王高峰  王义忠  於 珩  吴 飙  李晓莉

（包钢冶金渣公司（绿化公司））

摘 要：本文简要介绍了钢渣的基础性能，简述了国内钢渣处理工艺及包钢现状，重点介绍了包钢钢渣用于烟气脱硫的实践研究，通过在多家企业开展钢渣脱硫试验，结果表明，钢渣脱硫效率高达98%以上，脱硫系统能够实现长期的稳定运行，完全可以替代石灰石进行烟气脱硫，并且有很好的脱硫优势。钢渣法脱硫减少了石灰石的开采，减少了二氧化碳排放，具有很好的环境效益和社会效益，具有很好的推广价值。

关键词：包钢；钢渣；烟气脱硫；循环经济

1  前言

转炉钢渣是炼钢过程中所排出的废渣，其产生量通常为粗钢产量的12%~18%，主要来自造渣材料（石灰石、白云石、萤石、铁矿石、硅石）以及炉料的氧化物、侵蚀的炉衬和补炉材料、杂质等。随着我国钢铁工业的快速发展，钢渣产生量也在逐年增加。大量堆存的钢渣既对环境造成危害又占用大量土地，因而加强钢渣的资源化综合利用关系到钢铁行业的可持续发展本。综合国内各大钢铁企业，钢渣综合利用方向主要集中于冶金领域和建筑领域。钢渣中含有较高含量的CaO，在冶金领域可以代替石灰石用作烧结配料，钢渣中含有大量的铁粒，含废钢量约为10~15%，通过破碎磁选可以回收废钢铁，进而进行重新利用^[1]。除了含有金属铁外，钢渣中还含有其他金属，如Mn、Cr、V等。钢渣具有密度大、强度高、磨损性小等优良特性，可作为优良的道路材料和工程回填材料，也可利用其含有较多的硅酸二钙和硅酸三钙等活性物质，用于生产钢渣水泥，钢渣同时具有较高的潜在水硬胶凝性，可制备建筑用砖和砌块。钢渣在农业领域中的应用也较为常见，用作肥料和进行土壤改良。另外钢渣表面具有良好的吸附性，可以用在废水处理工程中。本文通过分析钢渣的基础性能，并通过应用实践，拓展钢渣在烟气脱硫的研究及应用。

2  钢渣的基础性能

钢渣的化学成分主要有CaO、SiO₂、FeO、Fe₂O₃、MgO、MnO、P₂O₅和f-CaO、f-MgO。由于不同的钢铁生产工艺以及原料的不同，钢渣的成分也存在着一定的波动。钢渣的主要矿物相为硅酸二钙、硅酸三钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙、游离石灰（f-CaO）、RO相（R代表镁、铁、锰的氧化物，即FeO、MgO、MnO形成的固溶体）等。在炼钢过程中需要不断的加入石灰，钢渣的组成成分也随石灰量的增多而发生变化。钢渣在炼钢初期的成分主要有钙镁橄榄石，因其碱度不断提高，吸收CaO从而转变成为钙镁蔷薇辉石，期间还伴随着RO相的放出，继续增加石灰，则生成硅酸二钙和硅酸三钙^[2]。

3  国内钢渣处理工艺及包钢现状

目前，国内转炉钢渣处理的主流工艺有热闷法、热泼法、滚筒法、风淬法、水淬法及盘泼法等，辊压破碎有压热闷技术近年也在部分企业得到了应用，该工艺处理效率高，处理过程洁净化程度高，热闷后的钢渣粉化率高，是现今钢渣处理比较先进的工艺。各种方法的主要目的是将熔融态转炉钢渣冷却、破碎，以待进一步处理利用。冷却后转炉钢渣的处理一般遵循破碎、磁选、筛分的工艺。

包钢处理的钢渣是炼钢脱硫渣、转炉渣和精炼渣，现有钢渣处理工艺主要为热闷/热泼破碎、磁选及筛分工艺，是目前国内钢铁企业使用较多的钢渣处理工艺，包钢现有钢渣处理工艺及生产线见下图。

包钢现有钢渣处理工艺及生产线

热闷工艺流程为：满渣罐-吊车-渣入池-打水处理-集中打水-闷渣处理-出渣-磁选线，热闷配套的磁选工艺流程为：除铁-破碎-棒磨-除铁-磁选-筛分。热泼工艺流程为将钢渣倾翻喷水冷却，使钢渣大部分自解破碎，热泼配套的磁选线包括除铁、磁选、筛分工艺。经热闷/热泼、破碎、磁选工艺加工后，主要产品为钢坨、流钢片、粒钢、磁性物料及不同粒径的尾渣等。

4  包钢钢渣进行烟气脱硫实践

由于钢渣中的CaO和MgO含量较高，结合钢渣主要矿相为硅酸二钙、硅酸三钙等，因此钢渣是一种很有潜力的脱硫剂。

4.1  钢渣脱硫剂的制取

钢渣中金属相、RO相（固溶物）物质活性度很差，直接用于脱硫效率很低，必须经过加工处理使铁、钙、镁、锰等活性氧化物相对富集。实验研究结果表明，钢渣经过热闷（或热泼）、破碎、筛分、磁选将大颗粒金属及固溶物去除，取得粒度小于10mm的粒状钢渣，钙、镁、铁等活性氧化物相对富集，再经粉磨、分离、提纯后形成超细粉作为复合矿物脱硫剂。包钢采用干法生产脱硫剂，国内钢渣法烟气脱硫工艺大多采用湿法制取，相比湿法，干法制取的脱硫剂活性更高，用量较少，推广利用半径更大。

4.2  钢渣脱硫剂脱硫反应机理

根据钢渣浆液脱硫后产物分析得到相应的反应产物，将钢渣浆液脱硫反应过程分为3个阶段^[3]：

第一阶段：钢渣浆液中有游离的氧化钙与水发生反应生成氢氧化钙，此时溶液的 pH值升高，而钢渣矿物不会被水解。当钢渣浆液与模拟的烧结烟气中SO₂接触后发生反应生成相应的亚硫酸盐，而烧结烟气中含有氧在钢渣浆液中起到氧化作用，生成相应的硫酸盐。随着 SO₂的不断通入，氢氧化钙、氢氧化镁等碱性物质逐渐被消耗，溶液的pH值下降，钢渣矿物开始分解。

第二阶段：钢渣浆液在偏酸性环境下，其主要矿物硅酸二钙(2CaO·SiO₂)、硅酸三钙(3Ca O·SiO₂)、钙镁橄榄石(CaO·MgO·SiO₂)等物质开始水化分解，分解出的主要氧化物 CaO、Mg O 与 SO₂水溶液反应生成相应的硫酸盐，与此同时亚硫酸盐与溶解氧反应生成相应的硫酸盐

第三阶段：在酸性环境下，矿物分解出的氧化物与 SO₂水溶液反应完成后，SO₂继续通入反应器中导致 pH值下降，这时FeO开始反应直到钢渣中的物质被硫酸溶液吸收耗尽，反应停止。

4.4  包钢钢渣脱硫剂应用情况

钢渣脱硫剂脱硫类似于石灰石-石膏法的干、湿法脱硫工艺，二者在流程设置上也比较相似，完全可以替代石灰石，但也有不同的地方，钢渣中含有的部分金属氧化物对其湿法脱硫的整个过程起到催化和促进作用不容忽视。

钢渣法与石灰石法、石灰法的比较见表1。

表1 钢渣法与石灰石法、石灰法的比较

包钢自2015年开始开展钢渣法脱硫应用试验，先后在冶金、化工、火电及普通燃煤火炉等行业进行了工业试验，脱硫系统运行平稳，脱硫效果显著，已与部分企业形成长期合作。开展的工业试验及应用情况见表2。

表2 包钢复合矿物脱硫剂应用情况

通过开展试验，钢渣脱硫效率高于石灰石粉，对烟气二氧化硫浓度变化的适应性强于石灰石粉，同等条件下，钢渣脱硫浆液消耗量低于石灰石粉，即使在配加高硫矿的情况下，烟气出口SO₂浓度仍能保证达标排放，脱硫效率保持在98%以上，并且脱硫系统能够实现长期的稳定运行，对设备无额外负担，终端价格适中。钢渣法脱硫具有良好的经济性和技术性，具有很好的推广价值。

4.3  钢渣脱硫剂脱硫的优势

烟气脱硫技术主要用于火力发电厂和钢铁行业烧结、球团厂的烟气处理。现在采用的烟气脱硫技术种类很多，但其中以石灰石——石膏法脱硫占比例最高。日本、德国、美国的火力发电厂采用的烟气脱硫装置约80%以上采用此工艺。该工艺优点是脱硫率高和脱硫剂利用率高，脱硫效率大于95%，运行稳定。缺点是石灰石－石膏湿法采用石灰石作吸收剂，而石灰石资源是一种不可再生的矿产资源，同时开采石灰石的矿山和地区的生态环境遭到破坏，并且恢复效果难以达到理想状况；而且工艺流程较长，占地面积大，投资较高，运行费用高；同时脱硫石膏的供求状况地域性差异大，中西部天然石膏储量丰富造成天然石膏大量抛弃而无处堆放；石灰石——石膏湿法脱硫副产物CO₂气体是典型的温室气体，虽脱除了SO₂但造成了大量温室气体排放，采用钢渣脱硫剂脱硫，减少了CO₂排放，今后还可参与碳排放交易。钢渣脱硫剂脱硫效率高，脱硫效率可以达到98%以上，可将现有脱硫装置入口二氧化硫浓度提高20-30%，这样能拓宽原燃料采购渠道，降低生产成本。利用钢渣脱硫剂进行烟气脱硫同时可在钢渣堆存、运输、管理、盐碱地改良等方面产生潜在的经济效益、环境效益和社会效益。

5   结语

钢渣属于大宗冶金固废，钢渣综合利用需兼具量大、高效、环保等多项因素，并且还需考虑地域因素。经过多年的实践研究，利用钢渣生产脱硫剂用于烟气脱硫是目前包头地区解决钢渣综合利用较可行的科学方案。通过开展试验，钢渣脱硫效率高，完全可替代石灰石粉进行烟气脱硫，并且对烟气二氧化硫浓度变化的适应性强于石灰石粉，对设备无额外负担，终端价格适中。国内石灰石矿产资源紧缺，急需其他产品代替石灰石进行烟气脱硫。将钢渣再加工用于烟气脱硫，既有效减少了石灰石的开采，又合理的利用了资源，实现固废循环利用。呼包鄂地区集中了大量工业企业，钢铁、铝业、稀土、电力、煤化工等企业均需消耗大量的脱硫剂，用钢渣生产脱硫剂在呼包鄂地区具有广泛的市场前景，利用钢渣生产的脱硫剂替代石灰石进行烟气脱硫，对于综合利用固废、减少固废产生、大幅降低采购成本、有效回收含铁资源具有重要意义；同时脱硫副产物可进行碱化土壤改良，真正做到“以废治废”，“既能还蓝天，又能还绿地”，可为包钢以及行业实现循环经济产业链创造良好的经济效益、环境效益和社会效益。

参考文献

[1]  王爱华.钢渣的综合利用研究[J].中国资源综合利用,2009,27(12):8-9.

[2]  李冰,唐彪,王星磊.浅谈钢渣的综合利用[J].建材与装饰,2018(12):120-121.

[3]  张顺雨,贵永亮,袁宏涛,宋春燕,王亚文.钢渣用于烧结烟气脱硫反应机理分析[J].铸造技术,2016,37(12):2650-2653.