吴 龙  王会刚  

（1钢铁工业环境保护国家重点实验室，北京 100088；2中冶节能环保有限责任公司，北京100088；3中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

摘要：钢渣是炼钢过程排放的固废，具有年产量大、温度高、化学组成复杂、硬度高和安定性不良等特点。在“双碳”目标下，其处理和资源化利用再次受到关注。针对钢渣特点，本文对国内外钢渣处理利用情况进行了综述，指出现有处理工艺和资源化利用途径的问题。并针对“双碳”目标下钢渣的资源化利用途径进行了探讨，提出钢渣余热回收、熔融钢渣还原改性和CO₂捕获是未来钢渣处理方向和路径。

关键词：钢渣处理；“双碳”目标；资源化利用；途径探讨

0  引言

钢铁工业是庞大的重工业部门，是发展国民经济与国防建设的物质基础。钢铁工业也是资源密集、能耗密集、排放密集型产业。它主要以铁矿石为原料，辅以煤炭、水、氧气等，并借助电力、热力等能量输入，生产出钢材、铁制品以及副产物等一系列产品的生产工艺。我国粗钢产量占全球半壁江山已持续超过20年，图1给出了从2010年到2020年我国粗钢和生铁产量。可以看出2015年至今，中国粗钢产量已累计增长近25%。数据显示，2019年我国的二氧化碳排放量达到98.26亿吨，占全球比例的28.76%，是全球最大的排碳经济体。其中，钢铁行业碳排放占比全国碳排放量的18%，是除发电之外的整个生产活动中，碳排放量最高的行业。

2020年9月22日，在联合国气候大会上，习总书记首次承诺“我国的二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。在“碳达峰、碳中和”目标下，钢铁行业减碳工作是重中之重。为此，2021年1月20日，中国宝武钢铁集团有限公司公布其“碳达峰”“碳中和”时间表——“力争2023年实现二氧化碳排放达到峰值，2025年具备减碳30%工艺技术能力，2035年力争减碳30%，2050年实现‘碳中和’”。

当前，在我国钢铁工业的冶炼技术和能源结构还未发生革命性突破的阶段，促进钢铁行业减碳目标的重要途径是推进二次资源的循环利用。钢铁企业的二次资源主要包括固废、废水、废气，俗称“三废”。到目前为止，我国钢铁企业生产中新水用量、外排废水量和生产水重复利用率等指标明显改善，钢厂废水重复利用率高达99%。废气中主要污染物排放指标明显改善，吨钢工业粉尘、COD排放、SO₂和NO_x浓度满足国家标准。但是钢铁固废资源化利用率一直没有大的突破，尤其是钢渣。近年来，钢渣的资源化利用率一直低于30%^[1-4]。如果实现其资源化利用的大幅提高，必将对“双碳”目标的实现贡献极大助力。

1  钢渣的产生及特性

钢渣是转炉、电炉、精炼炉熔炼过程中排出的由金属原料中的杂质与助熔剂、炉衬形成的以硅酸盐、铁酸盐、氧化物为主要成分的渣（GB/T 51387-2019），主要包括转炉渣、电炉渣、铸余渣、平炉渣等。每生产1 t粗钢，就会产生100-150 kg的钢渣。近年来我国钢渣的年产生量基本维持或超过1亿吨。加之其资源化利用率一直不高，导致每年有7000万吨左右的钢渣堆弃。这不仅占用大量土地，也会造成土壤、空气、水体的污染^{[5, 6]}。

钢渣的出渣温度高达1400~1600 ℃，蕴含着大量的热能。熔融钢渣的比热容约为1.2 kJ/(kg·℃)，如果回收热量前后熔渣的温度分别以1400 ℃和500 ℃计，则每吨钢渣可回收1.2 GJ的显热，大约相当于41 kg标准煤完全燃烧后所产生的热量^[7]。假如全国钢厂产生的钢渣的显热都加以回收利用的话，中国每年至少可节省490万吨标准煤。即使按50％的余热回收率考虑，全国范围内回收钢渣显热的节能量将达到近250万吨标准煤。另外，若将钢渣产生的热能按60%回收，将回收的热能转换成电能，按1 GJ热能可转化成277 kW•h的电能，电能以0.53元/kW•h的价格核算，全年的节能效益约127亿元。

钢渣主要由Ca、Si、Fe、Mn、Al、Mg、P、O等组成，其矿相主要包括硅酸二钙（C₂S）、硅酸三钙（C₃S）、RO（R代表镁、铁、锰的氧化物所形成的固熔体）、铁酸二钙（C₂F）、自由氧化钙（f-CaO）、金属铁（MFe）等^[8-10]。由于钢渣含有金属铁，使得钢渣可以作为铁资源回收的物质；由于含有C₃S、C₂S及铁铝酸盐等矿相，使得钢渣具有一定的胶凝活性，具有胶凝材料使用价值。

钢渣化学组成不同，导致钢渣的性质也有差异。碱度较低的钢渣呈灰色，碱度较高的钢渣呈褐灰色、灰白色。钢渣松散不易粘结，质地坚硬密实。钢渣密度为3.0~3.5 g/cm³，由于含铁导致其较难磨。易磨指数为0.7（标准砂为1）。钢渣有较好的抗压性能，压碎值为20%~32%。

综上，如果能够实现钢渣余热、铁资源、尾渣的回收利用，是实现钢铁企业节能减排、增效降碳的重要手段，助力“双碳”目标实现。

2  国外钢渣资源化利用

表1 国外主要国家钢渣利用途径

Table 1  Utilization ways of steel slag in major foreign countries

作为钢厂一种产量大、温度高、资源化利用潜力大的二次资源，目前国外的钢渣利用途径主要有以下两个途径：一种途径是回收的渣钢或磁选粉在钢厂内循环；另一个途径是尾渣用于道路或建材^{[11, 12]}。其他利用途径包括土壤修复、高附加值材料制备等，这些利用途径消纳钢渣量很少。国外主要国家钢渣利用途径及各途径利用占比如表1和图2所示^{[1, 13]}。

表1表明日本、德国和美国钢渣利用率很高，均已超过95%。具体而言，日本钢渣的主要利用途径包括外销、自用和填埋。德国的钢渣主要用于土木建筑、磷肥和钢厂内循环。美国的钢渣利用率已经超过98%，其中用于烧结和高炉再利用、筑路方面利用的钢渣用量占总钢渣利用量的65%以上瑞典通过钢渣改性技术，即向熔融钢渣中加入还原剂、硅/铝质材料对钢渣进行物相调控和重构，使其与水泥成分接近，之后用于水泥的生产。加拿大处理后的钢渣主要用于道路建设。阿拉伯地区利用电炉钢渣作为混凝土掺合料配制出属性更好的混凝土。

图2  欧洲钢渣各利用途径占比

Figure 2  Percentage of steel slag utilization in Europe

3  我国钢渣的处理和利用

3.1  钢渣处理

通过查阅钢渣处理及资源化利用文献^[1]，我国钢渣处理大体上经过了三个阶段，如表2所示。第一阶段主要发生在1950年到1980年的三十年时间里，这一阶段，钢渣产出后被直接堆弃在渣场。由于其资源化利用率几乎为零，长时间的堆弃，形成渣山。由于钢渣的无序堆弃，造成土壤、水体、空气的极大污染。第二阶段主要发生在1980年到2005年的二十多年的时间里。这一阶段，钢渣通过简单的手动或机械磁选回收渣钢用于炼钢，部分尾渣用于回填和道路。由于缺乏成熟的钢渣处理技术和必要的标准，导致钢渣使用中问题频出^[14]。如宝钢上世纪80年代在室内体育馆的建设过程中使用了钢渣，导致了地基的开裂。第三阶段从2015年开始，是钢渣处理及处理后钢渣的利用阶段。但这个阶段钢渣的利用率也一直很低，2005年仅为10%左右，现在也只有30%左右。

表2  钢渣利用阶段划分表

Table 2 Stage division table of steel slag utilization

造成钢渣利用率低的原因是钢渣中含有的f-CaO比较高，其遇水膨胀，导致构筑物开裂，这是造成其低利用率最主要的原因。所以，要提高钢渣利用率，首先应降低钢渣中f-CaO含量。为此，冶金工作者开发了多种钢渣一次处理技术，主要包括常压池式热闷、熔融钢渣罐式有压热闷、冷态钢渣蒸汽陈化、热泼、滚筒粒化、风淬等技术。这几种钢渣处理技术特点如表3所示，目前我国大多数钢铁企业采用的是常压池式热闷和熔融钢渣罐式有压热闷工艺来处理钢渣。其中2012年以后，新建的钢渣处理生产线主要采用的是熔融钢渣罐式有压热闷工艺。该工艺的主要特点包括处理周期短，与现代炼钢节奏匹配；处理过程自动化程度高；处理过程烟气有组织排放，运行过程环保达标；粉化率高，便于后续破碎筛分磁选。多大说国有钢铁企业和先进的私有钢铁企业均采用了该工艺，如宝钢、武钢、河钢、中天、镔鑫等钢铁企业。热泼法主要应用于小型的私有企业，属于落后淘汰的工艺。风淬法工艺主要在马钢和石岗应用，滚筒法工艺主要在宝钢和马钢应用^[15]。冷态钢渣蒸汽陈化法是日本处理钢渣的工艺。

表3  钢渣处理技术及特点

Table 3  Steel slag treatment technology and characteristics

3.2  钢渣利用

根据第2部分钢渣的特性可知，钢渣含有金属铁和含铁相、硅酸盐类等教您活性物质。所以，我国的钢渣利用主要围绕这两个特点进行。

1）钢厂内循环

在冶炼造渣过程，钢渣在钢液表面处于喷溅状态，有部分钢液以钢珠形态和钢渣粘附包裹在一起，随渣排出。所以，钢渣中含有约5%~10%的金属铁以及20%左右的含铁相。所以，粒化冷却后的钢渣经过破碎、筛分、磁选选出渣钢和磁选粉。通过工艺控制可以获得铁品位大于85%的渣钢，直接返回炼钢。获得铁品位大于40%磁选粉，可直接返回烧结使用。同时获得金属铁低于2%的尾渣，根据产品性能要求，通过不同的处理手段，这部分尾渣被制备出不同性能的制品。

2）水泥制备

在硅酸盐水泥中按一定比例掺入钢渣粉制成钢渣硅酸盐水泥、低热钢渣水泥、钢渣道路水泥等水泥品种。目前我国已有《钢渣硅酸盐水泥（GB 13590）》、《低热钢渣矿渣水泥（YB/T 057）》、《钢渣道路水泥（YB 4098）》、《钢渣砌筑水泥（YB 4099）》的标准和产品。

3）道路用材料

由于钢渣拥有较高耐磨性和硬度，处理后安定性良好的钢渣尾渣可用于道路垫层、基层和面层，也可作沥青混凝土路面，提高公路抗压、抗折强度，改变公路抗弯沉性能。

4）钢渣砖制备

经稳定化处理后的钢渣和粒化高炉矿渣为主要原料掺入少量激发剂可产生建筑用砖，地面砖和砌块等建筑材料，其强度和耐久性高于粘土砖。

尽管钢渣利用途径较多，但是我国钢渣的资源化利用率还不到30%，导致我国在钢渣资源化利用方面压力较大。

4  钢渣资源化利用紧迫性和利用途径探讨

4.1  钢渣管理和利用相关政策

近年来，为了促进钢渣等大宗固废的资源化利用，我国出台了系列政策文件及法律法规。如2001年发布了《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》，规定了钢渣贮存应该遵循的准则。2016年发布的《中国钢铁工业环境保护白皮》书分析了钢渣综合利用方向。2018年出台的《循环经济促进法》提出要促进循环经济发展，提高资源利用效率，保护和改善环境，实现可持续发展。同年出台的《环境保护税法》规定从2018年1月1日期对堆存的钢渣征收每吨25元的税费。《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》指出，十四五期间将大力推进钢铁渣综合利用工作，大宗固废的综合利用能力显著提升，利用规模不断扩大。2021年2月国务院发布《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，提出“大力发展再制造产业，加强再制造产品认证与推广应用。建设资源综合利用基地，促进工业固体废物综合利用。”从国家发布的一系列法律法规、标准和规划可以看出，钢渣等大宗固体废弃物的资源化利用依旧面临重大挑战，其突出表现就是资源化利用率不高。所以，国家通过法律手段倒逼钢铁企业采取合适的工艺处理和利用钢渣，提高钢渣整体利用率，避免资源浪费和环境污染。同时，作为钢铁研究机构或企业，也应该加强钢渣处理及利用工艺的研发，助力国家目标的完成以及“双碳”目标的实现。

4.2  钢渣利用途径探讨

1）钢渣处理利用存在问题

作为钢厂产量较大的一种二次资源，钢渣有作为铁回收、尾渣利用和热能回收的潜力。但目前的钢渣处理工艺和资源化利用途径只关注了钢渣物质的回收，如渣钢、磁选粉、尾渣。但在高温冶金渣余热余能的高效转化、余热余能回收的高效利用方面关注度不够，特别是高温钢渣余热回收潜力依然很大，余热回收技术及装备有待突破。

在钢渣处理过程中，不同企业处理工艺条件和技术水平存在一定的差别，部分企业处理后的钢渣存在游离钙镁氧化物超标问题，钢渣安定性不合格。使用安定性不达标的钢渣用于道路、房屋等建设，出现道路、地面、砖开裂等问题。这些失败的案例对企业自身带来了经济损失，更为钢渣的资源化利用造成了十分严重的负面影响。同时，我国循环经济发展处于起步阶段，对于钢渣等固废资源化利用的产品，客户还缺乏足够的认识，接受度差。钢渣的资源化利用往往是跨行业领域的应用，钢渣是钢铁行业的固废，而实际应用客户往往是建筑、交通等领域。导致钢渣产品的市场认可度差。

钢渣制品附加值低，资源综合利用缺乏可操作的政策支持等也是导致钢渣资源化利用受限的重要原因。

2）钢渣资源化利用途径探讨

目前，国内约50%的钢铁企业仍采用落后的热泼工艺，环保不达标，处理后钢渣安定性差，导致钢渣尾渣产品存在体积膨胀开裂等问题，资源化利用水平低。尽管剩余的50%左右的钢渣经过罐式有压热闷、池式热闷、滚筒、风淬等处理工艺进行了处理，但这些处理工艺处理的着力点都是基于钢渣粒化和f-CaO的消解，便于后续的破碎筛分磁选，得到渣钢、磁选粉和尾渣。

虽然钢渣的资源化利用技术也较多，但大批量规模化应用的主要是水泥的生产和充当胶凝材料。目前钢渣的资源化利用经济效益较差，产品附加值低，受水泥行业市场行情上下波动，也因地域不同而具有较大的差异。在当前双碳目标下，急需对钢渣处理新技术和资源化利用途径进行探讨和优化。作者认为熔融钢渣还原改性、余热回收和CO₂捕获是未来钢渣处理和资源化利用中比较有前景工艺方向。

（1）熔融钢渣还原改性：利用钢渣自身温度高（1600 ℃）的特点，向其中加入还原剂，进行熔渣钢渣的还原改性，实现铁的还原和尾渣物相的重构。这种工艺可以实现钢渣中“热”、“铁”、“渣”的综合利用。其中，“热”的利用是指采用钢渣出炉时的显热为钢渣中铁的还原和物相重构提供热量；“铁”的利用是指将钢渣中的5%~30%左右的铁氧化物还原成金属铁并回收利用；“渣”的利用是指根据目标产品的不同，通过不同改性材料重构钢渣物相，制备出高附加值制品，如微晶玻璃、保温材料、岩棉等。

（2）高温余热回收：目前，文献报告的钢渣余热回收技术有风淬法余热回收、双内冷转筒粒化热能回收、机械搅拌法余热回收、“连铸－连轧”干式粒化和余热锅炉熔渣热能回收、离心法余热回收等工艺^[16]。但上述工艺仅停留在实验室阶段或是运行几年后由于各种原因而停滞。总之，国内外在钢渣余热回收技术上还没有重大突破。但是从余热回收工艺可以看出，要想实现余热的回收，首先需要将钢渣进行粒化，然后再采用合适的换热介质与钢渣进行充分换热，从而达到钢渣余热回收的目的。如现在的熔融钢渣罐式有压热闷工艺，通过钢渣与水换热，获得具有一定温度和压力的水蒸气来实现钢渣余热的回收。还有日本学者报道的，粒化后的钢渣与空气进行热交换，获得一定温度的高温空气从而实现高温钢渣的余热回收。在“双碳”目标下，高温钢渣余热回收必将是未来钢渣处理利用的重要方向。

（3）CO₂捕获：其实质是利用CO₂与钢渣中含有的游离的CaO和MgO发生反应，生成碳酸盐^{[17, 18]}。这不仅可以实现钢渣中物相的重构，还捕获了CO₂，使其固定于钢渣中。目前，钢渣用于CO₂捕获的方法主要包括湿法和干法，尽管现在多处于研究阶段，但在“双碳”背景下，未来有关这方面的研究可能将会大量涌现。

5  结论与展望

在“双碳”目标下，钢铁企业会越来越重视钢渣的处理与利用工作。对比现有国内外钢渣处理技术可以发现，这些工艺都没有实现钢渣余热的回收和利用。并且其产品附加值不高，建材化产品市场认可度差。在“双碳”背景和目标下，应该加强钢渣余热回收方面的研究合投入，关注钢渣新型处理工艺开发和高附加值产品制备，以期实现“热”、“铁”和“渣”的全部资源化利用。

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