王高峰  王義忠  於 珩  吳 飆  李曉莉

（包鋼冶金渣公司（綠化公司））

摘 要：本文簡要介紹了鋼渣的基礎(chǔ)性能，簡述了國內(nèi)鋼渣處理工藝及包鋼現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了包鋼鋼渣用于煙氣脫硫的實(shí)踐研究，通過在多家企業(yè)開展鋼渣脫硫試驗(yàn)，結(jié)果表明，鋼渣脫硫效率高達(dá)98%以上，脫硫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長期的穩(wěn)定運(yùn)行，完全可以替代石灰石進(jìn)行煙氣脫硫，并且有很好的脫硫優(yōu)勢。鋼渣法脫硫減少了石灰石的開采，減少了二氧化碳排放，具有很好的環(huán)境效益和社會效益，具有很好的推廣價值。

關(guān)鍵詞：包鋼；鋼渣；煙氣脫硫；循環(huán)經(jīng)濟(jì)

1  前言

轉(zhuǎn)爐鋼渣是煉鋼過程中所排出的廢渣，其產(chǎn)生量通常為粗鋼產(chǎn)量的12%~18%，主要來自造渣材料（石灰石、白云石、螢石、鐵礦石、硅石）以及爐料的氧化物、侵蝕的爐襯和補(bǔ)爐材料、雜質(zhì)等。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼渣產(chǎn)生量也在逐年增加。大量堆存的鋼渣既對環(huán)境造成危害又占用大量土地，因而加強(qiáng)鋼渣的資源化綜合利用關(guān)系到鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展本。綜合國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)，鋼渣綜合利用方向主要集中于冶金領(lǐng)域和建筑領(lǐng)域。鋼渣中含有較高含量的CaO，在冶金領(lǐng)域可以代替石灰石用作燒結(jié)配料，鋼渣中含有大量的鐵粒，含廢鋼量約為10~15%，通過破碎磁選可以回收廢鋼鐵，進(jìn)而進(jìn)行重新利用^[1]。除了含有金屬鐵外，鋼渣中還含有其他金屬，如Mn、Cr、V等。鋼渣具有密度大、強(qiáng)度高、磨損性小等優(yōu)良特性，可作為優(yōu)良的道路材料和工程回填材料，也可利用其含有較多的硅酸二鈣和硅酸三鈣等活性物質(zhì)，用于生產(chǎn)鋼渣水泥，鋼渣同時具有較高的潛在水硬膠凝性，可制備建筑用磚和砌塊。鋼渣在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也較為常見，用作肥料和進(jìn)行土壤改良。另外鋼渣表面具有良好的吸附性，可以用在廢水處理工程中。本文通過分析鋼渣的基礎(chǔ)性能，并通過應(yīng)用實(shí)踐，拓展鋼渣在煙氣脫硫的研究及應(yīng)用。

2  鋼渣的基礎(chǔ)性能

鋼渣的化學(xué)成分主要有CaO、SiO₂、FeO、Fe₂O₃、MgO、MnO、P₂O₅和f-CaO、f-MgO。由于不同的鋼鐵生產(chǎn)工藝以及原料的不同，鋼渣的成分也存在著一定的波動。鋼渣的主要礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣、游離石灰（f-CaO）、RO相（R代表鎂、鐵、錳的氧化物，即FeO、MgO、MnO形成的固溶體）等。在煉鋼過程中需要不斷的加入石灰，鋼渣的組成成分也隨石灰量的增多而發(fā)生變化。鋼渣在煉鋼初期的成分主要有鈣鎂橄欖石，因其堿度不斷提高，吸收CaO從而轉(zhuǎn)變成為鈣鎂薔薇輝石，期間還伴隨著RO相的放出，繼續(xù)增加石灰，則生成硅酸二鈣和硅酸三鈣^[2]。

3  國內(nèi)鋼渣處理工藝及包鋼現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)轉(zhuǎn)爐鋼渣處理的主流工藝有熱悶法、熱潑法、滾筒法、風(fēng)淬法、水淬法及盤潑法等，輥壓破碎有壓熱悶技術(shù)近年也在部分企業(yè)得到了應(yīng)用，該工藝處理效率高，處理過程潔凈化程度高，熱悶后的鋼渣粉化率高，是現(xiàn)今鋼渣處理比較先進(jìn)的工藝。各種方法的主要目的是將熔融態(tài)轉(zhuǎn)爐鋼渣冷卻、破碎，以待進(jìn)一步處理利用。冷卻后轉(zhuǎn)爐鋼渣的處理一般遵循破碎、磁選、篩分的工藝。

包鋼處理的鋼渣是煉鋼脫硫渣、轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣，現(xiàn)有鋼渣處理工藝主要為熱悶/熱潑破碎、磁選及篩分工藝，是目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)使用較多的鋼渣處理工藝，包鋼現(xiàn)有鋼渣處理工藝及生產(chǎn)線見下圖。

包鋼現(xiàn)有鋼渣處理工藝及生產(chǎn)線

熱悶工藝流程為：滿渣罐-吊車-渣入池-打水處理-集中打水-悶渣處理-出渣-磁選線，熱悶配套的磁選工藝流程為：除鐵-破碎-棒磨-除鐵-磁選-篩分。熱潑工藝流程為將鋼渣傾翻噴水冷卻，使鋼渣大部分自解破碎，熱潑配套的磁選線包括除鐵、磁選、篩分工藝。經(jīng)熱悶/熱潑、破碎、磁選工藝加工后，主要產(chǎn)品為鋼坨、流鋼片、粒鋼、磁性物料及不同粒徑的尾渣等。

4  包鋼鋼渣進(jìn)行煙氣脫硫?qū)嵺`

由于鋼渣中的CaO和MgO含量較高，結(jié)合鋼渣主要礦相為硅酸二鈣、硅酸三鈣等，因此鋼渣是一種很有潛力的脫硫劑。

4.1  鋼渣脫硫劑的制取

鋼渣中金屬相、RO相（固溶物）物質(zhì)活性度很差，直接用于脫硫效率很低，必須經(jīng)過加工處理使鐵、鈣、鎂、錳等活性氧化物相對富集。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，鋼渣經(jīng)過熱悶（或熱潑）、破碎、篩分、磁選將大顆粒金屬及固溶物去除，取得粒度小于10mm的粒狀鋼渣，鈣、鎂、鐵等活性氧化物相對富集，再經(jīng)粉磨、分離、提純后形成超細(xì)粉作為復(fù)合礦物脫硫劑。包鋼采用干法生產(chǎn)脫硫劑，國內(nèi)鋼渣法煙氣脫硫工藝大多采用濕法制取，相比濕法，干法制取的脫硫劑活性更高，用量較少，推廣利用半徑更大。

4.2  鋼渣脫硫劑脫硫反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)鋼渣漿液脫硫后產(chǎn)物分析得到相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物，將鋼渣漿液脫硫反應(yīng)過程分為3個階段^[3]：

第一階段：鋼渣漿液中有游離的氧化鈣與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鈣，此時溶液的 pH值升高，而鋼渣礦物不會被水解。當(dāng)鋼渣漿液與模擬的燒結(jié)煙氣中SO₂接觸后發(fā)生反應(yīng)生成相應(yīng)的亞硫酸鹽，而燒結(jié)煙氣中含有氧在鋼渣漿液中起到氧化作用，生成相應(yīng)的硫酸鹽。隨著 SO₂的不斷通入，氫氧化鈣、氫氧化鎂等堿性物質(zhì)逐漸被消耗，溶液的pH值下降，鋼渣礦物開始分解。

第二階段：鋼渣漿液在偏酸性環(huán)境下，其主要礦物硅酸二鈣(2CaO?SiO₂)、硅酸三鈣(3Ca O?SiO₂)、鈣鎂橄欖石(CaO?MgO?SiO₂)等物質(zhì)開始水化分解，分解出的主要氧化物 CaO、Mg O 與 SO₂水溶液反應(yīng)生成相應(yīng)的硫酸鹽，與此同時亞硫酸鹽與溶解氧反應(yīng)生成相應(yīng)的硫酸鹽

第三階段：在酸性環(huán)境下，礦物分解出的氧化物與 SO₂水溶液反應(yīng)完成后，SO₂繼續(xù)通入反應(yīng)器中導(dǎo)致 pH值下降，這時FeO開始反應(yīng)直到鋼渣中的物質(zhì)被硫酸溶液吸收耗盡，反應(yīng)停止。

4.4  包鋼鋼渣脫硫劑應(yīng)用情況

鋼渣脫硫劑脫硫類似于石灰石-石膏法的干、濕法脫硫工藝，二者在流程設(shè)置上也比較相似，完全可以替代石灰石，但也有不同的地方，鋼渣中含有的部分金屬氧化物對其濕法脫硫的整個過程起到催化和促進(jìn)作用不容忽視。

鋼渣法與石灰石法、石灰法的比較見表1。

表1 鋼渣法與石灰石法、石灰法的比較

包鋼自2015年開始開展鋼渣法脫硫應(yīng)用試驗(yàn)，先后在冶金、化工、火電及普通燃煤火爐等行業(yè)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，脫硫系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，脫硫效果顯著，已與部分企業(yè)形成長期合作。開展的工業(yè)試驗(yàn)及應(yīng)用情況見表2。

表2 包鋼復(fù)合礦物脫硫劑應(yīng)用情況

通過開展試驗(yàn)，鋼渣脫硫效率高于石灰石粉，對煙氣二氧化硫濃度變化的適應(yīng)性強(qiáng)于石灰石粉，同等條件下，鋼渣脫硫漿液消耗量低于石灰石粉，即使在配加高硫礦的情況下，煙氣出口SO₂濃度仍能保證達(dá)標(biāo)排放，脫硫效率保持在98%以上，并且脫硫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長期的穩(wěn)定運(yùn)行，對設(shè)備無額外負(fù)擔(dān)，終端價格適中。鋼渣法脫硫具有良好的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，具有很好的推廣價值。

4.3  鋼渣脫硫劑脫硫的優(yōu)勢

煙氣脫硫技術(shù)主要用于火力發(fā)電廠和鋼鐵行業(yè)燒結(jié)、球團(tuán)廠的煙氣處理?，F(xiàn)在采用的煙氣脫硫技術(shù)種類很多，但其中以石灰石——石膏法脫硫占比例最高。日本、德國、美國的火力發(fā)電廠采用的煙氣脫硫裝置約80%以上采用此工藝。該工藝優(yōu)點(diǎn)是脫硫率高和脫硫劑利用率高，脫硫效率大于95%，運(yùn)行穩(wěn)定。缺點(diǎn)是石灰石－石膏濕法采用石灰石作吸收劑，而石灰石資源是一種不可再生的礦產(chǎn)資源，同時開采石灰石的礦山和地區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，并且恢復(fù)效果難以達(dá)到理想狀況；而且工藝流程較長，占地面積大，投資較高，運(yùn)行費(fèi)用高；同時脫硫石膏的供求狀況地域性差異大，中西部天然石膏儲量豐富造成天然石膏大量拋棄而無處堆放；石灰石——石膏濕法脫硫副產(chǎn)物CO₂氣體是典型的溫室氣體，雖脫除了SO₂但造成了大量溫室氣體排放，采用鋼渣脫硫劑脫硫，減少了CO₂排放，今后還可參與碳排放交易。鋼渣脫硫劑脫硫效率高，脫硫效率可以達(dá)到98%以上，可將現(xiàn)有脫硫裝置入口二氧化硫濃度提高20-30%，這樣能拓寬原燃料采購渠道，降低生產(chǎn)成本。利用鋼渣脫硫劑進(jìn)行煙氣脫硫同時可在鋼渣堆存、運(yùn)輸、管理、鹽堿地改良等方面產(chǎn)生潛在的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

5   結(jié)語

鋼渣屬于大宗冶金固廢，鋼渣綜合利用需兼具量大、高效、環(huán)保等多項(xiàng)因素，并且還需考慮地域因素。經(jīng)過多年的實(shí)踐研究，利用鋼渣生產(chǎn)脫硫劑用于煙氣脫硫是目前包頭地區(qū)解決鋼渣綜合利用較可行的科學(xué)方案。通過開展試驗(yàn)，鋼渣脫硫效率高，完全可替代石灰石粉進(jìn)行煙氣脫硫，并且對煙氣二氧化硫濃度變化的適應(yīng)性強(qiáng)于石灰石粉，對設(shè)備無額外負(fù)擔(dān)，終端價格適中。國內(nèi)石灰石礦產(chǎn)資源緊缺，急需其他產(chǎn)品代替石灰石進(jìn)行煙氣脫硫。將鋼渣再加工用于煙氣脫硫，既有效減少了石灰石的開采，又合理的利用了資源，實(shí)現(xiàn)固廢循環(huán)利用。呼包鄂地區(qū)集中了大量工業(yè)企業(yè)，鋼鐵、鋁業(yè)、稀土、電力、煤化工等企業(yè)均需消耗大量的脫硫劑，用鋼渣生產(chǎn)脫硫劑在呼包鄂地區(qū)具有廣泛的市場前景，利用鋼渣生產(chǎn)的脫硫劑替代石灰石進(jìn)行煙氣脫硫，對于綜合利用固廢、減少固廢產(chǎn)生、大幅降低采購成本、有效回收含鐵資源具有重要意義；同時脫硫副產(chǎn)物可進(jìn)行堿化土壤改良，真正做到“以廢治廢”，“既能還藍(lán)天，又能還綠地”，可為包鋼以及行業(yè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1]  王愛華.鋼渣的綜合利用研究[J].中國資源綜合利用,2009,27(12):8-9.

[2]  李冰,唐彪,王星磊.淺談鋼渣的綜合利用[J].建材與裝飾,2018(12):120-121.

[3]  張順雨,貴永亮,袁宏濤,宋春燕,王亞文.鋼渣用于燒結(jié)煙氣脫硫反應(yīng)機(jī)理分析[J].鑄造技術(shù),2016,37(12):2650-2653.