鋼鐵行業固體廢棄物資源化利用現狀及建議

黃文亮

1.前言

2019年4月28日，生態環境部等五部委《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》的聯合發文，對鋼鐵行業產業升級、環境治理、固廢處置都有重要指導意義。鋼鐵行業固體廢物的綜合利用是建立資源節約型、環境友好型社會的必然要求。鋼鐵行業固體廢棄物產生體量大，以鋼鐵長流程生產企業為例，生產1噸鋼產生固體廢棄物的量為600kg-800kg，2018年中國粗鋼產量9.28億噸，以此推算，產生固體廢棄物的量在5.56億噸-7.42億噸之間。對鋼鐵行業固體廢物進行資源化利用，不僅節約能源資源，還能降低對環境的污染，具有良好的經濟效益、環境效益和社會效益。

2.鋼鐵行業產業升級綠色發展趨勢

根據工信部相關文件，2017年6月30日前我國全部取締“地條鋼”等落后產能以來，查處了 700 多家涉及“地條鋼”的企業，約1.4億噸的產能已全部拆除、查封，有效凈化了市場競爭環境。加上供給側結構性改革等相關政策影響，近兩年來長流程鋼鐵企業效益普遍較好，多數企業盈利創歷史最好水平，高質量發展成為業內共同關注認可的課題。

近幾年投產的一批長流程鋼鐵項目，包括廣西防城港鋼鐵基地、山鋼日照鋼鐵精品基地、鞍鋼鲅魚圈分公司、首鋼京唐公司、寶武湛江基地等，這些項目理念是秉承高質量綠色發展的要求，集中展現在焦爐大型化、全干熄、高爐大型化、高爐出鐵場平坦化、料場全封閉等規模環保特點，采用焦爐煙道氣脫硫脫硝、燒結（球團）煙氣脫硫脫硝、焦油渣回配、焦化廢水深度處理、密閉廢水處理等技術，并且優先考慮了固廢資源化利用發展循環經濟的要求，實現了“高效率、低排放、低污染”。目前，新余鋼鐵集團就圍繞鋼鐵企業排放的重點工序，擬計劃投資100億元以上進行此輪改造，包括4.3m焦爐升級改造項目、燒結綜合料場智能環保易地改造項目、100噸電弧爐項目、棒材線升級改造項目、含鐵二次資源綜合利用項目等。

今后一段時間，鋼鐵企業轉型升級需圍繞高質量綠色發展配置相關資源，實現廢水、廢氣、廢渣的“減量化、超低化、無害化”排放。另外，有條件的長流程鋼鐵企業應發展循環經濟產業園，進一步拓展鋼鐵生產、能源轉換和消納處理社會廢棄物功能，實現鋼廠城市互助互利、和諧友好是未來的發展趨勢。

3.年產鋼900萬噸長流程鋼鐵企業各工序固體廢棄物產生情況介紹

3.1 從產生工序看

以某年產鋼900萬噸長流程鋼鐵企業為例，該企業具備完整的焦化、燒結、球團、煉鐵、煉鋼、線棒材、中厚板、板加、熱連軋、冷軋等工序。各工序產生各類固體廢棄物總量大致有550萬噸。

鐵前工序產生固體廢棄物資源（包括水渣）411萬噸，占比74.7%，鋼軋工序產生固體廢棄物資源134.8萬噸，占比24.5%，其他固廢4.4萬噸，占比0.8%（見表1）。

3.2 從品種結構看

水渣360萬噸，占比65.46%，鋼渣尾料75萬噸，占比13.63%，燒結除塵灰、煉鐵除塵灰、軋鋼污泥及除塵灰共計49.6萬噸，占比9.01%，渣鋼A級料、C級料、氧化鐵屑共計25.8萬噸，占比4.69%，廢耐材、高爐渣、罐沿鐵、鐵紅、脫硫石膏、冷卻塔填料、焦化固廢等共計39.8萬噸，占比7.21%。

4.固體廢棄物資源化利用現狀及不足

鋼鐵行業固體廢棄物資源化利用主要有“鋼鐵廠自身工序循環利用”“鋼鐵廠新開發項目發展循環經濟”“有價銷售給相關加工企業”“工業垃圾資源化處置”4個方向。

4.1 鋼鐵廠自身工序循環利用

鋼鐵廠自身工序循環利用分為返焦化工序、燒結工序、返其它工序3個主要方向。第一，返焦化工序包括廢舊破碎塑料、焦化環境灰、焦油渣、焦化各類槽罐清理渣。第二，返燒結工序主要包括燒結機尾除塵灰、煉鐵重力除塵灰、煉鐵環境除塵灰、高鐵瓦斯灰、罐沿鐵粉、脫硫渣混合物、鐵粒子、C級料、轉爐污泥、粗顆粒污泥、煉鋼除塵灰、高線污泥、軋鋼污泥、冷軋廠污泥、熱軋污泥、氧化鐵屑、脫硫廢焦及干箱脫硫劑等。第三，返其他工序包括廢生鐵、罐沿鐵、8mm以上罐沿鐵粉、渣鋼A級料等去煉鋼工序使用，廢酸去冷軋廠再生處理。

圖1 從品種結構看固體廢棄物產生明細

目前，利用鋼廠現有工序循環利用主要存在的問題是煉鐵重力除塵灰、轉爐污泥、煉鋼除塵灰等進入燒結配礦增加鋅負荷，導致高爐鋅負荷過高，影響高爐穩定順行。以前面提到的該鋼鐵長流程企業的重力除塵灰、轉爐污泥、煉鋼除塵灰質量數據（見表2）。另外，以2017年高爐鋅負荷為例，鋅負荷最低的高爐為0.59kg/tFe、鋅負荷最高的高爐為1.24kg/tFe，遠高于寶鋼高爐的鋅負荷≤0.08kg/tFe水平。

表1 年產鋼900萬噸長流程鋼鐵企業固體廢棄物產生明細表

表2 重力除塵灰、轉爐污泥、煉鋼除塵灰的質量數據 %

4.2 鋼鐵企業新開發項目發展循環經濟

這方面，寶武湛江基地走在國內前列，其主要包括轉底爐項目、高爐礦渣項目、電廠粉煤灰項目、鋼渣環保項目、工業廢棄物回收分選項目、無價污泥處置項目、含鐵固廢（返生產）項目。這些項目的實施，在企業內部實現了固體廢棄物的資源化利用，兼顧社會產業鏈之間的資源再生循環利用，實現“高效率、低消耗和低排放”。目前，這方面，有些項目比較成熟，具有經濟價值，行業認可度高，能消耗大宗固廢。比如，高爐水渣磨成礦渣微粉為礦渣水泥的摻合料，用于水泥廠、道路建設單位等下游工序企業，已是比較固定的去向。在此，主要針對轉底爐工藝及鋼渣尾料綜合利用進行分析。

4.2.1 轉底爐工藝

轉底爐主要流程包括原料處理系統和直接還原兩部分，其中原料預處理系統包括污泥烘干、配料、混合、造球、生球烘干等步驟。轉底爐工藝能解決高爐煤氣除塵灰、轉爐污泥、電爐除塵灰等含鋅塵泥富集對高爐的危害，又能解決危廢處理、揚塵等環保問題，產出的金屬化球團能供煉鐵或煉鋼工序使用。因此，受到國內鋼鐵廠的推進使用，如：山鋼萊鋼與北科大合作、沙鋼與北京神霧、馬鋼與新日鐵合作、日照鋼鐵與鋼研科技集團合作、寶武湛江與中冶賽迪合作，鋼鐵企業與科研院所合作分別建立了規模不等、工藝不一的轉底爐。

然而，從目前各鋼鐵企業運行情況看，轉底爐工藝存在一些不足，主要包括能耗指標高、作業率偏低、金屬化球團抗壓強度低、脫鋅率低、冷卻系統結垢、無經濟效益等問題。

4.2.2 鋼渣尾料綜合利用

鋼渣是煉鋼過程中化學反應的產物以及各種造渣材料等物料共同形成的復雜物質。由硅酸鈣類礦物、金屬鐵和鐵氧化物等化學物質組成。硅酸鈣類礦物及其他成分主要由硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、橄欖石（CaO·RO·SiO2）、薔薇輝石（3CaO·RO·2SiO2）以及RO相（MgO、MnO、FeO的固溶體）等組成。鋼渣處理的主要目標是最大限度的提取鐵資源，降低f-CaO、f-MgO、莫氏硬度等為鋼渣尾料后續綜合利用提供更多用途。國內鋼渣處理的工藝有盤潑處理工藝、熱潑破碎篩分磁選工藝、水淬工藝、風淬工藝、熱悶渣處理工藝和滾筒法處理工藝。近年來，國內使用比較廣泛的技術為鋼渣熱悶技術，該技術已經發展到第四代——鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶處理技術，該套技術在江蘇鑌鑫特鋼、內蒙古遠聯、河南濟源、常州東方、首鋼京唐等多家企業得到應用，該套技術最大的特點是現場環境得到改善，f-CaO能控制在3%以內，鋼渣尾料穩定性能相對提高。

鋼渣尾料綜合利用的主要途徑有鋼渣微粉、礦渣復合粉、鋼渣水泥、瀝青混泥土骨料、回填材料、制標磚及透水磚、改良土壤等。近年來，對鋼渣尾料的研究方面也取得了一定成果，袁濤等的“鋼渣混凝土透水磚的研制”指出透水磚的抗壓強度與透水系數兩者存在相互制約的矛盾關系，鋼渣混凝土透水磚的透水系數孔隙率最高能達到 6.54mm/s，抗壓強度最高能達到 43.61MPa；唐衛軍的“鋼渣礦渣復合微粉對水泥和混泥土性能影響的實驗研究”提出了采用酸性激發劑提高鋼渣礦渣復合微粉活性的原理，為酸激發鋼渣礦渣微粉活性提供理論依據；儀桂蘭等的“鋼渣和高爐渣微粉技術研究”指出鋼渣微粉、水渣微粉雙摻制備鋼渣-水渣復合微粉，實現了鋼渣粉和水渣粉優勢互補，并避免產生單獨使用水渣粉和鋼渣粉的缺點，可有效改善水泥性能，成為鋼渣高附加值利用的主要方向；崔孝巧的“以鋼鐵行業固廢為原料的高強高性能混凝土研究”，以鋼鐵行業的典型固廢鋼渣、礦渣和脫硫石膏為主要原料，制備膠凝材料，以鐵礦礦山廢石為粗骨料和鐵尾礦砂為細骨料，在優化實驗方案條件下，制備出鋼渣接量40%且28d抗壓強度達到71.47MPa的全固廢高強高性能混凝王，大幅度提離了鋼渣在混凝王中的利用率，所制備的混凝止具有優良的耐久性能；孫朋的“鋼渣多孔吸聲材料的制備和吸聲性能的研究”指出鋼渣多孔材料吸聲性能隨著孔隙率的增加而快速提高，孔隙率由46%增加到61%，NRC隨之從化0.40提高到0.45，材料平均孔徑由14um增大到51um，NRC也相應由0.40提高到0.46，其他常用多孔吸聲材料性能比較發現，厚度基本相同條件下，鋼渣多孔吸聲材料的吸聲性能優于多數常用的吸聲材料。

近年來鋼渣尾料綜合利用方面取得了不少進展，但工業化、產業化、高富加值利用案例依然較少。鋼渣尾料中f-CaO、f-MgO高，對鋼渣后續處理的影響，鋼渣尾料制鋼渣微粉和礦渣復合粉存在生產成本高的問題，鋼渣尾料制建材等方面，都需解決實用性、批量化、產業化等問題。

表3 脫硫渣混合物質量數據表 %

4.3 有價銷售給相關加工企業

爐臺干渣骨料、廢耐材、脫硫石膏、氧化鐵紅、燒結機頭灰等可銷售給具備資質的相關加工企業。如：爐臺干渣骨料主要供礦棉生產廠家利用，廢耐材主要供耐材生產廠家回收利用，脫硫石膏主要供水泥廠用做水泥配料，氧化鐵紅供磁材加工企業利用，燒結機頭灰給相關企業提取Au、Ag等有價元素。

4.4 工業垃圾的資源化處置

工業垃圾資源化處置主要是利用鋼鐵企業現有工藝，對工業垃圾進行綜合分析評判，進行合理處置。本文主要以煉鋼脫硫渣、廢舊水處理填料進行舉例說明。

按照傳統做法，煉鋼脫硫渣經過渣鐵線分離出大、小塊脫硫渣鐵返煉鋼使用，脫硫渣金粉返回燒結循環利用，脫硫渣尾料后續沒有較好途徑處置。經過分析實踐，將脫硫渣分離出大、小塊脫硫渣鐵及粒徑8mm以下脫硫渣混合物三種產品更為適宜，大、小塊脫硫渣鐵繼續返煉鋼使用，粒徑8mm以下脫硫渣混合物返燒結循環利用。該方法既能充分利用其中的鐵元素，又能利用其中的鈣、鎂成分建設部分熔劑資源，以徹底解決脫硫渣尾料的處置難題（見表3）。

廢舊水處理填料是一種自然環境難消納的固體廢棄物，主要成分為聚丙烯（PP）或聚氯乙烯（PE），將其外排將占用部分土地，并對自然環境造成污染。廢舊水處理填料中碳含量高，可考慮煉焦工序使用。新日鐵為在煉焦煤中擴大廢塑料摻入量做了大量試驗研究，包括塑料粒度對焦炭強度的影響試驗，加入PE粉末提高焦炭強度的試驗，塑料粒度對焦炭CRI和CSR等的影響試驗等。首鋼在處理“白色污染”方面也做了大量試驗研究，其中“塑料型煤”加工技術的研發試驗，發現塑料在燃燒前先是軟化、熔融，而且具有很強的黏結能力，可以利用軟化熔融塑料的黏結性將煤粉黏結來解決廢塑料與煤粉混合偏析難題。焦煤中摻入2%的廢舊水處理填料不影響焦炭質量，其回收比例為焦炭20%，焦爐煤氣及化工副產品各40%。針對鋼鐵企業廢舊水處理填料需先破碎后按適當比例進入煉焦生產的備煤工序，將廢舊水處理填料破碎預處理至粒度1.0cm以下，進入煉焦生產。

目前，工業垃圾的資源化處置等方面的相關研究及應用項目比較少。如脫硫渣混合物再利用，無價污泥制磚等都限于簡單處置，缺乏對機理的研究。廢舊塑料的煉焦利用盡管在日本有工業化生產利用的先例，但國內這方面的研究跟規模運用依然相對薄弱。

5.鋼鐵行業固廢下一步資源化利用的建議

鋼鐵行業固體廢棄物種類多、總量大、各單品種數量相差大，要實現工業固體廢棄物最大程度的資源化利用，有以下建議：

第一，鋼鐵企業應做好整體規劃，采用先進、成熟、可靠的工藝技術及裝備，并且配套固廢處理裝置，從源頭減少固體廢棄物的產生。如：焦爐大型化、全干熄、高爐出鐵場平坦化、料場全封閉、焦油渣回配裝置、二次物料均質化處理技術等。

第二，選用產生固體廢棄物能再次利用的工藝或裝備。如燒結采用濕法脫硫所產生的脫硫石膏能供水泥廠利用，水處理填料采用聚丙烯或不銹鋼等能再次回收利用的材料。

第三，加大含鐵塵泥脫有害元素的研發力度，跨學科、跨行業融合研究，力爭早日研發出技術上合理、經濟上可行的工藝，解決好鋼鐵企業含鐵塵泥利用問題。

第四，積極推廣少渣冶煉技術，從源頭減少鋼渣的產生量。繼續推進鋼渣處理技術的研究，實現規模化、效益化處置利用。包括鋼渣尾料在農業、筑路、新型墻板等行業的應用。

第五，鋼鐵企業內各工序間開展上下游攻關合作，共同推進企業內部固體廢棄物資源化利用最大化。

第六，加大塑料煉焦配煤研發力度，并利用鋼鐵企業裝備優勢，實現廢舊塑料規模化配煤煉焦，有效處置鋼廠及周邊城市塑料垃圾，實現“鋼廠-城市”區域協同綠色發展。

參考文獻略