賈國良 樊康 賈宜川
目前，大宗工業(yè)固廢主要作為原材料或混合材料用于建材行業(yè)的水泥、混凝土等，是規(guī)模化利用工業(yè)固體廢棄物的主要技術(shù)和途徑，但總體來講，還處于低端的應(yīng)用，高附加值技術(shù)得不到廣泛推廣，利用大宗工業(yè)固廢作為原材料制備高端產(chǎn)品的難度依然很大。水泥、混凝土等建材行業(yè)可以大量消納工業(yè)固廢，但由于受建材行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的影響，大宗工業(yè)固廢在建材行業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用也受到很大限制，同時，隨著建材標(biāo)準(zhǔn)的提升，為保證產(chǎn)品性能和質(zhì)量，水泥、混凝土生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)水泥，將嚴(yán)重影響鋼渣資源化的綜合利用。
鋼渣是轉(zhuǎn)爐、電爐、精煉爐熔煉過程中排出的由金屬原料中的雜質(zhì)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(zhuǎn)爐渣、電爐渣、鑄余渣、平爐渣等。每生產(chǎn)1t粗鋼，產(chǎn)生100~150kg的鋼渣，近年來我國鋼渣的年產(chǎn)生量基本維持或超過1億t。加之其資源化利用率低，導(dǎo)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(zhì)；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(jīng)歷了3個階段。第1階段主要發(fā)生在1950年到1980年的30年時間里，這一階段，鋼渣產(chǎn)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(fā)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(shù)和必要的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鋼渣使用中問題頻出。如寶鋼上世紀(jì)80年代在室內(nèi)體育館的建設(shè)過程中使用了鋼渣，導(dǎo)致了地基的開裂。第3階段從2015年開始，這一階段的鋼渣經(jīng)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(xiàn)在也只有30%左右。
1 鋼渣利用
根據(jù)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(zhì)。所以，我國的鋼渣利用主要圍繞這兩個特點進行。
1）鋼廠內(nèi)循環(huán)
在冶煉造渣過程，鋼渣在鋼液表面處于噴濺狀態(tài)，有部分鋼液以鋼珠形態(tài)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?；蟮匿撛?jīng)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?zé)掍?。獲得鐵品位＞40%磁選粉，可直接返回?zé)Y(jié)使用。同時獲得金屬鐵低于2%的尾渣，根據(jù)產(chǎn)品性能要求，通過不同的處理手段，制備出不同性能的產(chǎn)品。對于鋼廠來講，固體廢棄物的鋼廠內(nèi)循環(huán)是其追求的目標(biāo)。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(nèi)循環(huán)。
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(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)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(dǎo)致地基開裂，出現(xiàn)安全事故。
4）鋼渣磚制備
經(jīng)穩(wěn)定化處理后的鋼渣和?；郀t礦渣為主要原料摻入少量激發(fā)劑可產(chǎn)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(dǎo)致磚體開裂粉化，破壞鋼渣磚強度，引發(fā)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(dǎo)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(chǎn)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(guān)注了鋼渣物質(zhì)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(zhuǎn)化、余熱余能回收的高效利用方面關(guān)注度不夠，特別是高溫鋼渣余熱回收技術(shù)及裝備有待突破。在鋼渣處理過程中，不同企業(yè)采取的工藝技術(shù)和水平存在一定差別，部分企業(yè)處理后的鋼渣存在游離鈣鎂氧化物超標(biāo)，鋼渣安定性不合格的問題。使用安定性不達標(biāo)的鋼渣用于道路、房屋等建設(shè)，就會出現(xiàn)道路、地面、磚開裂等一系列問題。這些失敗的案例對企業(yè)自身帶來了經(jīng)濟損失，更為鋼渣的資源化利用造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。同時，我國循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展處于起步階段，對于用鋼渣制備的產(chǎn)品，客戶還缺乏足夠的認(rèn)識，接受度較差。另外，鋼渣的資源化利用往往是跨行業(yè)領(lǐng)域，即鋼渣是鋼鐵行業(yè)固廢，而實際應(yīng)用客戶往往是建筑、交通等行業(yè)，導(dǎo)致鋼渣產(chǎn)品的市場認(rèn)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(dǎo)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(nèi)約50%的鋼鐵企業(yè)仍采用落后的熱潑工藝，環(huán)保不達標(biāo)，處理后鋼渣安定性差，導(dǎo)致鋼渣尾渣產(chǎn)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(jīng)過罐式有壓熱悶、池式熱悶、滾筒、風(fēng)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(xù)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(shù)也不少，但其大批量規(guī)?；瘧?yīng)用的主要是用于膠凝材料的生產(chǎn)，產(chǎn)品附加值低，受水泥行業(yè)市場行情上下波動，導(dǎo)致鋼渣資源化利用的經(jīng)濟效益較差。在當(dāng)前雙碳目標(biāo)下，急需對鋼渣處理新技術(shù)和資源化利用途徑進行探討和優(yōu)化?！蛾P(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)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(guī)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(zhì)的載體，其資源化利用既包括熱能的利用也包括物質(zhì)的利用，筆者認(rèn)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(yè)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(xiàn)鐵的還原和尾渣物相的重構(gòu)。這種工藝可以實現(xiàn)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(gòu)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(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的不同，通過不同改性材料重構(gòu)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(shù)有風(fēng)淬法余熱回收、雙內(nèi)冷轉(zhuǎn)筒粒化熱能回收、機械攪拌法余熱回收、“連鑄-連軋”干式?；陀酂徨仩t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(nèi)外在鋼渣余熱回收技術(shù)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(xiàn)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(zhì)與鋼渣進行充分換熱，從而達到鋼渣余熱回收的目的。如現(xiàn)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(xiàn)鋼渣余熱的回收。還有日本學(xué)者報道的，?；蟮匿撛c空氣進行熱交換，獲得一定溫度的高溫空氣從而實現(xiàn)高溫鋼渣的余熱回收。
在“雙碳”目標(biāo)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(zhì)是利用CO2與鋼渣中含有的游離的CaO和MgO發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鹽。這不僅可以實現(xiàn)鋼渣中物相的重構(gòu)，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(xiàn)在多處于研究階段，但在“雙碳”背景下，未來有關(guān)這方面的研究可能將會大量涌現(xiàn)。
從上述分析可知，實現(xiàn)高溫鋼渣“熱”“鐵”“渣”全部資源化利用的最優(yōu)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(nèi)循環(huán)；高溫尾渣采用合適的工藝技術(shù)（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(chǎn)品。筆者認(rèn)為這是未來鋼渣處理的最優(yōu)路徑，因為這既實現(xiàn)了鋼渣余熱的利用和回收，又實現(xiàn)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(biāo)的實現(xiàn)。
在“雙碳”目標(biāo)下，鋼鐵企業(yè)會越來越重視鋼渣的處理與利用工作，同時應(yīng)加強鋼渣余熱回收方面的研究和投入，關(guān)注鋼渣新型處理工藝開發(fā)和高附加值產(chǎn)品制備，以期實現(xiàn)“熱”“鐵”和“渣”的全部資源化利用。未來鋼渣處理的最優(yōu)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?；陀酂徨仩t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(xiàn)熔融鋼渣“熱”“鐵”和“渣”的全部資源化利用。