王會剛, 吳 龍, 彭 犇, 岳昌盛, 張 梅, 郭 敏

(1.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；2.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083)

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的一種產(chǎn)量較大的固體廢棄物，噸鋼產(chǎn)生量120～150 kg[1-6]。2018年中國生產(chǎn)粗鋼9.28×108t，所以鋼渣產(chǎn)量(1.1～1.4)×108t。鋼渣含有許多有用組分[7-8]，但中國鋼渣利用率低，還不到30%[9-11]，導致超過數(shù)億噸鋼渣的堆存，這不僅占用了大量的土地，還有可能污染土壤、水體等。因此，尋求合適的鋼渣處理工藝技術(shù)，降低鋼渣堆存量，提高鋼渣資源化利用率迫在眉睫[12]。

鋼渣處理工藝的選擇不僅要考慮鋼渣的理化性能(黏度、化學組成)，也要考慮鋼渣的利用方式[13-16]。同時，力求鋼渣處理工藝的簡單；確保處理過程安全、可靠、環(huán)保、節(jié)能；最大限度實現(xiàn)處理后鋼渣中渣、鋼的高效分離和尾渣中f-CaO、f-MgO的大幅消解，滿足尾渣利用要求[17-19]。

現(xiàn)有鋼渣處理工藝[20-35]主要包括熱潑[20-22]、水淬[23]、風淬[24-25]、滾筒[26-27]、常壓池式熱悶和有壓熱悶工藝[28-31]等工藝技術(shù)，下面分別對主要鋼渣處理工藝進行介紹。

1 鋼渣處理工藝及技術(shù)特點

1.1 鋼渣的熱潑處理技術(shù)

作為中外應用比較成熟的鋼渣處理技術(shù)，熱潑工藝[20-22]的基本原理是向可淬溫度范圍內(nèi)的鋼渣噴灑適量的水，這會導致鋼渣冷卻不均而產(chǎn)生溫度應力，從而使鋼渣產(chǎn)生橫縱交錯的裂紋，最終導致鋼渣的碎裂。同時，鋼渣中f-CaO、f-MgO的水化消解，進一步使鋼渣碎裂或粉化。

鋼渣熱潑處理技術(shù)對鋼渣流動性基本沒有要求；處理后鋼渣中f-CaO含量較高，為3%～10%，需消解數(shù)年穩(wěn)定后才能達到用于建材行業(yè)的標準要求；處理后的鋼渣大塊居多，粒度小于20 mm的含量僅約10%；渣鐵較難分離。另外，處理過程所產(chǎn)生的含塵蒸汽無組織排放，環(huán)境污染較重(圖1)。目前，該技術(shù)已落后，正在被其他先進技術(shù)取代。

圖1 鋼渣熱潑現(xiàn)場

1.2 鋼渣的水淬處理技術(shù)

圖2 鋼渣水淬處理工藝示意圖

鋼渣水淬處理技術(shù)的優(yōu)點是處理后的鋼渣粒度比較均勻且粒度較小，其中5 mm以下的粒級含量可達到95%。但是需要鋼渣要有比較好的流動性，處理后鋼渣中渣鐵相互包裹，不易分選。另外，如果操作不當，會發(fā)生爆炸等安全事故。

1.3 鋼渣的風淬處理技術(shù)

鋼渣風淬技術(shù)[36]是當熔融鋼渣由專用容器緩慢傾倒的過程中，液態(tài)鋼渣被高速的空氣流沖擊，使鋼渣被分割成直徑為2 mm左右的液體顆粒。液滴在氣流的帶動下飛行并落入水中迅速?；?，鋼渣風淬現(xiàn)場處理如圖3所示。

圖3 鋼渣風淬處理現(xiàn)場

如圖4所示為滾筒法處理鋼渣的倒渣現(xiàn)場圖，可以看出該技術(shù)需要熔融鋼渣具有較好的流動性；處理后的鋼渣物相相互包裹，渣鐵分離困難；噸渣耗氣量較大，為30～40 m3·t-1；處理后的鋼渣粒度較小且比較均勻，小于2 mm的粒級占比95%以上。風淬技術(shù)主要在馬鋼應用[37-38]。

圖4 鋼渣滾筒處理

1.4 鋼渣滾筒?；幚砑夹g(shù)

鋼渣滾筒?；夹g(shù)[39-40]是將熔融液態(tài)鋼渣由專用容器緩慢傾倒至斜放置的旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)，在倒渣的同時對鋼渣進行噴水冷卻，同時，滾筒內(nèi)存在的鋼球與鋼渣之間相互撞擊。在溫度應力和撞擊力的共同作用下，鋼渣破碎成較小的固體顆粒。

如圖4所示為滾筒法處理鋼渣的倒渣現(xiàn)場圖，可以看出該技術(shù)要求鋼渣具有較好的流動性；處理后80%以上的鋼渣顆粒徑小于10 mm；但是該工藝處理后鋼渣中f-CaO含量高，為3%～5%；另外，該設備復雜，維修難度較大，維護成本高，運行成本也高(折合噸渣10～15元)。

目前中國應用該鋼渣處理方法的鋼廠主要包括寶鋼二煉鋼廠[41]。

1.5 鋼渣常壓池式熱悶技術(shù)

如圖5所示鋼渣常壓池式熱悶技術(shù)是200～1 650 ℃的鋼渣分批次倒進熱悶池的同時，進行打水作業(yè)，待裝渣完成后，熱悶池蓋蓋并打水熱悶。熱悶池中產(chǎn)生的高溫水蒸氣與鋼渣中f-CaO、f-MgO反應[式(1)、式(2)][42]，從而完成鋼渣中f-CaO、f-MgO的消解。同時鋼渣體積膨脹，致使鋼渣自解粉化。鋼渣在熱悶池熱悶一定時間(一般為8～12 h)后，鋼渣溫度降低到60 ℃左右，揭開熱悶池的蓋，進行鋼渣取出作業(yè)。至此，鋼渣熱悶自解完成。

(1)

(2)

圖5 鋼渣池式熱悶處理技術(shù)示意圖

鋼渣常壓池式熱悶技術(shù)對鋼渣的流動性沒有要求，適用于固態(tài)、半固態(tài)、液態(tài)鋼渣；處理后的鋼渣中f-CaO小于3%，浸水膨脹率低于2%；處理后的鋼渣中粒級小于20 mm的含量可達60%以上；熱悶過程對環(huán)境污染小。但是，該工藝熱悶過程時間較長，約10 h，且噸渣耗水量較大，約為500 kg。

目前，應用該技術(shù)處理鋼渣的鋼鐵企業(yè)主要包括包鋼、昆鋼、鞍鋼、本鋼、首鋼、日照鋼廠、新余鋼廠和九江鋼廠等[43]。

1.6 鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶處理技術(shù)

在鋼渣常壓池式熱悶技術(shù)基礎上，中冶建筑研究總院有限公司和中冶節(jié)能環(huán)保有限責任公司開發(fā)了鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶新型鋼渣穩(wěn)定化處理技術(shù)[44-46]。其三維效果如圖6所示，可以看出該技術(shù)主要包括輥壓破碎工序和余熱有壓熱悶工序[47-48]，具體包括鋼渣倒渣過程、輥壓破碎過程和有壓熱悶過程，如圖7所示。即鋼渣經(jīng)由渣罐傾翻車倒進破碎床，同時進行輥壓破碎和打水冷卻作業(yè)，完成鋼渣的破碎和降溫工作，確保出渣溫度控制在800 ℃左右，粒度小于300 mm。破碎降溫后的鋼渣倒運至熱悶區(qū)的壓力設備內(nèi)，密閉后進行打水作業(yè)。液態(tài)水遇到高溫鋼渣變成水蒸氣，從而產(chǎn)生0.2～0.4 MPa的壓力，使鋼渣中f-CaO快速消解，完成鋼渣的穩(wěn)定化處理，并使鋼渣粉化[49-50]。

圖6 有壓熱悶生產(chǎn)線三維效果圖

圖7 鋼渣有壓熱悶處理

與鋼渣常壓池式熱悶相比，鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù)熱悶工序的壓力為0.2～0.4 MPa，可以使f-CaO消解時間大幅降低至2 h左右，噸渣需要0.3～0.4 t水；熱悶后鋼渣中粒度低于 20 mm 含量大于70%；最重要的是處理過程中產(chǎn)生的蒸汽通過管道進行有組織排放，環(huán)境污染小。目前珠海粵裕豐、濟源鋼廠、滄州中鐵、江蘇鑌鑫、鞍鋼鲅魚圈等十多家鋼廠采用此技術(shù)處理鋼渣[51-52]。

2 鋼渣處理技術(shù)應用

2.1 國外鋼渣處理技術(shù)

由于日本地少人多，且鋼渣產(chǎn)量相對較大，因此十分重視對鋼渣的處理利用。日本主要采用露天或在熱悶罐內(nèi)對鋼渣進行蒸汽陳化處理，該工藝是針對冷態(tài)鋼渣進行處理的技術(shù)。

日本的鋼渣露天蒸汽陳化處理示意圖如圖8所示。該工藝技術(shù)是將冷態(tài)鋼渣倒入內(nèi)壁嵌鋼板、底部設蒸汽管道、三面封閉的陳化箱內(nèi)，之后通入蒸汽處理144 h，處理后的鋼渣運送至鋼渣堆場備用。整個處理過程噸鋼渣消耗140～250 kg蒸汽。該工藝存在蒸汽消耗量大、自動化程度低、處理周期長的缺點。如圖9所示為鋼渣陳化處理現(xiàn)場。

圖8 鋼渣的露天蒸汽陳化處理示意圖

圖9 鋼渣露天蒸汽陳化處理現(xiàn)場

日本的熱悶罐鋼渣陳化工藝類似于中國的輥壓破碎-余熱有壓熱悶工藝的有壓熱悶工序，該工藝是將冷態(tài)鋼渣破碎至30～50 mm，通過專用設備運轉(zhuǎn)至蒸汽陳化罐，陳化罐密封后通入0.6 MPa的飽和蒸汽(溫度約160 ℃)。在上述條件下陳化 3 h 左右，由料倉自卸至轉(zhuǎn)運設備，運輸至鋼渣堆場備用。處理后的鋼渣安定性良好，100%得到利用率。該工藝處理周期短，鋼渣安定性好，但是需要外界通入高溫高壓蒸汽，且蒸汽消耗量大，1 t渣需 80～100 kg蒸汽，能源消耗量大[53]。

大多數(shù)德國鋼鐵企業(yè)采用鋼渣自然陳化處理方法，即鋼渣在長時間堆放過程中，空氣中的水分和CO2使鋼渣中f-CaO、f-MgO消解，從而達到穩(wěn)定鋼渣的目的。如若高溫鋼渣不能進行露天自然陳化處理，德國采用的是在高溫融態(tài)鋼渣改性技術(shù)對鋼渣進行處理。該技術(shù)是將石英砂加入到熔融鋼渣中，然后在渣床上進行空氣冷卻，得到?；撛?。目前該方法只在德國部分鋼廠試用，暫未得到大面積推廣[54]。

西班牙在箱式熱潑廠對鋼渣進行熱潑并同時進行打水作業(yè)處理，加快鋼渣消解速率。英國、加拿大、印度等國的鋼鐵企業(yè)主要采用熱潑對鋼渣進行處理。美國因地大物博，人口密度較小，不少地方可供填埋或堆棄，因此鮮見鋼渣處理利用的報道。

2.2 中國鋼渣處理工藝技術(shù)

隨著中國粗鋼產(chǎn)量的連年增長，近年來中國鋼渣年產(chǎn)生量均在1×108t以上，盡管鋼渣處理工藝較多[55-58]，但大多數(shù)鋼廠采用落后的熱潑法工藝，由于處理后鋼渣安定性不良，致使鋼渣資源化利用率低于30%。因此，大量鋼渣被堆棄，造成土地的大量占用，存在安全和環(huán)境隱患。為解決鋼渣資源化利用率低的問題[59-61]，中冶建筑研究總院有限公司、中冶節(jié)能環(huán)保有限責任公司開發(fā)了鋼渣常壓池式熱悶處理技術(shù)，該技術(shù)在中國數(shù)十上百家鋼廠得到了應用，中國市場占有率達到50%以上。

盡管中國很多家鋼廠在用，但是常壓池式熱悶f-CaO消解反應速率慢(10 h左右)，所以效率較低；同時，沒有考慮鋼渣顯熱回收問題，熱能回收率低；另外，該技術(shù)的以工程機械作業(yè)為主，無適用性強的配套專用設備。近年來，隨著中國對鋼渣處理及資源化利用和環(huán)境保護的重視，同時，為了使鋼渣處理過程的高效、自動控制和熱能回收，中冶建筑研究總院有限公司、中冶節(jié)能環(huán)保有限責任公司研發(fā)了第四代鋼渣處理技術(shù)——輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù)。圖10是中國某鋼廠鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶生產(chǎn)線現(xiàn)場圖。

圖10 某鋼廠鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶工藝生產(chǎn)線

該技術(shù)處理后的鋼渣渣鐵分離效果好，利于鋼渣中鐵資源的提取；處理后尾渣安定性合格，可用于建材、道路等領域，為鋼渣的全部資源化利用提供了技術(shù)保障[62-64]。該處理工藝噸渣消耗0.3～0.4 t水；熱悶過程所產(chǎn)生的蒸汽通過管道進行有組織排放，處理過程潔凈環(huán)保，外排煙氣顆粒濃度可控制在10 mg·m-3以內(nèi)，滿足超凈排放要求；采用系統(tǒng)化的鋼渣處理裝備，裝備自動化水平高，工作強度大幅降低，車間工作人員大幅度減少；生產(chǎn)電耗低，折合噸渣約7.25 kW·h。另外，該工藝流程短，與現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)節(jié)奏相匹配，鋼渣處理過程高效，為鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排開創(chuàng)了新的途徑。

3 結(jié)論

綜上所述，熱潑法、水淬法、風淬法存在處理方式粗放、敞開，大量的含塵蒸汽無組織排放，對環(huán)境造成嚴重污染；常壓池式熱悶f-CaO消解反應時間長，效率低，且鋼渣顯熱沒有得到回收；同時，以上技術(shù)均以工程機械作業(yè)為主，無適用性強的配套專用設備。盡管滾筒法鋼渣處理實現(xiàn)了處理過程的裝備化和潔凈化，但是滾筒法只能處理液態(tài)鋼渣，大大限制了該技術(shù)在鋼渣處理過程的應用。

鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶處理技術(shù)處于半封閉狀態(tài)，對固態(tài)、半固態(tài)、液態(tài)鋼渣完全適用，且設置除塵裝置，能夠滿足煙塵排放標準；鋼渣粉化率達到70%，f-CaO含量降低到2.0%，鋼渣尾渣綜合利用率高達100%；同時實現(xiàn)了鋼渣顯熱回收的關(guān)鍵技術(shù)難題，將鋼渣余熱置換成有壓蒸汽，在鋼渣快速穩(wěn)定化處理的同時實現(xiàn)了熱能回收，是高溫鋼渣資源化處理和熱能回收一體化新技術(shù)。當前，隨著中國及其他國家對環(huán)保工作及鋼渣資源化利用工作的日益重視，鋼渣的規(guī)范化處理和資源化利用工作十分迫切。因此，鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶處理技術(shù)必將引領鋼渣處理新技術(shù)。