冶金工業(yè)固體廢物鋼渣的綜合利用

高 瑞，程芳琴

（山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006）

傳統(tǒng)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，高強(qiáng)度的開采和資源消耗，造成資源短缺與生態(tài)環(huán)境惡化。要從根本上解決環(huán)境、資源與發(fā)展之間的矛盾，就必須實(shí)施清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，保護(hù)環(huán)境，充分利用廢棄物資[1-2]。工業(yè)固體廢物作為最主要的固廢來源之一，其資源化利用對(duì)于緩解資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化有重要意義。

鋼渣是冶金工業(yè)固體廢物的一種，我國每年鋼渣的排放量非常大，2008年排放量約為6 357萬t，但因技術(shù)限制，利用率很低，僅為20％，目前累積堆存量已近1億t，而且每年仍以數(shù)百萬噸的排渣量遞增[3]。鋼渣的大量堆棄不僅占用了大量土地，還嚴(yán)重污染了生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也造成資源的極大浪費(fèi)，因此鋼渣的綜合利用勢(shì)在必行。

1 鋼渣概述

1.1 鋼渣的來源

鋼渣是煉鋼過程排出的熔渣，主要是金屬爐料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蝕的爐襯料和補(bǔ)爐材料、金屬爐料帶入的雜質(zhì)，以及為調(diào)整鋼渣性質(zhì)而特意加入的石灰石、白云石、鐵礦石、硅石、螢石等造渣材料，是煉鋼過程中的必然副產(chǎn)物[4]。

1.2 鋼渣的組成

鋼渣的主要化學(xué)成分有：CaO，SiO2，Al2O3，F(xiàn)eO，F(xiàn)e2O3，MgO，MnO，P2O5，f-CaO，有的還含有 V2O5，TiO2等，成分有較大范圍的波動(dòng)。表1所示為我國幾個(gè)大型鋼鐵企業(yè)鋼渣的主要化學(xué)成分。

表1 我國幾個(gè)大型鋼鐵企業(yè)鋼渣的化學(xué)成分 ％

1.3 鋼渣的加工方法

鋼渣均需加工處理才能利用，加工過程包括破碎、分選和陳化。粗破碎常用顎式破碎機(jī)，細(xì)破碎用圓錐式破碎機(jī)。分選加工包括磁選和篩分，磁選主要去除其中的廢鋼渣，篩分獲得所需粒度的規(guī)格渣。陳化堆存是為了使f-CaO等進(jìn)一步消解，使鋼渣趨于穩(wěn)定。鋼渣加工工藝流程見圖1所示。

2 鋼渣的綜合利用

2.1 國內(nèi)外鋼渣綜合利用狀況

國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)初期就開始研究鋼渣的利用方法，這期間，主要的用途是填海和筑路，20世紀(jì)70年代后，鋼渣的處理和綜合利用技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，其綜合利用率得到迅速提高，主要應(yīng)用在水泥、冶金配料和農(nóng)業(yè)化肥等生產(chǎn)中。

我國鋼渣處理和綜合利用發(fā)展較晚，20世紀(jì)后期，鋼渣在燒結(jié)、農(nóng)業(yè)化肥、煉鐵和水泥生產(chǎn)中的利用量?jī)H為100多萬t，有效利用率僅為10％，大部分鋼渣用于填海、工程回填料、筑路、油田建設(shè)等，資源流失比例很大。近年來用鋼渣處理廢水的研究越來越多，研究表明鋼渣是一種性能優(yōu)異的吸附劑，這無疑為鋼渣的利用開辟了一個(gè)新領(lǐng)域，同時(shí)也是以廢治廢的典型代表。

2.2 利用磁選工藝回收廢鋼鐵

鋼渣經(jīng)破碎、磁選、篩分等分選技術(shù)可回收其中90％以上的廢鋼，磁選出的渣鋼，一般含鐵在55％以上。圖2為鋼渣機(jī)械破碎回收渣鋼的工藝流程。

2.3 作為冶金原料

鋼渣作為冶金原料主要用于煉鐵燒結(jié)熔劑、煉鐵高爐熔劑以及煉鋼返回渣等。一般的煉鐵燒結(jié)熔劑、煉鐵高爐熔劑以及煉鋼熔劑是石灰石，鋼渣中含有40％～50％的CaO，MgO，MnO和鐵的氧化物等有益成分，1 t鋼渣相當(dāng)于700～750 kg的石灰石。所以將鋼渣代替石灰石作為冶金原料具有可以降低燃料消耗和生產(chǎn)成本，軟化溫度低，物相均勻，可以改善高爐運(yùn)行狀況及高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 作為建筑材料

鋼渣中含有和水泥相類似的硅酸三鈣、硅酸二鈣及鐵鋁酸鹽等活性礦物質(zhì)，具有水硬膠凝性。同時(shí)鋼渣碎石具有密度大、強(qiáng)度高、表面粗糙、穩(wěn)定性好、耐磨與耐久性好、與瀝青結(jié)合牢固等特點(diǎn)，因此可以用作生產(chǎn)無熟料或少熟料的水泥、鋼渣磚，以及用于鐵路、公路和工程回填等。將鋼渣按一定的比例摻入水泥熟料中可以生產(chǎn)鋼渣礦渣水泥、鋼渣硅酸鹽水泥及鋼渣白水泥等；將粉狀鋼渣或水淬鋼渣為主要原料摻入部分高爐水渣或粉煤灰和激發(fā)劑中加水?dāng)嚢?，?jīng)輪碾、壓制成型、蒸養(yǎng)，可制成建筑用磚，用于民用建筑中砌筑墻體、柱子、溝道等；鋼渣廣泛用于各種路基材料、工程回填、修砌加固堤壩、填海工程等方面代替天然碎石，但缺點(diǎn)是其體積穩(wěn)定性，必須對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)并采取措施，促使其完全消解。

2.5 農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

鋼渣中含有P，Si，Ca，Mg等有利用價(jià)值的元素，可以起到不同程度的肥效作用，因此可以用作生產(chǎn)鋼渣磷肥、鋼渣硅肥、酸性土壤改良劑以及鈣鎂磷肥等。

鋼渣磷肥是由含磷生鐵用托馬斯法煉鋼時(shí)所生成的堿性爐渣經(jīng)軋碎、磨細(xì)而得，主要有效成分是磷酸四鈣和硅酸鈣的固溶體，并含有鎂、鐵、錳等元素，適用于酸性土壤，可作基肥。用南京鋼鐵廠低品位的鋼渣磷肥在江蘇土壤上試驗(yàn)，按有效五氧化二磷2.5 kg/667 m2施用，結(jié)果表明對(duì)水稻的肥效顯著優(yōu)于過磷酸鈣；在江蘇江寧土壤上以含五氧化二磷7.79％馬鋼鋼渣磷肥對(duì)大豆進(jìn)行肥效試驗(yàn)，按五氧化二磷3 kg/667 m2施用，其增產(chǎn)效果也明顯高于過磷酸鈣。

鋼渣硅肥中含有較多的可被植物吸收的活性硅，施用具有極好的效果，主要用于水稻、小麥、玉米等喜硅作物，尤以水稻對(duì)硅最敏感[5]。在遼寧省主要類型的水稻土上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，可改善水稻的生長(zhǎng)狀況，增加水稻產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為8.3％～20.9％；在湖北丘陵黃土、黃紅土水稻田中施用堿性鋼渣粉的實(shí)驗(yàn)表明，施用鋼渣粉，都有不同程度的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)率可達(dá)3.0％～17.6％。

鋼渣中含有較高的CaO和MgO，因而具有很好的改良酸性土壤和補(bǔ)充鈣鎂營(yíng)養(yǎng)元素的作用[5]。浙江金華地區(qū)土壤酸化嚴(yán)重，用含42％CaO的鋼渣作基肥，大麥產(chǎn)量明顯提高，其他農(nóng)作物如大白菜、菠菜、豆類，以及棉花和果樹等都有良好的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)率可達(dá)30.6％以上。

鋼渣中除含有硅、磷等有效成分可直接用作農(nóng)肥外，還可利用其中高含量的氧化鈣和氧化鎂，將其作為助劑與礦石一起制備成鈣鎂磷肥，對(duì)農(nóng)作物的增產(chǎn)具有明顯的效果。

2.6 水處理方面的應(yīng)用

鋼渣是一種性能優(yōu)異的吸附劑，在重金屬離子廢水、有機(jī)染料廢水、無機(jī)非金屬廢水處理方面都有很好的效果[6-9]。具有吸附性能優(yōu)異；易于固液分離，簡(jiǎn)化吸附后處理工藝，操作簡(jiǎn)單；性能穩(wěn)定，無毒害作用；來源廣泛，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。其去除作用機(jī)理主要是由于鋼渣具有良好的過濾性能，對(duì)廢水中的雜質(zhì)顆粒、溶解性有機(jī)物和部分重金屬具有良好的去除作用；其次是因?yàn)殇撛€具有活性基團(tuán)，對(duì)污染物質(zhì)有一定的吸附作用。

有關(guān)研究表明，在廢水pH值為2.5～12，Cr3+為0～350 mg/L范圍內(nèi)，按鉻／鋼渣質(zhì)量比為1/35投加鋼渣進(jìn)行處理，鉻的去除率達(dá)到99％，處理后的廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)溶液Cu2+初始濃度為50 mg/L，pH值為6.5～6.8，鋼渣投加量為5 g/L，出水Cu2+低于0.5 mg/L，去除率超過99％；在廢水pH值≥3，Ni≤300 mg/L范圍內(nèi)，按鎳與鋼渣質(zhì)量比為1/15投加量進(jìn)行處理，鎳去除率達(dá)到99％。

有關(guān)研究表明，鋼渣對(duì)多種有機(jī)染料廢水的處理效果很好，謝復(fù)清[10]以鋼渣為吸附劑處理活性翠藍(lán)染料廢水、結(jié)晶紫、亞甲基藍(lán)染料廢水、堿性品紅染料廢水、孔雀石綠染料廢水，脫色率均可達(dá)到90％以上。

有關(guān)研究表明，鋼渣對(duì)其他無機(jī)非金屬廢水如含磷廢水、含砷廢水、含氟廢水等也有較強(qiáng)的處理能力。鄭禮勝[6]等用鋼渣處理含砷廢水，在pH值為1.5～12.0，砷（Ⅲ）含量10～200 mg/L，按砷／鋼渣質(zhì)量比為1/2 000投加鋼渣，砷去除率達(dá)97％；劉平[11]等采用振蕩吸附試驗(yàn)，對(duì)40 mg/L含氟廢水進(jìn)行處理，氟的去除率可達(dá)77.77％，出水剩余濃度達(dá)到國家工業(yè)含氟廢水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.7 鋼渣利用中存在的問題

鋼渣成分波動(dòng)大，不利于利用，如將f-CaO含量高的鋼渣用于工程，會(huì)因其消解產(chǎn)生的體積膨脹使工程遭到破壞；鋼渣硬度大，易將機(jī)器卡住或損壞；鋼渣中含有少量的鐵，導(dǎo)致鋼渣脆性下降，韌性加強(qiáng)，若利用常規(guī)的破碎技術(shù)既費(fèi)時(shí)又耗能，產(chǎn)品粒度不均勻，很難生產(chǎn)出粒度適宜、性能均勻的吸附劑產(chǎn)品，如經(jīng)過粉磨處理，不但不能產(chǎn)生疏松多孔的產(chǎn)品，而且還會(huì)破壞原有的孔隙，從而導(dǎo)致吸附效果下降。

3 鋼渣綜合利用前景展望

鋼渣綜合利用具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。充分利用鋼渣，不僅能解決堆積占地問題，而且能解決環(huán)境污染，改善廢鋼供應(yīng)局面。科研機(jī)構(gòu)有必要繼續(xù)認(rèn)真貫徹我國關(guān)于開展綜合利用的方針政策，并跟蹤國家指導(dǎo)的發(fā)展方向，在技術(shù)上進(jìn)一步優(yōu)化鋼渣處理流程，研究更多利用鋼渣的途徑，實(shí)現(xiàn)物盡其用，為企業(yè)和社會(huì)提供技術(shù)服務(wù)。

我國鋼渣處理工作起步較晚，雖然近些年來在鋼渣綜合利用方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但還需要在認(rèn)識(shí)上加以重視和提高，在經(jīng)濟(jì)上加大支持和投入，將“全身都是寶”的鋼渣作為寶貴的第二資源來認(rèn)真對(duì)待，創(chuàng)造出更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)入21世紀(jì)后，國家更加提倡環(huán)境保護(hù)和資源利用，因此，鋼渣綜合利用的前景將更加美好。

[1] 陳 潔，吳 斌，趙元華.論循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)質(zhì)與實(shí)踐體系[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2004(6)：37-40.

[2] 耿春梅，李婉茹，王修川.用循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念促進(jìn)工業(yè)固體廢物資源化[J].環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài)，2005(3)：6-8.

[3] 楊華明，張廣業(yè).鋼渣資源化的現(xiàn)狀與前景[J].礦產(chǎn)綜合利用，1999(3)：35-37.

[4] 冷光榮，朱美善.鋼渣處理方法探討與展望[J].江西冶金，2005，25(4)：44-47.

[5] 楊智寬.鋼鐵冶金渣在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J].再生資源研究，1999(2)：29-30.

[6] 鄭禮勝，王士龍，張 虹，等.用鋼渣處理含砷廢水[J].化工環(huán)保，1996，10(6)：342-345.

[7] 馬少健，劉盛余，胡治流，等.鋼渣吸附劑對(duì)鉻和鉛重金屬離子的吸附特性研究[J].有色礦冶，2004，20(4)：57-59.

[8] 鄧雁希，許 虹，黃 玲，等.礦物材料對(duì)城市生活污水中磷的去除[J].有色金屬，2005，57(2)：136-138.

[9] 謝維民，邱建明，周偉明，等.用轉(zhuǎn)爐鋼渣處理水中腐殖酸類有機(jī)物[J].環(huán)境污染與防治，1992，14(4)：5-8.

[10] 謝復(fù)清.改性鋼渣處理亞甲基蘭染料廢水研究[J].針織工業(yè)，2006(1)：68-70.

[11] 劉 平，，馬少健，蔣艷紅.鋼渣吸附劑去除廢水中氟的試驗(yàn)研究[J].有色礦冶，2005，21(1)：121-122.