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                鋼渣資源化利用預處理工藝現狀及發展趨勢

                發布時間:2018-10-26 09:30      

                殷瑞鈺院士、李樹斌、朱榮等多位專家

                帶來廢鋼、電爐煉鋼相關精彩報告

                前 言

                鋼渣是鋼鐵廠煉鋼過程產生一種典型的大宗工業固體廢物,根據目前國內外煉鋼水平,其產量約為粗鋼產量的10%-15%。在我國,2016年全國粗鋼產量超過8億噸,鋼渣產生量約為9000萬噸,鋼渣累積總量近10億噸,但其綜合利用率僅為22%,這與工信部早在“十二五”規劃中就要求達到75%的綜合利用指標、與部分發達國家在95%以上的綜合利用率相去甚遠。

                盡管研究人員已經開發出了近40種有關鋼渣綜合利用的方法,但到目前尚未找到大規模資源化利用鋼渣的有效途徑,在國內還是以回收廢鋼、磁選鐵精粉等鋼廠內部循環利用為主,使用量有限,目前約有70%的鋼渣處于堆存和填埋狀態。放置的鋼渣不僅浪費了資源,嚴重占用了有限的土地,還會引起土壤、表層水和地下水污染等諸多環境問題,因此開發利用鋼渣十分迫切。

                另外,于2018年1月1日起施行的《中華人民共和國環境保護稅法》明確規定,鋼渣屬于固體廢物稅目,稅額為25元/噸,同時,對露天堆存的鋼渣在雨季所造成的鋼渣滲濾液征收300元/噸的環保稅,這也引發了鋼渣處置成為現階段固廢處置的重點。

                鋼渣資源化的可能性和途徑

                鋼渣的資源屬性即成分決定了其可能的用途。鋼渣的主要成分為硅酸三鈣(C?S)、硅酸二鈣(C?S)、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、RO相(鐵、鎂、錳的氧化物)、游離氧化鈣(f-CaO)和游離氧化鎂(f-MgO)等,同時還含有10%左右的廢鋼資源。

                鋼渣中含有CaO、Fe、MnO、MgO、Fe?O?等成分,可以作為鋼鐵燒結中的增強劑;含有一定數量的鐵酸鈣,能夠改善燒結礦的強度;轉爐渣中的鎂、鈣以固溶體形式存在,能夠代替部分菱鎂石、白云石、石灰石等熔劑。

                鋼渣中含有10%左右的廢鋼資源,經過破碎篩分磁選等處理后,可以分選出不同粒級的渣鋼和磁選粉,渣鋼可以返回煉鋼,磁選粉返回燒結。

                鋼渣中含有C?S和C?S,和硅酸鹽水泥熟料相同,是生產水泥的良好原料,也可以應用于混凝土摻合料、干混砂漿等建材中。

                鋼渣的主要成分包含CaO、Al?O?、SiO?和MgO等,與傳統的建筑原料黏土、石英和長石等天然礦物相似,可以制備陶瓷、微晶玻璃以及巖棉等。

                鋼渣碎石的顆粒形狀、硬度和耐磨性都很適合道路材料的要求,可以用于道路的基層、面層及墊層,還可以用作工程回填。

                鋼渣由于含有大量的堿性氧化物而顯堿性,因而可被用來通過化學反應等作用處理廢水中的污染物,可被用來脫除煙氣中SO?等酸性氣體。

                鋼渣含有相當數量的Si元素和Fe元素,經處理可以聚合成具有良好性能的絮凝材料,在廢水處理中使用。

                鋼渣中含有較高的Si、Mn、P及各種微量元素,可提供農作物生長所需的營養元素,同時鋼渣中富含的CaO還能緩慢中和及改良土壤,因此可以做農田肥料使用。

                預處理的必要性

                我國目前仍以長流程轉爐煉鋼方式為主,占比90%左右,因此提高鋼渣利用率主要關注轉爐鋼渣的處置利用。結合國外鋼渣處置發展的經驗和我國的國情,建材化利用是規?;{鋼渣的主要途徑。然而,建材化利用面臨著以下問題:

                1、鋼渣的穩定性不良。鋼渣中的C?S在鋼渣冷卻過程中,其晶型由β型向γ型轉變使體積增大。鋼渣中的f-CaO和f-MgO遇水發生水化反應生成Ca(OH)?和Mg(OH)?,導致體積膨脹,若應用于道路、建材等行業,會出現膨脹開裂現象;

                2、鋼渣中金屬鐵含量高。金屬鐵的存在,造成磨礦難度和能耗的增加,對顆粒均勻性造成不利影響,另外,在使用過程中也較容易出現鐵銹現象;

                3、受煉鋼工藝、鋼種特點、造渣制度等因素影響,鋼渣的成分復雜、波動性大,造成其使用難度增大;

                4、國內在鋼渣分類(如脫硫渣、轉爐渣、鋼包渣)處理方面存在不足,是鋼渣利用率難以提高的關鍵因素之一;

                5、鋼渣的密度大,壓實后堆密度超過3t/m3,是普通建材的1.2~1.4倍,導致鋼渣在運輸和使用時的能耗要增加10%左右[1]。

                上述問題中,最核心的是穩定性和金屬鐵的回收問題。鋼渣應用技術要求(GB/T32546—2016)中也明確提到:膠凝材料和骨料(集料)用鋼渣在使用前應經穩定化和除鐵處理,其金屬鐵含量應不大于2.0%(用于抹灰砂漿時其金屬鐵含量應不大于1.0%),且體積穩定性合格。

                為達到上述目的,通常采用兩次預處理法處理鋼渣:第一次處理主要為熱處理,使鋼渣穩定化,第二次處理主要為破碎分級和最大限度的回收鐵。

                鋼渣的一次處理

                鋼渣的一次處理是把熱熔渣處理成粒徑符合一定要求的常溫塊渣,以有利于鋼渣的二次處理。目前國內鋼渣一次處理主要工藝有:熱潑法、風淬法、滾筒法、?;喎?、熱悶法等,其中熱潑法、滾筒法、熱悶法最為常用。表1綜合比較了各種工藝的特點。

                冶金信息標準研究院曾統計過國內129家大中型鋼企鋼渣一次處理數據,采用熱悶法的有59家,占比45.7%;采用熱潑法的改進處理工藝“熱潑悶渣法”的有51家,占比39.5%;具第三位的是寶鋼的滾筒法,有10家,占比7.8%;采用水淬的1家,風淬的2家,?;?家,其它4家。

                鋼渣的一次處理各種工藝均有利弊,選擇何種處理工藝需要從鋼渣的特性以及終端利用方式、對處理后粒度的要求、項目的節能環保要求、項目投資大小等方面綜合考慮。例如,如果鋼渣的流動性差,則不能使用滾筒法、風淬法、水淬法和?;喎?,而盤潑法、熱潑法和熱悶法可以適用;如果從節能環保方面考慮,滾筒法和熱悶法較為適宜。

                鋼渣經一次處理后需要再進行二次處理,以使鋼渣達到合適的粒度并回收其中鐵資源。目前回收尾渣中鐵及氧化物的方法主要包含三種:磁選、還原和氧化。還原法是利用高溫下無機碳的還原作用將鋼渣中氧化亞鐵還原成單質鐵,但整個過程需要較高溫度,同時會產生溫室氣體;氧化法是將鋼渣內部的非磁性FeO轉化成磁性Fe?O4的工藝,僅是新的研究方向,暫時無法工業化應用。也有鋼渣重選和浮選的技術,但磁選是主導工藝。

                鋼渣磁選生產線的產品主要是渣鋼和磁選粉,前者返回煉鋼用,后者返回燒結用,渣鋼又分為大塊渣鋼及粒鋼。渣鋼和磁選粉的粒級和品位是有要求的,但不同鋼廠的冶煉要求不同而有所區別,但設定的產品方案要求盡可能的選出鐵,盡可能的保證渣鋼和磁選粉的品位。目前國內鋼鐵企業一般要求返回煉鋼的渣鋼TFe大于80%,返回燒結的磁選粉TFe大于40%。至于粒度要求,一般而言,渣鋼粒度大于30mm、顆粒鋼粒度5~30mm、精礦粉粒度不大于8mm,尾渣粒度小于10mm。尾渣也可進一步深加工,如生產鋼渣粉等。

                基于以磁選為主導選鐵手段的鋼渣二次處理工藝主要包括渣鋼鐵回收工藝、渣鋼提純工藝以及鐵精粉提純工藝等。風淬法、水淬法、?;喎ê蜐L筒法處理后的鋼渣,由于粒度不大,一般經脫水后直接磁選回收其中渣鋼,不再進一步破碎或只做簡單破碎;熱悶法和熱潑法處理后的鋼渣,由于粒度較大,需進行多級破碎、篩分和磁選。較早期的鋼渣二次處理工藝主要為簡單的破碎和篩分,目前都已升級為多級破碎、多級篩分和多級磁選,例如梅鋼升級為3破7選5篩分,太鋼為2破6選3篩分等。破碎、篩分及磁選應該根據一次鋼渣處理的情況進行靈活調整。

                鋼渣處理工藝經常設置磨制環節,例如文獻和中。這是因為鋼渣中的渣鋼分離是比較困難的,尤其對于細粒鋼渣,包裹有微細粒的金屬鐵或與金屬鐵連生的浮氏體及具有一定磁性的鐵酸鹽易進入磁性分離物中,導致磁性分離物中鐵品位的降低,因此對于細顆粒需要進行磨制使其單體解離,盡可能地回收利用鋼渣中的金屬鐵。

                例如,單純采用破碎機,即使把鋼渣破碎到5mm粒徑以下,也很難實現渣鋼有效分離,且選出的精礦粉品位一般低于45%。若在工藝中加入磨制工序,如自磨、棒磨或球磨,在相同粒徑條件下,通過合理的磁選過程,基本可以獲得TFe 80%以上的粒鋼、品位55%以上的精礦粉金屬鐵質量分數小于1%的尾渣。

                渣鋼鐵回收技術具有良好的經濟效益。例如,某鋼廠處理熱悶后的鋼渣,年處理規模45萬噸,悶渣粉化率:10mm以下占65%,渣產品含水率:6~10%,水耗:每噸鋼渣0.4噸水,電耗2.35度/噸。熱悶后的鋼渣二次處理后產渣鋼2.5萬噸(銷售價格2500元/噸,單位成本751元/噸),富集磁粉2.8萬噸(銷售價格500元/噸,單位成本292元/噸),尾渣36萬噸(銷售價格13元/噸,單位成本292元/噸),含上鋼渣資源費和企業增值稅后,年效益高達3341萬元。

                幾個典型的二次處理工藝流程圖見下。

                圖1中冶顎式破碎+棒磨流程圖

                圖2濟鋼顎式破碎+錐式破碎流程圖

                圖3首鋼顎式破碎機+圓錐破碎流程圖

                鋼渣的破碎、磁選篩分工藝流程是回收渣鋼的最基本流程,所用的破碎機包括顎式破碎機、圓錐破碎機、反擊式破碎機和雙輥破碎機等,磁選機包括跨帶式磁選機和電磁鐵式磁選機,篩分設備包括格柵、單層及雙層振動篩等。

                其中幾個關鍵設備有:

                1)破碎機

                一般選用液壓顎式破碎機作為一級破碎設備。早在上世紀八十年代我國引進了德國KHD公司的成套設備,其核心設備就包括帶有液壓保護的顎式破碎機,應用于鞍鋼和首鋼。目前,其國產化設備已經應用成熟,有二十多年的使用歷史,完全可以取代國外進口設備。此種破碎機的選型需要考慮物料的最大給料粒度、給料量和排料粒度等指標綜合考慮。如果采用兩級顎式破碎機,一般一級進料口尺寸用400mm×600mm,二級用250mm×400mm。

                顎式破碎機和圓錐破碎機都具有破碎效率高、處理量大、損耗低、維護簡便的特點,不同的是圓錐破碎機一般用于中破或細破,破碎比較大,出料粒度更加均勻。圓錐破碎機選型時應注意是否采用了液壓調整排料口以及設置自動保護系統,以便一旦有鐵件等不可破碎物進入破碎腔時,可自動調節動錐將其排出。

                2)磁選機

                磁選機有電磁自卸式除鐵器、磁滾筒、單輥雙輥磁選機及帶磁機等,每種設備都有其適用的場合。由于帶磁機的磁場強度、帶速、懸掛高度及角度可方便調整,以適應不同的粒徑、品位及含水率的鋼渣,因此成為鋼渣二次處理的核心磁選設備,其國產化亦已成熟。

                3)棒磨機

                棒磨機可以破碎剝離鋼渣,在磨礦過程中具有一定的選擇性磨碎作用,產品粒度均勻,過粉碎礦粒少,既可用于渣鋼的提純,也可用于鋼渣的破碎。用于渣鋼提純時可將粒級為10mm-80mm、TFe為50~60%的渣鋼的提純至TFe大于90%;用于鋼渣破碎時可將10mm-80mm的鋼渣破碎至10mm以下。在應用于上述兩種工藝時,棒磨機的型號及其內部結構(如襯板、鋼棒)需要做相應調整。

                綜上,鋼渣經過上述一次和二次處理,最后得到的尾渣粒度一般小于10mm,含金屬鐵含量在2%以下。若要制備鋼渣微粉(比表面積至少為400m2/kg),后續還需要經過粉磨設備。目前,國內外粉磨設備主要有管磨機、立磨、臥輥磨和擠壓磨等,高效節能的粉磨設備是國內外設備廠家研究開發的重點。任何設備的產生都是針對某種物料的性質和加工細度而設計的,一種設備不可能適應硬度不同、易磨性不同和細度要求不同的物料的生產。鑒于篇幅所限,鋼渣磨細粉工藝和設備不在此文中論述。

                結論及展望

                1、通過破碎、磁選,回收各種粒度的廢鋼是我國大部分中小型鋼鐵企業利用鋼渣的主要手段,其主體工藝基本成熟,設備已經全部實現國產化,各企業亦能根據實際情況對工藝進行靈活調整優化,以滿足廢鋼回收率和尾渣品質要求等關鍵指標,其盈利水平一般較好;

                2、我國鋼渣資源的利用方向包括鋼鐵企業的內部循環和外部循環,后者主要是生產鋼渣微粉、用于公路材料、制磚、制微晶玻璃、制巖棉、處理廢水、改良土壤等。雖然鋼渣綜合利用的方法較多,但到目前尚未找到大規模資源化利用鋼渣資源的有效途徑,鋼渣“零排放”成為我國鋼鐵行業的難題,大量堆存的渣場,造成資源的浪費和環境的污染;

                3、鋼渣的資源化利用應以消納鋼渣的巨大產量為目的,借鑒國外經驗,應著重放在兩個方向:一是建筑和建材行業,在水泥、混凝土摻和料、路面和建材制品中的利用,這方面不僅適用范圍廣,而且需求量大,能夠消化鋼渣的巨大產量;二是鑒于我國擁有海岸線1.8萬公里,且沿海鋼企分布較多,開發鋼渣新產品以應用并改善海洋環境成為我國鋼渣大規模利用的又一個方向;

                4、我國要實現鋼渣的大規模資源化利用,從研究角度講,一方面要繼續加大對鋼渣有效處理工藝的研究,如渣鐵分離效果,鋼渣穩定性,早期活性,尾渣粉磨能耗,以及降低投資和運行成本等,即在現有技術上不斷研究優化,不斷擴大工業應用規模,這將會是一個艱難而漫長的過程;另一方面,行業亟需一種具有開創性的全新技術出現,以快速破解鋼渣利用難題;

                5、當前主流的鋼渣處理工藝使鋼渣顯熱全部喪失,因此,開發鋼渣?;耐瑫r達到回收余熱的工藝和設備,是實現鋼渣高附加值利用和鋼鐵企業節能降耗的最佳途徑之一和未來發展趨勢。

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