻入的固廢量逐漸減少，特別是最近出臺的《硅酸鹽水泥》（GB175-2023），將鋼渣不再列入生產水泥采用的混合材料中，這就意味著今后鋼渣不能作為原材料用于生產水泥，將嚴重影響鋼渣資源化的綜合利用。
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熔渣，主要包括轉爐渣、電爐渣、鑄余渣、平爐渣等。每生產1t粗鋼，產生100~150kg的鋼渣，近年來我國鋼渣的年產生量基本維持或超過1億t。加之其資源化利用率低，導致每年有7000萬t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。
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。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。
通過查閱鋼渣處理及資源化利用文獻可知，我國鋼渣處理大體上經歷了3個階段。第1階段主要發生在1950年到1980年的30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0，長時間無序堆棄，造成土壤、水體、空氣的極大污染。第2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，部分尾渣用做道路材料。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。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3階段從2015年開始，這一階段的鋼渣經過處理后部分得到了資源化利用，但利用率也一直很低，2005年僅為10%左右，現在也只有30%左右。
1 鋼渣利用
根據鋼渣的特性可知，鋼渣含有金屬鐵和含鐵相、硅酸鹽類等膠凝活性物質。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，冷卻粒化后的鋼渣經過破碎、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＞85%的渣鋼，直接返回煉鋼。獲得鐵品位＞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，制備出不同性能的產品。對于鋼廠來講，固體廢棄物的鋼廠內循環是其追求的目標。但是由于鋼渣中僅含有20%~30%左右的含鐵相，超過70%的鋼渣尾渣不能在鋼廠內循環。
2）水泥制備
在硅酸鹽水泥中按一定比例摻入鋼渣粉可制備出鋼渣硅酸鹽水泥、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（GB13590）》、《低熱鋼渣礦渣水泥（YB/T057）》、《鋼渣道路水泥（YB4098）》、《鋼渣砌筑水泥（YB4099）》的標準和產品。由于摻鋼渣的水泥自身性能特性，其只能用于要求較低的建筑物，目前新出臺的《硅酸鹽水泥》（GB175-2023）更是不利于鋼渣在水泥中的利用。
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。用做道路材料是大量消納鋼渣的一種有效途徑，但隨著時間的延長，鋼渣中f-CaO的會慢慢消解，導致地基開裂，出現安全事故。
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。鋼渣用做骨料制備鋼渣磚，會導致磚體開裂粉化，破壞鋼渣磚強度，引發安全事故。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。
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技術及裝備有待突破。在鋼渣處理過程中，不同企業采取的工藝技術和水平存在一定差別，部分企業處理后的鋼渣存在游離鈣鎂氧化物超標，鋼渣安定性不合格的問題。使用安定性不達標的鋼渣用于道路、房屋等建設，就會出現道路、地面、磚開裂等一系列問題。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，對于用鋼渣制備的產品，客戶還缺乏足夠的認識，接受度較差。另外，鋼渣的資源化利用往往是跨行業領域，即鋼渣是鋼鐵行業固廢，而實際應用客戶往往是建筑、交通等行業，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、風淬等工藝進行了處理，但這些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。
雖然鋼渣資源化利用的技術也不少，但其大批量規模化應用的主要是用于膠凝材料的生產，產品附加值低，受水泥行業市場行情上下波動，導致鋼渣資源化利用的經濟效益較差。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。《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》明確指出，到2025年，鋼渣等大宗固廢的綜合利用能力顯著提升，利用規模不斷擴大，新增大宗固廢綜合利用率達到60%，存量大宗固廢有序減少。因此，作為大宗固體廢棄物之一的鋼渣的資源化利用刻不容緩。
從前面的分析可以知道，鋼渣是熱、鐵和硅酸鹽物質的載體，其資源化利用既包括熱能的利用也包括物質的利用，筆者認為利用鋼渣熱量對其進行還原改性回收鐵和尾渣、同時回收鋼渣余熱和利用鋼渣特性對鋼鐵企業的CO2進行捕獲是未來鋼渣處理和資源化利用比較有前景方向。
（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）高溫鋼渣余熱回收：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。但上述工藝僅停留在實驗室階段或由于各種原因運行幾年后而停滯。
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。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。
從上述分析可知，實現高溫鋼渣“熱”“鐵”“渣”全部資源化利用的最優工藝是利用熔融鋼渣自身熱量，進行熔融鋼渣的還原改性，分離鐵和尾渣。其中鐵在鋼廠內循環；高溫尾渣采用合適的工藝技術（如連鑄-連軋”干式粒化和余熱鍋爐工藝）進行余熱回收，冷卻后的尾渣用于制備高附加值產品。筆者認為這是未來鋼渣處理的最優路徑，因為這既實現了鋼渣余熱的利用和回收，又實現了鐵和尾渣的綜合利用，提高鋼渣的資源化利用，助力“雙碳”目標的實現。
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，同時應加強鋼渣余熱回收方面的研究和投入，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。未來鋼渣處理的最優路徑是先對鋼渣進行還原改性回收鐵，然后采用連鑄-連軋”干式粒化和余熱鍋爐等工藝對高溫尾渣進行余熱回收，最后對冷卻后的尾渣進行資源化高附加值利用，這可以實現熔融鋼渣“熱”“鐵”和“渣”的全部資源化利用。