摘 要：本文論述了我國鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)理念和綠色環(huán)保的新特點，討論了鋼鐵廠從焦化、球團(tuán)、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼和軋鋼及配套系統(tǒng)全工序產(chǎn)生的固廢產(chǎn)物種類和相關(guān)冶金特性，研究不同種類固廢產(chǎn)物的處理模式。重點針對工程堆放和外銷類固體廢棄資源，深入探討 “含有害元素除塵灰處理方”、“危險廢棄物處置”和“冶金渣高溫轉(zhuǎn)換與余熱回收方式”的難題，并圍繞這些難題創(chuàng)造性地提出了鋼鐵企業(yè)固廢產(chǎn)物大平臺處理的總體技術(shù)發(fā)展路線，希望能為今后我國的鋼鐵企業(yè)固體廢棄物實現(xiàn)“零排放”起到促進(jìn)作用。
關(guān)鍵詞：鋼鐵企業(yè)，固體廢棄物，再利用，零排放
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是高消耗、高排放行業(yè)，整個產(chǎn)業(yè)鏈最大排放是鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的固體廢棄物。2015 年，我國粗鋼產(chǎn)量 8.04 億噸，以每噸鋼產(chǎn)生固體廢棄物 600~800kg 估算，全年共產(chǎn)生固體廢棄物 4.8 億~6.4 億噸，主要構(gòu)成為冶煉過程形成的爐渣、含鐵塵泥、燒結(jié)脫硫產(chǎn)物等，僅冶金渣就超過 2 億噸 [1] 。固體廢棄物占用大量的土地資源，污染周邊環(huán)境，為此，提高鋼鐵流程固體廢棄物資源化高附加值利用是鋼鐵企業(yè)必須解決的重大問題。
近年來，我國先后建成數(shù)家先進(jìn)長流程大型鋼鐵廠，大幅增強(qiáng)了我國鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)綜合實力。鋼鐵廠側(cè)重打造多元化功能，提升“鋼鐵產(chǎn)品制造”、“鋼鐵生產(chǎn)能源轉(zhuǎn)換”和“鋼鐵廢棄物消納-處理和資源化”的多平臺綜合能力 [2] 。緊緊圍繞“節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建立節(jié)約型企業(yè)、實現(xiàn)資源再利用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、打造綠色鋼鐵”的指導(dǎo)方針，努力探索冶金固體廢棄物資源化處理的新途徑 [3] 。
本文以年粗鋼生產(chǎn)規(guī)模 900 萬噸的鋼鐵廠為研究對象，闡述其綠色環(huán)保發(fā)展特點，分析鋼鐵生產(chǎn)全流程，包括焦化、球團(tuán)、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼和軋鋼及配套系統(tǒng)工序的固廢種類和冶金特性。針對不同類型的固體廢棄物，重點研究抓好資源高效處理的技術(shù)手段與措施，結(jié)合生產(chǎn)實踐指出包括“有害元素除塵灰處理”、 “危險廢棄物處置”、“冶金渣高溫轉(zhuǎn)換與余熱回收方式”等有待進(jìn)一步優(yōu)化解決的問題，并勾勒出打造固體廢棄物處理大平臺的工作路線。
1 我國鋼鐵企業(yè)綠色發(fā)展新特點
我國是全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費國，2016 年我國粗鋼產(chǎn)量 8.08 億噸，占世界粗鋼總產(chǎn)量 49.6%。
支撐我國大規(guī)模鋼鐵生產(chǎn)的主要是以“高爐、轉(zhuǎn)爐”為主的長流程鋼鐵企業(yè)。我國鋼產(chǎn)量中約 90%采用長流程生產(chǎn) [4] 。
近年我國陸續(xù)投產(chǎn)了一批先進(jìn)長流程生產(chǎn)工藝的鋼鐵廠，包括鞍鋼鲅魚圈鋼鐵廠，首鋼京唐曹妃甸鋼鐵廠、寶鋼股份湛江鋼鐵廠等，這些廠在規(guī)劃建設(shè)之初就規(guī)避了以往鋼鐵廠“工程投資高、生產(chǎn)成本高、能耗高、碳排放高”的被動局面，側(cè)重打造“節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展”的新特點。
2010 年，首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司一期工程竣工，建有 7.63m 大型焦?fàn)t、550m 2 燒結(jié)機(jī)、504m 3球團(tuán)帶式焙燒機(jī)、5500m 3 超大型高爐、300t 大型轉(zhuǎn)爐及連鑄、冷熱軋產(chǎn)線等先進(jìn)裝備。建設(shè)期間，堅持以“減量化、再利用、資源化”為原則，加大對余熱、余壓、余氣、廢水、含鐵物質(zhì)和固體廢棄物的循環(huán)利用[5] 。投產(chǎn)后，該廠噸鋼綜合能耗、噸鋼耗新水、噸鋼粉塵排放量等指標(biāo)均達(dá)到世界一流水平。寶鋼股份湛江鋼鐵基地項目優(yōu)先考慮減少資源、能源消耗和污染物排放，盡可能在企業(yè)內(nèi)部實現(xiàn)固體廢棄物資源化利用，兼顧資源再循環(huán)利用，實現(xiàn)了“高效率、低消耗和低排放” [ 6] 。
我國“十三五”期間將繼續(xù)加快處理鋼鐵工業(yè)大宗固體廢棄物的發(fā)展步伐，國務(wù)院發(fā)布的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中明確了節(jié)能減排工作的主要目標(biāo)和重點任務(wù)，并要求鋼鐵行業(yè)把“綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展、兩化融合”作為實施途徑，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，拓寬鋼鐵生產(chǎn)流程中固體廢棄物協(xié)同處置渠道 [7] 。由此，要全面實現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)，固體廢棄物再利用和全量處理是需要重點解決的課題。
2 我國鋼鐵企業(yè)固體廢棄物資源化處理模式探討
2.1 固體廢棄物產(chǎn)生情況與特性分析
以年粗鋼生產(chǎn)規(guī)模約 900 萬噸的某長流程鋼鐵廠為研究對象，統(tǒng)計得出伴隨鋼鐵生產(chǎn)各工序年形成固體廢棄物約 608.5 萬噸，主要為 “含鐵類固廢產(chǎn)物”、“含碳類固廢產(chǎn)物”和“其他類固廢產(chǎn)物 ”3 類。
2.1.1 含鐵類固體廢棄物
圖 1 和 2 分別為主要含鐵類固體廢棄物細(xì)分情況和產(chǎn)量分布，合計產(chǎn)生 26 種約 253 萬噸，噸鋼產(chǎn)生量約 280kg。其中，鐵前與煉鐵工序產(chǎn)生 9 種，占總重的 29.8%;煉鋼工序產(chǎn)生 8 種，占總重的 58.5%、軋鋼和其他工序產(chǎn)生 9 種，占總重的 11.7%。
表 1 是 3 種含鐵類固廢產(chǎn)主要化學(xué)成分，產(chǎn)物含較高鐵錳等元素，利用價值很大。
2.1.2 含碳類固體廢棄物
圖 3 為各工序含碳類固體廢棄物細(xì)分情況，包括篩下焦末、焦化環(huán)境灰、生化污泥和焦油渣。
表 2 是各種含碳類固體廢棄物年產(chǎn)生量，總計約55.5 萬噸，相當(dāng)于噸鋼產(chǎn)生量 65kg，篩下焦末占比達(dá)87.5%，主要作為燒結(jié)燃料使用。
表 3 是典型含碳類固體廢棄物主要化學(xué)成分，碳含量較高，適合回收利用。
2.1.3 其他類固體廢棄物
其他類固廢年產(chǎn)生量約 300 萬噸，主要包括：煉鐵工序產(chǎn)生的脫硫灰、高爐渣，配套電廠產(chǎn)生的粉煤灰及爐渣，廢棄耐火磚和冷軋工序鋅渣等，其中高爐渣占比約 90%，目前水淬高爐渣細(xì)磨成超細(xì)粉用于建筑工程。
2.2 固體廢棄物資源化再利用實踐
鋼廠是生態(tài)工業(yè)鏈中重要的一環(huán)，而固體廢棄物再利用是鋼鐵廠重新獲取資源的重要渠道之一 [8] 。鋼廠結(jié)合自身技術(shù)工藝特性，選擇經(jīng)濟(jì)合理的再利用策略，確定內(nèi)部循環(huán)使用路徑。對于暫時不能處理的固體廢棄物采用工程堆存或外銷的處理模式。
2.2.1 鋼鐵流程內(nèi)部循環(huán)使用
圖 4 為主流程清潔生產(chǎn)內(nèi)循環(huán)設(shè)計路徑，綜合考慮各種固體廢棄物的冶金性能、產(chǎn)生量與煉鐵-煉鋼工序相匹配等因素，盡量利用不同過程的排放物、廢棄物和剩余能量進(jìn)行過程間體系設(shè)計。
含鐵類固體廢棄物中，約有 133.5 萬噸在鋼廠內(nèi)循環(huán)使用，占總產(chǎn)生量的 52.9%，具體如下：
(1)鐵前和煉鐵工序：礦料場、球團(tuán)料場、廠際間轉(zhuǎn)運站和高爐產(chǎn)生的除塵灰由吸排車運送到礦料場，配入混勻礦使用。燒結(jié)廠內(nèi)部除塵灰由管道輸送進(jìn)入燒結(jié)灰倉搭配使用，球團(tuán)環(huán)境灰進(jìn)入球團(tuán)灰倉自循環(huán)使用。
各類粉塵灰耗用是處理難點，2011 年韓國浦項鋼鐵公司粉塵排放量為 0.11kg/t 鋼，同期我國重點企業(yè)達(dá)0.99kg/t 鋼 [9] ，差異明顯。為此在粉塵灰產(chǎn)出量高的鐵前和煉鐵工序大量增加小倉，把廠內(nèi)產(chǎn)生量多而且種類各異的灰塵配入鋼鐵流程中使用。
(2)煉鋼工序：煉鋼一次灰應(yīng)用于冷固球團(tuán)造球后供煉鋼使用，煉鋼產(chǎn)生的氧化鐵皮、脫硫渣進(jìn)入混勻礦或煉鋼回用，渣鋼和鑄余鋼作為廢鋼回用，小粒鋼渣配入混勻礦使用。
(3)軋鋼工序：熱軋氧化鐵皮運到礦料場配入混勻礦，用于燒結(jié)。熱軋油泥干燥后鐵含量 50%~60%且粒度較細(xì)，供球團(tuán)使用。冷軋酸再生泥餅直接在球團(tuán)配用。
含碳類固體廢棄物已實現(xiàn)鋼廠 100%內(nèi)部循環(huán)。篩下焦末供燒結(jié)使用，焦化環(huán)境灰、焦化生化池的焦油渣和焦化生化污泥配入型煤，實現(xiàn)了無害化回用。
2.2.2 工程堆存或外銷
針對目前不能處理的固體廢棄物，鋼廠采用工程堆存或外銷的處理方式。每年約有 92 萬噸煉鋼渣悶渣提取渣鋼后的尾渣需要堆存。成為鋼廠急需解決的難題。
其他類固廢產(chǎn)物基本采用外銷方式，包括高爐渣、冷軋的氧化鐵粉等。每年約有 27 萬噸的含鐵類固體廢棄物外銷。
3 固廢資源化利用存在問題的探討
3.1 含有害元素的除塵灰處理方式
鋼廠每年產(chǎn)生含鉀、鈉、鋅等有害元素的固體廢棄物約 8.5 萬噸，表 4 是兩種典型產(chǎn)物的檢測成分。
含鉀、鈉、鋅、鉛等有害元素的固體廢棄物在高爐中循環(huán)富集對生產(chǎn)危害極大，造成高爐懸料、結(jié)瘤、爐況不順等惡劣影響。實踐證明，含 Zn 超過 2.0%以上的除塵灰循環(huán)利用會明顯增加高爐的鋅負(fù)荷，影響高爐穩(wěn)定生產(chǎn) [10] 。部分企業(yè)為了控制鋅負(fù)荷而配置轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線來處理含鋅塵泥，但是處理費用高，有必要探尋更優(yōu)更經(jīng)濟(jì)的處理方法。
3.2 危險廢棄物處置方式
鋼廠每年產(chǎn)生約 5000t 的含油垃圾、含油污泥等危險廢棄產(chǎn)物，其處理費用貴。我國危險廢棄物處理處在初級階段，處理能力存在較大缺口 [11] 。為降低鋼廠處理成本，結(jié)合鋼廠危險廢棄物產(chǎn)量大的特點，建議在政府相關(guān)部門指導(dǎo)監(jiān)管下由鋼鐵廠設(shè)立集中危險廢物處置加工中心。這樣，既能滿足鋼廠內(nèi)部危險廢物處置要求，又能完成對周邊園區(qū)和社會的危險廢物集中處置，擴(kuò)充鋼廠的城市垃圾處理功能。鋼廠應(yīng)積極爭取國家政策支撐和相關(guān)措施鼓勵，參與城市垃圾處理工作。
3.3 冶金渣高溫轉(zhuǎn)換與余熱利用方式
煉鐵和煉鋼工序產(chǎn)生大量的高溫渣，包括高爐渣、脫硫渣、脫碳渣、精煉渣等。這些渣冶金性質(zhì)不同，均采用水冷處理，消耗了大量的水資源，還造成熱能浪費。以高爐渣為例，2015 年全國高爐爐渣產(chǎn)量約 2.51億噸，其熱量可折算為 1367 萬噸標(biāo)煤，再利用潛力巨大 [12] 。以冶金渣高溫轉(zhuǎn)換與余熱利用為標(biāo)志的新型處理方法將是固體廢棄物節(jié)能的重要發(fā)展方向之一。
4 建設(shè)鋼鐵廠固廢產(chǎn)物處理大平臺的思考
鋼廠的固體廢棄物種類繁多、特性各異、產(chǎn)生量差異很大。固廢集中管理和新技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新是實現(xiàn)固廢資源化高效利用的有效手段。有鑒于此，提出了搭建鋼鐵企業(yè)固廢處理大平臺的構(gòu)想，見圖 5。
鋼鐵廠固廢處理向四個方向開展工作，分別是：
(1)持續(xù)推進(jìn)鋼鐵廠內(nèi)部固體廢棄物高價值循環(huán)再利用，通過優(yōu)化物料走向和技術(shù)研發(fā)等多種措施，提高產(chǎn)物的自消納率。
(2)充分利用高溫渣系中富含有價元素和熱能的特點，開發(fā)新型的“渣冶煉”工藝技術(shù)，對高溫渣中金屬Fe、P 和 Mn 等元素進(jìn)行提取，通過渣系調(diào)質(zhì)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。
(3)針對含鉀、鈉、鋅、鉛等有害元素的灰類產(chǎn)物，需進(jìn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，研發(fā)經(jīng)濟(jì)性新工藝以替代投資運行成本高的轉(zhuǎn)底爐工藝。
(4)危險廢棄產(chǎn)物屬于鋼鐵廠固廢處理的薄弱環(huán)節(jié)，通過建設(shè)鋼廠處置中心，既處理鋼廠內(nèi)部的危險固廢，又兼容社會垃圾的處置功能。
通過以上固體廢棄物綜合處置路線，實現(xiàn)環(huán)境治理和資源綜合利用相結(jié)合，打造“零排放”的鋼鐵廠。
5 結(jié)語
(1)我國鋼鐵企業(yè)的發(fā)展，在提升企業(yè)核心競爭力的同時，形成了“節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展”的新特點，正逐步成為清潔生產(chǎn)、綠色制造的實踐者。
(2)通過分析鋼鐵生產(chǎn)流程固體廢棄物的冶金特性，結(jié)合鋼鐵廠各工序的工藝特點，采用科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的固體廢棄物處理策略，將鋼廠多種固廢進(jìn)行最大化消納，重新獲取資源再利用。
(3)從清潔生產(chǎn)的角度出發(fā)，應(yīng)集中打造固廢資源利用大平臺，加強(qiáng)基礎(chǔ)研發(fā)，解決固廢產(chǎn)物處置難題，使鋼鐵廠成為環(huán)境友好的生態(tài)工業(yè)中的重要組成部分。
張壽榮1 ，張衛(wèi)東 2 ，姜 曦 3
(1. 武漢鋼鐵(集團(tuán))公司，湖北武漢 430083;2. 首鋼技術(shù)研究院，北京 100043;3. 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會，北京 100711)
來源:鋼鐵技術(shù)網(wǎng) 作者:張壽榮等
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