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钢渣固体废弃物处理方法及综合利用的进展
发布时间: 2016-11-04 17:27    查看: 851
    

(绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室,首钢技术研究院,北京 100041)


摘要:本文介绍了国内钢铁企业炼钢过程中产生的钢渣固体废弃物的几种不同的处理工艺。详细阐述了钢渣在冶金领域和建筑行业领域的综合利用现状,并对钢渣及其在首钢的资源综合利用情况进行了介绍。


▌关键词:钢渣;处理工艺;综合利用


一、 引言

近几年我国钢铁工业迅猛发展,作为钢铁生产过程中所排出的固体废弃物,其中每生产一吨钢排出约0.12吨钢渣。由于我国许多中小钢厂采取较为原始的处理方式,钢渣中所含的金属铁经过简单的“破碎-筛分-磁选”回收之后,剩余的钢渣尾渣多被堆弃或回填,这样不仅占用土地、污染环境,还造成了资源的严重浪费。我国钢渣总体利用水平不高,综合利用率仅为10%,远低于发达国家钢渣利用水平(如美国、日本、德国的钢渣已达到排用平衡[1-2]。


二、 钢渣预处理工艺

钢渣处理呈现多样化,钢渣处理工艺主要取决于钢渣利用途径、钢渣的粘度与流动性、钢渣的稳定性等。良好的钢渣处理工艺可使钢渣粉化均匀且细度良好,实现钢和渣的良好分离,降低钢渣中游离氧化钙与游离氧化镁含量,粉化钢渣中水硬性矿物硅酸二钙、硅酸三钙的活性不降低,在回收金属铁的基础上,提高钢渣尾渣的利用率。钢渣预处理工艺主要有:水淬法、风淬法、热泼法、热闷法、滚筒法等[3]。下面是几个比较典型的钢渣预处理工艺。


(一) 浅盘热泼水淬法


上世纪70年代,宝钢公司从日本新日铁钢铁公司引进了该项技术,并应用于宝钢一、二期钢渣处理生产线。其工艺优点为:快速冷却,每炉渣处理时间约为2h,处理能力大;整个过程基本无粉尘产生,减少了粉尘对环境的污染;钢渣经过三次冷水冷却,钢渣中游离氧化钙和氧化镁得到充分消解,钢渣的稳定性良好;处理后钢渣粒度较小,大部分粒径在30mm左右,且粒度均匀;机械化、自动化程度高。其工艺不足为:钢和渣分离效果不够明显,常有大块;对钢渣的粘度和流动性要求较高;污水处理量大;工艺复杂,环节较多,投资较大;浅平渣盘由钢板焊接而成,易变形,属于消耗件,增加了钢渣处理成本。


(二)滚筒法


宝钢公司1995年从俄罗斯拉乌尔钢铁研究院引进了该项技术,经过多年的开发,并针对自身的特点,成功地将该项技术应用于实际生产中,实现了对液态钢渣的工业化处理,取得了良好的经济效益和环保效益。其工艺优点为:工艺简单、流程短、设备紧凑、占地面积小;钢和渣分离效果好,回收金属铁大于90%;钢渣分化效果显著,钢渣粒度小于10mm占90%;处理后钢渣的游离氧化钙含量在4%以下,且硅酸二钙和硅酸三钙活性较高,无需陈化可被直接利用;产生尾气含尘量低,相比于其它处理方法可减少对环境的污染。其工艺不足为:对钢渣粘度和流动性有较高要求,无法对渣壳进行处理;技术含量高,设备复杂,维修成本较高。


(三)钢渣余热自解热闷法


热闷法是充分利用钢渣余热,在密闭容器中对钢渣表面进行喷水处理,所产生的蒸汽在压力作用下慢慢渗入钢渣内部,游离氧化钙和游离氧化镁遇水反应后体积发生膨胀,致使钢渣粉化,实现钢和渣的分离。中冶集团经过多年研究开发,形成了多项热闷技术,其中2006年推出了第三代钢渣余热自解热闷技术,实现了对液态钢渣的处理,处理后的钢渣稳定性良好,并应用在首钢京唐钢铁公司、日照钢铁公司、鞍钢鲅鱼圈分公司等多家钢企的实际生产中[4]。其工艺优点为:对钢渣的粘度和流动性无限制,处理率为100%;热闷时间仅为3小时,钢渣处理效率比较高;采用有压热闷,钢渣粉化彻底,钢渣粒度小于10毫米的占60%以上;热闷后游离氧化钙含量小于3%;实现了自动化作业,改善了工作环境和降低了劳动强度;占地少,环境污染小。其工艺不足为:投资较大。


对于其他种类的钢渣可以采用特殊的方法进行处理。如在钢水包中形成的铸余渣,由于其成分中氧化铝相对较高,倒入渣罐后,在渣罐底部形成大渣砣,这些大渣砣往往需爆破、切割、重锤破碎等措施才能入炉使用。为了有效地处理大量块渣砣,首钢在渣罐内放置冶金渣混凝土分隔板,达到了防止残钢在渣罐内形成大渣砣、并分成若干达到入炉使用要求的标准块状渣钢。不但从源头防止了渣砣的生成,节约资源,全方位降低处理成本。而且,彻底消除了生产安全隐患,降低了对环境的污染,提升渣钢铁回收利用的技术水平。


三、 钢渣加工处理工艺

钢渣加工可采用机械破碎和粉磨两种工艺。其作用是将经预处理的钢渣再经破碎、磁选、筛分、粉磨等工艺处理后,磁选出渣钢,分级成符合要求的规格钢渣。


钢渣加工所使用的破碎机类型有颚式、圆锥式、反击式和双辊式等;磁选机的类型有悬挂式和带式;筛分机有格筛、单层振动筛和双层振动筛;粉磨设备主要有自磨机、球磨机、棒磨机等。钢渣加工程序,就是使用皮带输送机等输送设备按不同要求将上述几种设备连接起来,组合成各种流程。


钢渣精加工所使用的自磨机主要利用渣钢在旋转的筒体内互相碰撞,达到渣与钢分离的效果。粒度小于自磨机周边筒筛自行漏出。未能漏出的渣钢,达到一定量时卸出。自磨机主要处理50-300 毫米以下的大块渣,流程简单,渣钢分离好,通过调换排料孔的大小可以很方便地改变破碎产物的粒度。


对于小于50毫米的渣钢精加工可采用干法或湿法球磨机,渣钢在旋转的球磨机内,经过钢球和渣钢之间的磨打,使渣与钢分离。也可用棒磨机与投射式破碎机联合使用,实现渣与钢的分离。


首钢采用先进的干法和湿法相结合工艺,实现了0-300 毫米范围内初选渣钢的全部提纯处理,采用新型高效循环水处理工艺及装备,减少了占地面积和生产耗水量,项目投产后取得了明显得经济和社会效益。经干法自磨生产线生产的块钢(品位85%)和湿法球磨生产线生产的豆钢(品位90%)已全部回用炼钢生产,鱼子钢(品位65%)已全部回用烧结生产,尾渣泥料制作为钢渣砖、分隔板等建筑材料原料使用。


从国内外钢渣处理发展现状和趋势来看,我国钢渣处理技术已走在了世界前列,但还没有展开推广,多数钢厂还延续着较原始的钢渣处理工艺。另外,液态钢渣在冷却过程中所释放的大量热量还没有得到充分的回收利用,钢渣显热回收已成为国内外研究的热点。


四、 钢渣资源化利用途径

开展对钢渣的资源化和高价值化的研究,在当前社会经济发展与资源短缺之间的矛盾日益加剧情况下显得尤为重要。目前,钢渣资源化利用的途径,主要集中在冶金领域和建筑行业。


(一)钢渣用于冶金领域


由于钢渣中一般会含有40%以上的氧化钙,钢渣可以替代部分石灰做烧结矿助熔剂。烧结矿中配入适量的钢渣,作为烧结矿的增强剂,可改善烧结矿质量,提高结块率。首钢公司烧结厂配加4%钢渣,每吨烧结矿石石灰减少30千克,节省能耗23000千焦,烧结机利用系数提高1%[5]。宝钢公司自1996年将钢渣用于烧结中,钢渣在此方面的消耗每年约为15万吨[6]。钢渣还可用做高炉溶剂,在回收钢渣中金属铁的基础上,可减少烧结矿和石灰石用量,并可使高炉的脱硫效率提高3%~4%。目前,首钢还在开展熔融钢渣高温显热制氢、钢渣中有价元素选择性结晶、富集和分离的理论基础和工业示范研究工作,从而实现熔融钢渣显热和有价金属资源的充分回收利用。


(二)钢渣用于建筑行业


我国钢渣的综合利用途径主要集中在建筑行业,当前钢渣在建筑行业的应用主要集中在以下几个方面。


1生产干混砂浆


干混砂浆作为新型绿色节能建筑材料,已被国家建设部列为重点开发和鼓励的十五个项目之一。利用钢渣所生产的干混砂浆具有良好的和易性、粘结性、稳定性、早强性和耐久性。由首钢编制的《普通预拌砂浆用钢渣砂》(YB/T4201-2009)行业标准已于2010年6月1日实施。首钢公司利用钢渣制作干混砂浆是目前国内外首创,真正实现钢渣100%代替天然砂,配以少量添加剂,一方面解决了钢渣安定性问题,另一方面提高了砂浆的和易性,增加了砂浆的粘结强度和抗裂性,实现干混砂浆低成本化和钢渣尾渣资源化。目前首钢建立了年产30万吨的钢渣干混砂浆生产线,产品已陆续在奥运鸟巢工程、高法招待所、富盛大厦二期、机场配套厂房、新华社食堂改造、中央机关住宅小区、廊坊某军事基地等工程中使用[7]


2 生产钢渣粉作混凝土掺合


首钢钢渣的化学成分和物理性能分析见表1,其化学成分和水泥熟料较接近,含有具有水硬胶凝性的矿物硅酸三钙和硅酸二钙,将钢渣磨细后可替代部分水泥作为混凝土掺合料用于混凝土生产中。钢渣粉与矿渣粉有很好的适应性,作为复合粉使用时,可以显著提高混凝土的强度值,特别是中后期的强度,还可提高混凝土抗氯离子扩散能力和抗冻性,降低混凝土的干缩率,提高混凝土耐久性等。首钢[8]对钢渣矿渣复合比例、对混凝土耐久性影响等作了研究。研究发现,钢渣粉与矿渣粉的复合比例为3∶2时,复合粉掺量70%时,可达到C30混凝土强度设计要求,引入适量激发剂后,掺量在80%仍可达到C30混凝土强度设计要求。


钢铁渣粉作混凝土掺合料是21世纪钢铁渣高价值利用的主要途径。高效节能的粉磨设备是国内外设备厂家研究开发的重点。法国机械设备集团公司(FCB公司)开发出一种节能效果十分突出的卧式辊磨(HOROMILL)。它的构造是粗短的圆筒,内装圆辊,筒体转动带动磨辊转动,通过液压调整磨辊的位置来调节磨机的粉磨压力。适合粉磨粒化高炉矿渣和钢渣,为我国钢铁渣粉的生产提供了最佳设备。其渣粉的比表面积可达到400m2/kg-800m2/kg,渣粉的颗粒形态为球形,吨产品电耗比立磨、辊压磨、管磨都低。其缺点是建设投资较大,资金回收周期长。


3 用于道路工程


钢渣用于道路工程是钢渣在建筑行业应用的主要途径。钢渣的硬度和颗粒形状很符合道路材料的要求,可用作道路的基层、垫层和面层材料。除此而外,还可替代玄武岩和石灰岩等天然石材用作沥青路面材料。首钢对钢渣作路面集料作了大量研究并编制了《耐磨沥青路面用钢渣》(GB/T24765-2009)和《透水沥青路面用钢渣》(GB/T24766-2009)等四项国家标准,这必将进一步促进钢渣作沥青路面材料的大规模应用。


4 生产建材制品



传统的钢渣在建材产品中的应用主要是生产钢渣砖、瓦和普通砌块等低附加值产品。首钢采用先进的新型发泡工艺将钢渣、矿渣、粉煤灰等按照一定比例混合,并配以发泡剂、激发剂,生产出不同密度的高附加值钢渣泡沫混凝土砌块制品,其中钢渣的最高掺量不仅可以达到70%,而且其产品的物理性能和保温性能都能达到相关标准的要求,为钢渣的资源化利用开辟了一个新的途径。


五、 结语

1我国许多钢厂采用较原始的钢渣处理工艺,造成钢渣粒度、成分不均,钢和渣分离效果不明显,钢渣的安定性不良,因此,应积极推广较先进的钢渣处理工艺。


2炼钢技术的进步,富矿冶炼及转炉溅渣护炉技术的推广,钢渣中P、S元素对冶炼会产生不利影响,钢渣返回烧结使用的数量已越来越少,大部分钢渣的利用方向转向了建材领域。


3钢渣固体废弃物在建材领域的应用主要是生产干混砂浆、混凝土拌合料、道路工程及建材制品。首钢在钢渣的资源化利用方面进行了大量的研究并取得了很多成果,为钢铁企业创造新的经济增长点,实现可持续发展做出了贡献。


参考文献:

[1] 朱桂林,张淑苓,孙树衫. 钢铁渣“零排放”与节能减排[J].中国钢铁业,2009,(4):11~17.

[2] Motz H,Geiseler J. Products of steel slags an opportunity tosave natural resources[J]. Waste Management, 2001, 21:285~293.

[3] 王琳,孙本两,李成威. 钢渣处理与综合利用[J].冶金能源,2007,(4):54~57.

[4] 朱桂林. 加快钢铁工业固体废物“零排放”,促进循环经济与节能减排(C).第七届(2009)中国钢铁

[5] 黄志芳,周永强,杨钊. 谈谈钢渣综合利用的有效途径[J].有色金属设计,2005,32(2):50~54.[6] 章耿. 宝钢钢渣综合利用现状[J].宝钢技术,2006,(1):20~24.

[7] 于宪章,李成宜,孟立彬. DP10钢渣干混砂浆的研制[C].首届宝钢冶金废弃资源综合利用技术论坛论文集,2006,54~57.

[8] 唐卫军. 钢渣矿渣复合微粉对水泥和混凝土性能影响的实验研究[D]. 北京:中国地质大学(北京)博士论文,2009.



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