鋼渣內部綜合利用實現碳減排效果的生命周期評價分析

陳士強，劉黎慧

（中電建水環境科技有限公司，廣東 深圳 518000）

近幾年，鋼鐵工業廢料的鋼渣產量穩步增長，但鋼渣的利用率較低，且大部分鋼渣仍儲存在露天環境中，浪費了大量土地資源，鋼渣的化學物質也會對環境造成不同程度的污染和危害。鋼渣得不到綜合使用會導致浪費，所以更好地利用資源，能夠降低運營成本，也能有效解決這種鋼渣對環境造成的污染問題，這對冶金行業優質化的發展具有重要意義。

1 鋼渣及主要鋼企內部資源化利用方式

我國對鋼渣綜合使用的研究起步較晚，近年來，隨著國家對環境保護和固體廢物再利用的重視，鋼鐵在道路建設、建筑材料和混凝土中得到了廣泛的應用，但總體使用率僅為22%左右。現如今，在發達國家，鋼渣主要用于道路建設、農業、工業、建筑材料和土木工程。我國正在通過各種方式重復使用鋼渣，然后通過化學、物理和熱活化來刺激鋼渣的活性。這能夠通過提取有價值的成分、熔化溶劑、制造填充材料、建筑材料和農業應用來實現綜合利用，如可用于開發生產公路材料、瀝青涂料、水泥、透水磚等原材料。

1.1 鋼渣被用作礦山充填料

當前階段，礦山充填料主要用礦山水泥，其中對水泥的高需求和其高填充成本是一個緊迫的問題。所以，尋找新的水泥替代品是礦山充填領域的一個重要研究方向。有關研究表明，鋼渣研磨后可用作礦山充填料，但由于活性層低，所以難以處理，即使是經過粉碎機處理也不能直接成為制備礦場可充填料生產的原料，所以尋找合適的激發劑對鋼渣在礦山領域的應用具有十分重要的意義。唐山石人溝以骨料、唐鋼轉爐鋼渣、粉煤灰、渣粉和脫硫石膏復合刺激劑為全尾砂膠填料，研究結果顯示，無塑料制鋼渣防護滔材的質量分數為73%時，配合膠體流動性能、流動型膠結填充料流動性的要求，可作為有效的礦山填充料。以渣和礦渣混合物為活性材料，采用水泥熟材、二水脫硫石膏和硝混合物為復合激發劑，以灰砂比1:6的全尾砂為骨料，采用正交設計，養護溫度為20℃，在濕度為96%的恒溫恒濕條件下，對9組填充材料試驗塊進行養護。使用萬能壓力機對28d養護后填充材料試驗塊的耐壓強度進行測試，發現鋼渣微粉、礦渣微粉、水泥熟料、脫硫石膏、硝的質量比為20:62:12:1時，所制備的全尾砂凝固材料28d的耐壓強度達到2.78Mpa，滿足實際工業生產強度要求（28d耐壓強度>2.5MPa）。

1.2 路基混凝土

鋼渣具有耐磨、防滑和高堿度等特性。利用鋼渣配制瀝青混凝土，能夠提高瀝青混凝土的耐磨性、耐鋼渣性和水損害性。但鋼渣瀝青混凝土的發展仍面臨諸多問題，多孔結構導致瀝青用量高、熱耗高、制備成本增加。鋼渣體積穩定性差，不會使瀝青混凝土可持續性能有任何改善。研究表明，時效處理是提高鋼渣體積穩定性的有效方法。通過對大粒徑集料和瀝青用量的檢測，能夠改善鋼包層瀝青混凝土的路用性能。高壓輥磨機分選的鋼漆集料的物理力學性能符合GB/T 24766-2009的要求，是一種優良的道路集料。再者，制備的鋼漆混凝土是一種很好的皮革用鋼漆材料。鋼渣的物理和機械性能取決于處理工藝，通常緩慢冷處理的鋼渣比率高、硬度高、耐磨、取水量低，道路施工更好，在礦渣儲存1年以上后，因為部分拆除，混合鋼渣的級配與瀝青混凝土骨料級配相近。直接使用此種混合鋼渣作為瀝青混凝土骨料，配料簡單易操作。鋼渣被用作道路基礎，這不僅能夠充分利用鋼渣，而且能夠節省大量土地。鋼渣是在高溫下鈣化并含有硅酸鹽、鋁酸鐵相的物質，它的化學成分與水泥熟料相似，我國鋼渣水泥研究具有國際領先水平，現如今礦渣水泥的生產品種主要是礦渣水泥。礦渣水泥具有后期強度高、水化熱低、耐磨性好等優點。

1.3 燒結材料

與水泥基不同，陶瓷制備過程中高溫燒結使有害離子轉化為原材料成為陶瓷產品的有益組成部分，而陶瓷建筑在我國是一個巨大的消費品，是一種新的批量高價值使用方式。在空氣中燃燒的情況下，鋼渣原材料中的Fe 2+氧化形成赤鐵礦相。鋼渣也可用于烘烤多孔陶瓷或泡沫玻璃吸聲材料，這種多孔吸聲材料具有良好的吸聲性能，采用球團堆積，結合添加成孔劑制備鋼渣孔隙聲學材料，孔隙率可達到60%以上。

1.4 農業應用

鋼渣用于農業生產的時間比較晚，但近年來，我國研究人員對鋼渣在農業中的應用研究取得了快速進展，主要針對土壤改良、硅烷肥力和作物改良。使用鋼渣可提高土壤pH值和有效硅含量，促進水稻對二氧化硅的吸收，并促進水稻生長。然而，鋼層中的鈣和鎂含量以及過多的pH值可能會限制土壤養分的有效性和水稻對養分的吸收，這可能會對水稻生長產生不利影響。研究表明，鋼渣和可變形球囊霉復合物處理可提高土壤pH值質量分數、球囊霉素的土壤總提取物和土壤質量分數dpa cd/Pb，從而促進玉米生長，并在玉米田上部和根部積累cd/Pb。此外，與傳統施肥相比，添加鋼渣對增加大豆產量也有積極影響。鋼渣含有大量的氧化鈣、氧化鎂，可用于改善酸性土壤。其他微量元素也對植物有增產作用，特別是P^0s含量超過5%的可作為磷肥使用。雖然代表作物種類的實驗研究不夠廣泛，特別是大量使用了鋼渣肥料后，用影響土壤結構的鋼渣轉移到微量元素果實，既沒有肥料后效性，也沒有土壤適應性，可積累長期實驗觀察經驗。

2 鋼渣回收前處理技術

鋼渣作為金屬工業中不可避免的散裝固體廢物，綜合利用價值非常高，這與生態效益和商業效益有關。現如今，關于使用鋼渣的研究已經取得了一些成果，并逐步發展了一些重要技術，例如，道路建設和混凝土制備。所以，應在現有鋼渣使用技術的基礎上，審查鋼渣的替代用途，以提高使用效率，并使鋼渣成為我國寶貴的再利用資源。

2.1 熱潑工藝

高溫紅色液態鋼渣運至鋼渣廠后應均勻倒入鋼渣倉。在對多余的水進行密集、連續的注水和過濾后，鋼渣的平均溫度降至約75℃。這樣鋼涂層被運輸到鋼渣廠進行回收和處理。熱塑性工藝簡單，更易加工和安全使用；然而，由于廢水在很大程度上是有限的，并且不可能從冷卻系統中回收這些部分，因此在運用此工藝的最初幾年，水的消耗量很高，冷卻廢水的用量也很高。

2.2 水淬工藝

水淬工藝法是將高溫赤熱鋼清漆放入水中急速冷卻，在限制結晶的狀態下進行粒化。現在一般使用的水淬工藝方法有2種，分別是渣池水淬和爐前水淬火。渣池的水淬火慢慢地將溶解的水倒入池中，溶解的水急速冷卻，變成粒狀的水渣。水渣用起重機抓住，放在爐渣場，脫水后放入車內。爐前水淬火時，高溫赤熱液體渣從爐渣底部開口處自由落下，跌落過程遇到高壓水柱，熱熔融渣被壓力水分割，破碎的同時突然退化破裂，顆粒化過程完成。水淬火被運送到淀池，通過管道取出，脫水后被運送到外面。

2.3 風淬工藝

高溫熾熱的液態鋼渣由中間罐底部的小孔噴出，與專門設計的噴霧器中的空氣相遇，被破碎成平均粒徑僅為2mm的球形顆粒。凈化后，鍋爐蓋中可用的熱空氣和微粒、熱量回收和微粒收集。風淬工藝的優點是工藝簡單、安全可靠、投資和運行成本低、處理能力高、顆粒化徹底、無二次污染。通過風淬工藝獲得的渣粒能夠被帶入磁選過程而不會再次破碎，但是風淬工藝對鋼渣的液體要求很高，所以硬化方法只能冷卻和破碎部分鋼渣。

3 基于LCIA的溫室氣體減排效果分析

生命周期研究已證明是評估產品或服務以及資源使用的潛在環境影響的有效方法，并已證明是環境分析的重要工具。它還包括評估工業產品co2排放量的重要工具，這些工具在其生命周期內根據co2排放量研究和不同工業部門以及其生命周期不同階段（生產、廢物回收等）的co2排放量進行評估。

結果表明，合理規劃轉爐爐殼內部綜合利用，在現有基礎上最多可解決粗鋼產品溫室氣體排放量的14.2%。對減少這些鋼渣排放機制的深入研究表明，可轉換鉛的綜合使用，這意味著鋼鐵生產中資源和能源的消耗顯著減少；內部再利用和回收非常粘稠的鋼和金屬也是減少碳排放的方法之一。研究結果還表明，生命周期評估是評估工業產品碳排放的重要方法，有助于決策者找到最合理的低碳解決方案。

4 結語

鋼鐵行業開展金屬廢料（鋼渣）的綜合利用是減少碳排放和創造低碳經濟的有效手段。全面規劃轉爐鋼渣綜合使用方案，可以在生產周期內有效解決碳排放等問題。