苍大强1， 张玲玲2， 刘洋2， 陈兆厚2， 何冰阳2
1. 北京科技大学冶金与生态学院，北京 100083
2. 北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083
摘 要：为了剖析当今钢铁工业固相二次资源的利用水平、存在问题，提出解决途径，进一步提高工业绿色和低碳水平，本文先介绍了钢铁工业的气相、固相和液相二次资源内容，又概述了国内外钢铁工业固相二次资源（以下称：固废）的研究和利用现状，由于钢铁工业固废利用的难点和堵点是钢渣的利用，本文重点以钢铁工业钢渣为例，介绍了其在国内外的利用概况、存在的共性问题，并提出了解决的途径。由于钢渣是在现有炼钢的特有高温物化环境中产生的，导致钢渣成了一种过烧的硅酸盐产物，其活性差、易磨性差、含铁量高，还有一定量的游离氧化钙（f-CaO），给钢渣资源和热量的回收和利用都带来了非常大的难度，以至于全世界对钢渣资源和余热的利用，还没有找到理想的方法。所以钢渣成了世界钢铁工业固相二次资源处理的绿色和低碳利用的难点和堵点。本文在剖析了钢铁工业固废利用技术目前存在的各类问题基础上，根据当前国家政策法规的要求，针对上述存在问题提出了应对的对策途径，以为钢铁工业固废下一步高效、绿色和高值利用，提供了建议和研究课题。
关键词：钢铁工业，固相二次资源，研究和利用，存在问题，对策
1 钢铁工业二次资源
钢铁工业的二次资源有三类：
（1）液相二次资源：如废水、废酸和各类浓缩液等；
（2）气相二次资源：如烟气、排放的蒸汽和其他气相排放物等；
（3）固相二次资源：如各种渣、尘、泥、废耐材、尾矿、脱硫石膏和一些固相危险废弃物（如：电弧炉粉尘、不锈钢酸洗污泥、废催化剂等）。
本文以钢铁工业固相二次资源（固废）利用中的难点和堵点：钢渣资源和高温余热的回收和利用为例，分析利用现状，发现存在问题，找出应对对策，为下一步深入发展提出参考意见。
目前生产1.0吨粗钢约需要4.0吨固体原料（平均的原料和燃料条件），这意味着生产1.0吨粗钢，就要排放约3.0吨的固废。另外，还排放大量气相二次资源和一定量的液相二次资源，这些“二次资源”如何处理，将直接影响钢铁工业的绿色化程度。钢铁工业二次资源能否实现高效利用，已经成为实现钢铁工业绿色化的重要标志。
中国钢铁工业从产量上看，已是一个钢铁大国。1949年中国钢铁产量为15.8万吨，2021年粗钢产量达到10.3亿吨，占世界粗钢总产量19.5亿吨的一半还多，中国已经由一个钢铁小国成为一个钢铁大国，但由于与发达钢铁国家软硬件的创新差距较大，目前还不算是一个钢铁强国。
巨大的钢铁产量，导致了巨量的二次资源排放，造成了突出的生态环境问题，虽然中国钢铁工业二次资源的利用取得了瞩目的成果，但仍然存在很多问题，尤其是钢渣这个钢铁工业的难点和堵点，其研究深度和利用水平还存在较多差距。
美国、日本等经济发达国家都经历了以钢铁为支柱产业的重要发展阶段（每年生产约一亿吨粗钢）。由于那时他们处在发展的早期，环保要求不严格，二次资源利用的压力不大，研发的技术也很少。另一个原因是：他们的钢产量仅是现在中国钢产量的十分之一，固废的产生量很少，加上对固废有害成分的研究较多，所以他们只要简单处理就能满足当时的环保要求。
但是，中国面对巨大的钢铁固废产生量，造成了“生产多、输出少、积压多”的局面，对环境的压力越来越大，国家制定了越来越多严格的法规和政策，已经到了必须解决钢铁固废和危废的时候了。
世界钢铁工业长时间的实践证明，绿色钢铁是钢铁企业生存和发展的方向，也是一个“钢铁大国”成为“钢铁强国”的必经之路。无论从企业自身还是国家发展的要求来看，未来很长一段时间内，推进钢铁生产的低碳环保，资源高效利用，发展绿色钢铁技术将成为我国钢铁工业发展的主旋律，以此为切入点，有助于促进我国由钢铁大国变为钢铁强国。
2 国内外钢铁工业固相二次资源研究和利用现状
2.1 国外钢铁工业固废研究和利用现状回收
本文主要论述的“钢渣”主要是指“钢渣尾渣”（钢渣经破碎磁选提铁处理后所得的金属铁含量小于2%的钢渣），目前的利用率和价值很不理想。从上世纪90年代初至今，钢渣尾渣累计堆存量已近20亿吨。2019年，国家发改委和工信部联合下发《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》，其重点任务中提出：积极推动钢渣及其尾渣深度研究、分级利用、优质优用和规模化利用；全面实现钢渣“零排放”。该工作还处在“现在进行时”阶段。
鉴于相关资料很多[1-4, 6-14, 20]下面仅概要地总结国外钢渣的研究和利用现状：
至今为止，国外对钢渣的研究主要集中在钢渣中有价元素的提取和利用，如Fe，Cr，Ni，Mo，Mn，Ti，Al，Zn等的提取，尤其以瑞典、德国、比利时等欧盟国家的表现突出，但工业化应用的结果尚未见报道（除铁素提取外），主要原因是技术可行性存在，但经济可行性尚存问题。
另外，国外对钢渣中有害元素及其对环境的影响研究非常重视，例如，瑞典长时间跟踪研究不同钢渣在自然生态条件下的土壤和水中，对环境的影响规律和是否超标，从而提出一些限制性规定。但国外对钢渣主要成分（CaO，SiO2，Al2O3，MgO）的利用，比较简单，在确认对环境无害的条件下，仅作建筑基础材料、填路等用途。因为他们的钢渣产生量有限，没有像中国一样对社会和自然造成大的影响和压力。
2.2 国内钢铁工业固废的研究和利用现状
总体上说，中国钢铁工业从事钢渣研究的人数、研究课题和研究成果，从数量上看，远比国外多，目前钢渣资源大宗利用的数量和水平明显提高，钢渣综合利用率也迅速提高，但钢渣高附加值的利用水平还没有提高到应有的程度。
另外，在钢渣有价元素提取和有害元素对生态环境的影响及无害化的重视和研究程度，中国不如国外深入。
国内钢渣研究人员，总结了大量前人长期的研究成果，总结了如图1所示的钢铁渣制备不同目标产品的体系，其主要依据是抓住了钢铁渣的关键参数钙硅比（CaO/SiO2），硅钙比是钢铁渣最主要成分的体现。图1还提出了两种钢铁渣改质工艺，对不同钙硅比的钢铁渣通过改质，制备出不同的目标产品[33-35]。
图1 钢渣铁渣不同钙硅比制备的不同目标材料和对应的钢渣改质工艺
Fig.1 Different CaO/SiO2 of iron and steel slag corresponding the different products and upgrading processes
中国政府在过去的几个国家五年计划中，大力支持了钢铁工业固废利用技术的开发，先后利用钢渣，开发了钢渣陶瓷、钢渣微晶玻璃、透水砖、陶粒、铸石和水泥掺和料等（见图2、图3、图4）[16-19, 22，23-32]。
国家发改委对钢渣尾渣制备高附加值的钢渣微粉的推广应用，作了肯定（用机械活化的方法，克服了钢渣活性低的难点）。全国很多钢铁公司都自行或与外界合作，成立了钢渣微粉公司，为钢渣高附加值利用增添了新路。
图2 钢渣微晶玻璃产品
Fig.2 Glass ceramic products made from steel slag
图3 钢渣陶瓷产品 图4 不锈钢陶瓷产品
Fig.3 Ceramic product made from steel slag Fig.4 Ceramic product made from stainless
steel slag
上述产品是工业实验的结果，它们对钢铁工业绿色产业和形成钢铁工业新的经济增长点，尤其是钢渣的高附加值利用，将起到促进作用。
另外，钢铁工业二次资源利用体系：循环经济系统的建立，中国也进行了不间断的努力，经过两代人的努力，先后建立了以下新一代钢铁工业循环经济体系，见图5[20]。
图5 中国钢铁工业循环经济（生态工业）体系
Fig.5 Circle economy system of Chinese steel industry
上述钢铁工业循环经济体系的建立，为全面利用钢铁工业的二次资源，起到了引领和指导作用。在循环经济设计和实施方面，中国领先于国外钢铁工业。
在钢渣理论研究方面，国内也取得了一定进展，例如：北京科技大学在钢渣陶瓷研究中[15]，开发了比传统陶瓷（硅-铝体系）性能好很多的新型陶瓷体系（硅-钙体系（石英-长石-粘土三组分陶瓷）），按以往的陶瓷标准（含CaO <3%、Fe2O3<1），钢渣是不能做陶瓷原料的，因为含CaO太高（大于40%）和含铁太高（Fe2O3>18%），但经过大量基础、理论和实验研究证明，高钙高铁钢渣已经可以制备出比传统低钙陶瓷性能更优的陶瓷（抗折强度比国标高约2倍，见图6）。说明现有国家陶瓷制备理论和标准还需要填补的空白，利用钢渣制备高钙高铁的辉石质陶瓷体系,钢渣制备新型陶瓷的相应的新理论也随之产生[21]。
虽然国内钢渣研究的论文大量的发表，但系统地开始整理、分析和建立钢渣利用理论体系的论文还很少[5]。
图6 传统陶瓷和不同钢渣掺量的陶瓷的抗折强度
Fig.6 Flexural strength of traditional ceramics and ceramics with different slag content
3 钢铁工业二次资源利用存在问题和对策
全国五百多家钢铁企业二次资源利用的巨大付出和获得的成果是明显的，但存在的问题也应正视。事实上，我国钢铁行业二次资源的利用仍然存在着不少问题，例如：
（1）存在问题一：钢渣活性差、易磨性差、含铁量高，还有一定量的游离氧化钙（f-CaO）等，难以直接利用：
在炼钢炉内特有的高温环境，变成了一种过烧的硅酸盐产物，导致其活性差、易磨性差、含铁量高，还有一定量的游离氧化钙（f-CaO）等，给钢渣资源和热量的回收和利用都带来了非常大的难度，以至于全世界对钢渣资源的利用，还没有找到理想的方法。
尽管现在已经有不少钢渣利用的技术，如钢渣先磁选除铁，后通过机械活化（粉磨），提高钢渣活性，制备的钢渣微粉可以作为水泥等工业的原料，水泥和混凝土制备中可以通过水化，消除游离氧化钙的影响。但该途径的能耗的较高，流程较长，成本较高。
另外，还有一些将钢渣作为主要成分的钢渣产品开发：如：钢渣陶瓷、钢渣微晶玻璃、钢渣透水砖、陶粒等产品，虽然技术已经研发成功，但由于生产线投资高，碳耗较高，实现工业化还存在一定困难。以上方法总体上属于“末端治理”的方法。
对策：为了开发新的技术和途径，建议开展以下研究课题：从源头去改变钢渣的活性差、易磨性差、含铁量高，含有游离氧化钙（f-CaO）等缺陷，开发在“炼钢炉内”对钢渣进行改性的技术，如利用炉内充足的高温环境，通过降低“射流区温度”，避免钢渣过烧、“强化炉内钢渣和钢水的混合搅拌水平”，减少过量CaO的添加量和钢渣的含铁量，上述措施还能降低炼钢成本，提高钢渣利用成本和有利于高附加值钢渣产品的开发，实现低碳利用钢渣及其产品开发的目的。
（2）存在问题二：高温钢渣的余热利用几乎为零：
炼钢炉内钢渣的温度都在1500 ℃以上，每吨钢会产生约150 kg的高温熔渣，目前中国年产10亿吨钢的钢渣高温余热都没有得到利用，主要原因：每炉的出渣量较少、间歇出渣、粘度偏大（溅渣护炉造成）。高㶲值钢渣余热的回收也是世界钢铁工业的难点和堵点，目前许多钢渣余热回收技术，如风淬法、水淬法、滚筒法、粒化法、混合钢球法、连铸连轧法和导热油法等，都处在研究阶段，还没有理想的工业应用的案例。其中有部分回收余热的方法是：“热焖法余热回收”，已经有部分工业应用案例，但仅仅回收部分钢渣余热。上述余热回收利用的结果对比，见表1。
表1 Tab.1 Different technology for waste heat recovery from steel slag
对策：（1）应避免分散研发力量、资源和资金的现状，集中力量研究钢渣矿物资源和高温余热回收和利用的技术和装备；（2）探索开发全新的炼钢工艺，其中包括考虑到钢渣余热回收和利用的技术方案。
（3）存在问题三：几乎所有工业固相二次资源的成分度不稳定，严重影响了利用二次资源制备产品的质量稳定性。如何根据二次资源的成分变化，保证其成分稳定或采用相应的产品新配方，是一个和急切的课题。以钢渣利用为例：这方面的研究很少。以钢渣为例，因钢种、原料、炼钢工艺和装备等的不同，导致钢渣的成分波动很大，给钢渣的下一步利用带来很大的负面影响。
（4）存在问题四：还没有找到理想的在线实时检测二次资源成分变化的仪器，以及针对动态成分的变化，实施快速控制配料的配伍技术，以保证二次资源所制备的产品质量的稳定和价值。目前能实现在线检测二次资源动态成分的仪器，存在无法较全面地检测二次资源需要检测的主要元素，现有的在线仪器通常价格高昂，推广有一定困难。
对策：（1）同样需要集中力量研发在线检测仪器；（2）研究针对不同二次资源，开发二次资源的分类管理和储存的方法；（3）开发不同产品开发需要的快速智能配伍的软硬件系统。这是急需开发的技术，虽然需要时间，但是要尽快开始。
（5）存在问题五：固废利用研究还存在研究偏析现象：目前研究钢渣、铁渣和钢铁粉尘利用的较多，但研究废弃耐火材料和危险废弃物等其他固废的则较少。下一步需要组织研发人员和单位研究上述固废和危废的治理技术和装备，以填补这些空白点。
（6）存在问题六：固废利用和产品开发的理论和标准研究不够。
中国二次资源利用研究和利用的人很多，工程成果不少，而且已经实践多年了，但是目前大多数是处在各自为战阶段，导致重复研究、产品雷同、投入浪费、标准不足等现象，致使二次资源不同相关领域的基础研究和有计划的理论体系建设欠缺，急需组织、总结、分析和提取有关理论，逐步建立和健全相关的理论体系，以指导下一步固废利用的研究和工业应用。
（7）存在问题七：缺乏固废利用的“多维人才”。
二次资源利用是跨学科的领域，涉及材料学、冶金学、物理化学、热力学和热能工程学等学科，目前同时具备上述学科专业知识的“多维人才”缺乏，严重影响了固废利用技术和产品开发的水平，急需培养该领域的“多维人才”，大学需要开辟或扩大该领域的“多维人才”的培养，现有公司要坚持不断地组织对专业人才的培训。
4 结 论
（1）国内外钢铁工业二次资源利用的研究存在差别：中国研究和应用的数量多，成果多，但研究深度不如发达国家。国外基础研究多，中国应用研究多。
（2）钢铁工业二次资源的利用还有不少关键共性课题急需研究，如：源头解决二次矿物资源和能源利用课题、开发固废成分在线测量和控制课题、熔渣余热回收利用课题、废弃耐火材料应用和原来越多危险废弃物的无害化和资源化等的课题等，集中力量研发它们具有很大的国内外应用潜力，是一个“钢铁大国”，走向“钢铁强国”需要开发的课题。
（3）二次资源的理论研究和理论体系建设要系统化，要有组织，要开始，否则将影响中国二次资源利用的深入开展和水平提高。
（4）工业二次资源的利用是跨学科的领域，要注意吸收和培养具有多专业知识和技能的多维人才。
（5）二次资源的利用，要注意其中有害元素的检测和无害化处理，以保证产品和环境的安全。
（6）二次资源产品制备中的固废原料成分在线监测技术和装备急待开发。
（7）与固相二次资源产品开发的工艺和装备相关的新理论体系和新标准需要逐步建立。
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