钢铁行业固体废弃物资源化利用现状及建议

黄文亮

1.前言

2019年4月28日，生态环境部等五部委《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》的联合发文，对钢铁行业产业升级、环境治理、固废处置都有重要指导意义。钢铁行业固体废物的综合利用是建立资源节约型、环境友好型社会的必然要求。钢铁行业固体废弃物产生体量大，以钢铁长流程生产企业为例，生产1吨钢产生固体废弃物的量为600kg-800kg，2018年中国粗钢产量9.28亿吨，以此推算，产生固体废弃物的量在5.56亿吨-7.42亿吨之间。对钢铁行业固体废物进行资源化利用，不仅节约能源资源，还能降低对环境的污染，具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。

2.钢铁行业产业升级绿色发展趋势

根据工信部相关文件，2017年6月30日前我国全部取缔“地条钢”等落后产能以来，查处了 700 多家涉及“地条钢”的企业，约1.4亿吨的产能已全部拆除、查封，有效净化了市场竞争环境。加上供给侧结构性改革等相关政策影响，近两年来长流程钢铁企业效益普遍较好，多数企业盈利创历史最好水平，高质量发展成为业内共同关注认可的课题。

近几年投产的一批长流程钢铁项目，包括广西防城港钢铁基地、山钢日照钢铁精品基地、鞍钢鲅鱼圈分公司、首钢京唐公司、宝武湛江基地等，这些项目理念是秉承高质量绿色发展的要求，集中展现在焦炉大型化、全干熄、高炉大型化、高炉出铁场平坦化、料场全封闭等规模环保特点，采用焦炉烟道气脱硫脱硝、烧结（球团）烟气脱硫脱硝、焦油渣回配、焦化废水深度处理、密闭废水处理等技术，并且优先考虑了固废资源化利用发展循环经济的要求，实现了“高效率、低排放、低污染”。目前，新余钢铁集团就围绕钢铁企业排放的重点工序，拟计划投资100亿元以上进行此轮改造，包括4.3m焦炉升级改造项目、烧结综合料场智能环保易地改造项目、100吨电弧炉项目、棒材线升级改造项目、含铁二次资源综合利用项目等。

今后一段时间，钢铁企业转型升级需围绕高质量绿色发展配置相关资源，实现废水、废气、废渣的“减量化、超低化、无害化”排放。另外，有条件的长流程钢铁企业应发展循环经济产业园，进一步拓展钢铁生产、能源转换和消纳处理社会废弃物功能，实现钢厂城市互助互利、和谐友好是未来的发展趋势。

3.年产钢900万吨长流程钢铁企业各工序固体废弃物产生情况介绍

3.1 从产生工序看

以某年产钢900万吨长流程钢铁企业为例，该企业具备完整的焦化、烧结、球团、炼铁、炼钢、线棒材、中厚板、板加、热连轧、冷轧等工序。各工序产生各类固体废弃物总量大致有550万吨。

铁前工序产生固体废弃物资源（包括水渣）411万吨，占比74.7%，钢轧工序产生固体废弃物资源134.8万吨，占比24.5%，其他固废4.4万吨，占比0.8%（见表1）。

3.2 从品种结构看

水渣360万吨，占比65.46%，钢渣尾料75万吨，占比13.63%，烧结除尘灰、炼铁除尘灰、轧钢污泥及除尘灰共计49.6万吨，占比9.01%，渣钢A级料、C级料、氧化铁屑共计25.8万吨，占比4.69%，废耐材、高炉渣、罐沿铁、铁红、脱硫石膏、冷却塔填料、焦化固废等共计39.8万吨，占比7.21%。

4.固体废弃物资源化利用现状及不足

钢铁行业固体废弃物资源化利用主要有“钢铁厂自身工序循环利用”“钢铁厂新开发项目发展循环经济”“有价销售给相关加工企业”“工业垃圾资源化处置”4个方向。

4.1 钢铁厂自身工序循环利用

钢铁厂自身工序循环利用分为返焦化工序、烧结工序、返其它工序3个主要方向。第一，返焦化工序包括废旧破碎塑料、焦化环境灰、焦油渣、焦化各类槽罐清理渣。第二，返烧结工序主要包括烧结机尾除尘灰、炼铁重力除尘灰、炼铁环境除尘灰、高铁瓦斯灰、罐沿铁粉、脱硫渣混合物、铁粒子、C级料、转炉污泥、粗颗粒污泥、炼钢除尘灰、高线污泥、轧钢污泥、冷轧厂污泥、热轧污泥、氧化铁屑、脱硫废焦及干箱脱硫剂等。第三，返其他工序包括废生铁、罐沿铁、8mm以上罐沿铁粉、渣钢A级料等去炼钢工序使用，废酸去冷轧厂再生处理。

图1 从品种结构看固体废弃物产生明细

目前，利用钢厂现有工序循环利用主要存在的问题是炼铁重力除尘灰、转炉污泥、炼钢除尘灰等进入烧结配矿增加锌负荷，导致高炉锌负荷过高，影响高炉稳定顺行。以前面提到的该钢铁长流程企业的重力除尘灰、转炉污泥、炼钢除尘灰质量数据（见表2）。另外，以2017年高炉锌负荷为例，锌负荷最低的高炉为0.59kg/tFe、锌负荷最高的高炉为1.24kg/tFe，远高于宝钢高炉的锌负荷≤0.08kg/tFe水平。

表1 年产钢900万吨长流程钢铁企业固体废弃物产生明细表

表2 重力除尘灰、转炉污泥、炼钢除尘灰的质量数据 %

4.2 钢铁企业新开发项目发展循环经济

这方面，宝武湛江基地走在国内前列，其主要包括转底炉项目、高炉矿渣项目、电厂粉煤灰项目、钢渣环保项目、工业废弃物回收分选项目、无价污泥处置项目、含铁固废（返生产）项目。这些项目的实施，在企业内部实现了固体废弃物的资源化利用，兼顾社会产业链之间的资源再生循环利用，实现“高效率、低消耗和低排放”。目前，这方面，有些项目比较成熟，具有经济价值，行业认可度高，能消耗大宗固废。比如，高炉水渣磨成矿渣微粉为矿渣水泥的掺合料，用于水泥厂、道路建设单位等下游工序企业，已是比较固定的去向。在此，主要针对转底炉工艺及钢渣尾料综合利用进行分析。

4.2.1 转底炉工艺

转底炉主要流程包括原料处理系统和直接还原两部分，其中原料预处理系统包括污泥烘干、配料、混合、造球、生球烘干等步骤。转底炉工艺能解决高炉煤气除尘灰、转炉污泥、电炉除尘灰等含锌尘泥富集对高炉的危害，又能解决危废处理、扬尘等环保问题，产出的金属化球团能供炼铁或炼钢工序使用。因此，受到国内钢铁厂的推进使用，如：山钢莱钢与北科大合作、沙钢与北京神雾、马钢与新日铁合作、日照钢铁与钢研科技集团合作、宝武湛江与中冶赛迪合作，钢铁企业与科研院所合作分别建立了规模不等、工艺不一的转底炉。

然而，从目前各钢铁企业运行情况看，转底炉工艺存在一些不足，主要包括能耗指标高、作业率偏低、金属化球团抗压强度低、脱锌率低、冷却系统结垢、无经济效益等问题。

4.2.2 钢渣尾料综合利用

钢渣是炼钢过程中化学反应的产物以及各种造渣材料等物料共同形成的复杂物质。由硅酸钙类矿物、金属铁和铁氧化物等化学物质组成。硅酸钙类矿物及其他成分主要由硅酸二钙（2CaO·SiO2）、硅酸三钙（3CaO·SiO2）、橄榄石（CaO·RO·SiO2）、蔷薇辉石（3CaO·RO·2SiO2）以及RO相（MgO、MnO、FeO的固溶体）等组成。钢渣处理的主要目标是最大限度的提取铁资源，降低f-CaO、f-MgO、莫氏硬度等为钢渣尾料后续综合利用提供更多用途。国内钢渣处理的工艺有盘泼处理工艺、热泼破碎筛分磁选工艺、水淬工艺、风淬工艺、热闷渣处理工艺和滚筒法处理工艺。近年来，国内使用比较广泛的技术为钢渣热闷技术，该技术已经发展到第四代——钢渣辊压破碎余热有压热闷处理技术，该套技术在江苏镔鑫特钢、内蒙古远联、河南济源、常州东方、首钢京唐等多家企业得到应用，该套技术最大的特点是现场环境得到改善，f-CaO能控制在3%以内，钢渣尾料稳定性能相对提高。

钢渣尾料综合利用的主要途径有钢渣微粉、矿渣复合粉、钢渣水泥、沥青混泥土骨料、回填材料、制标砖及透水砖、改良土壤等。近年来，对钢渣尾料的研究方面也取得了一定成果，袁涛等的“钢渣混凝土透水砖的研制”指出透水砖的抗压强度与透水系数两者存在相互制约的矛盾关系，钢渣混凝土透水砖的透水系数孔隙率最高能达到 6.54mm/s，抗压强度最高能达到 43.61MPa；唐卫军的“钢渣矿渣复合微粉对水泥和混泥土性能影响的实验研究”提出了采用酸性激发剂提高钢渣矿渣复合微粉活性的原理，为酸激发钢渣矿渣微粉活性提供理论依据；仪桂兰等的“钢渣和高炉渣微粉技术研究”指出钢渣微粉、水渣微粉双掺制备钢渣-水渣复合微粉，实现了钢渣粉和水渣粉优势互补，并避免产生单独使用水渣粉和钢渣粉的缺点，可有效改善水泥性能，成为钢渣高附加值利用的主要方向；崔孝巧的“以钢铁行业固废为原料的高强高性能混凝土研究”，以钢铁行业的典型固废钢渣、矿渣和脱硫石膏为主要原料，制备胶凝材料，以铁矿矿山废石为粗骨料和铁尾矿砂为细骨料，在优化实验方案条件下，制备出钢渣接量40%且28d抗压强度达到71.47MPa的全固废高强高性能混凝王，大幅度提离了钢渣在混凝王中的利用率，所制备的混凝止具有优良的耐久性能；孙朋的“钢渣多孔吸声材料的制备和吸声性能的研究”指出钢渣多孔材料吸声性能随着孔隙率的增加而快速提高，孔隙率由46%增加到61%，NRC随之从化0.40提高到0.45，材料平均孔径由14um增大到51um，NRC也相应由0.40提高到0.46，其他常用多孔吸声材料性能比较发现，厚度基本相同条件下，钢渣多孔吸声材料的吸声性能优于多数常用的吸声材料。

近年来钢渣尾料综合利用方面取得了不少进展，但工业化、产业化、高富加值利用案例依然较少。钢渣尾料中f-CaO、f-MgO高，对钢渣后续处理的影响，钢渣尾料制钢渣微粉和矿渣复合粉存在生产成本高的问题，钢渣尾料制建材等方面，都需解决实用性、批量化、产业化等问题。

表3 脱硫渣混合物质量数据表 %

4.3 有价销售给相关加工企业

炉台干渣骨料、废耐材、脱硫石膏、氧化铁红、烧结机头灰等可销售给具备资质的相关加工企业。如：炉台干渣骨料主要供矿棉生产厂家利用，废耐材主要供耐材生产厂家回收利用，脱硫石膏主要供水泥厂用做水泥配料，氧化铁红供磁材加工企业利用，烧结机头灰给相关企业提取Au、Ag等有价元素。

4.4 工业垃圾的资源化处置

工业垃圾资源化处置主要是利用钢铁企业现有工艺，对工业垃圾进行综合分析评判，进行合理处置。本文主要以炼钢脱硫渣、废旧水处理填料进行举例说明。

按照传统做法，炼钢脱硫渣经过渣铁线分离出大、小块脱硫渣铁返炼钢使用，脱硫渣金粉返回烧结循环利用，脱硫渣尾料后续没有较好途径处置。经过分析实践，将脱硫渣分离出大、小块脱硫渣铁及粒径8mm以下脱硫渣混合物三种产品更为适宜，大、小块脱硫渣铁继续返炼钢使用，粒径8mm以下脱硫渣混合物返烧结循环利用。该方法既能充分利用其中的铁元素，又能利用其中的钙、镁成分建设部分熔剂资源，以彻底解决脱硫渣尾料的处置难题（见表3）。

废旧水处理填料是一种自然环境难消纳的固体废弃物，主要成分为聚丙烯（PP）或聚氯乙烯（PE），将其外排将占用部分土地，并对自然环境造成污染。废旧水处理填料中碳含量高，可考虑炼焦工序使用。新日铁为在炼焦煤中扩大废塑料掺入量做了大量试验研究，包括塑料粒度对焦炭强度的影响试验，加入PE粉末提高焦炭强度的试验，塑料粒度对焦炭CRI和CSR等的影响试验等。首钢在处理“白色污染”方面也做了大量试验研究，其中“塑料型煤”加工技术的研发试验，发现塑料在燃烧前先是软化、熔融，而且具有很强的黏结能力，可以利用软化熔融塑料的黏结性将煤粉黏结来解决废塑料与煤粉混合偏析难题。焦煤中掺入2%的废旧水处理填料不影响焦炭质量，其回收比例为焦炭20%，焦炉煤气及化工副产品各40%。针对钢铁企业废旧水处理填料需先破碎后按适当比例进入炼焦生产的备煤工序，将废旧水处理填料破碎预处理至粒度1.0cm以下，进入炼焦生产。

目前，工业垃圾的资源化处置等方面的相关研究及应用项目比较少。如脱硫渣混合物再利用，无价污泥制砖等都限于简单处置，缺乏对机理的研究。废旧塑料的炼焦利用尽管在日本有工业化生产利用的先例，但国内这方面的研究跟规模运用依然相对薄弱。

5.钢铁行业固废下一步资源化利用的建议

钢铁行业固体废弃物种类多、总量大、各单品种数量相差大，要实现工业固体废弃物最大程度的资源化利用，有以下建议：

第一，钢铁企业应做好整体规划，采用先进、成熟、可靠的工艺技术及装备，并且配套固废处理装置，从源头减少固体废弃物的产生。如：焦炉大型化、全干熄、高炉出铁场平坦化、料场全封闭、焦油渣回配装置、二次物料均质化处理技术等。

第二，选用产生固体废弃物能再次利用的工艺或装备。如烧结采用湿法脱硫所产生的脱硫石膏能供水泥厂利用，水处理填料采用聚丙烯或不锈钢等能再次回收利用的材料。

第三，加大含铁尘泥脱有害元素的研发力度，跨学科、跨行业融合研究，力争早日研发出技术上合理、经济上可行的工艺，解决好钢铁企业含铁尘泥利用问题。

第四，积极推广少渣冶炼技术，从源头减少钢渣的产生量。继续推进钢渣处理技术的研究，实现规模化、效益化处置利用。包括钢渣尾料在农业、筑路、新型墙板等行业的应用。

第五，钢铁企业内各工序间开展上下游攻关合作，共同推进企业内部固体废弃物资源化利用最大化。

第六，加大塑料炼焦配煤研发力度，并利用钢铁企业装备优势，实现废旧塑料规模化配煤炼焦，有效处置钢厂及周边城市塑料垃圾，实现“钢厂-城市”区域协同绿色发展。

参考文献略