炉渣建材资源化利用现状

廖桥，彭博，李碧雄

（四川大学 建筑与环境学院，四川成都 610065）

1 炉渣的种类及使用现状

炉渣是在冶炼金属、燃煤、垃圾焚烧等过程中产生的熔融物固体残渣，其组成以氧化物（SiO2，Al2O3，CaO，MgO等）为主，还常夹带少量重金属及其他杂质。根据炉渣的不同来源，可将其分为三类（如图1所示）：（1）煤炭燃烧产生的炉渣主要是火力发电厂、工业和民用锅炉及其他设备燃煤的废渣，又称煤渣或溶渣；（2）冶金行业中从高炉中排出的副产物废渣，主要由矿石中脉石、燃料中灰分和溶剂中非挥发组分形成，组成以氧化物为主；（3）生活垃圾焚烧炉渣是焚烧炉上残留的焚烧残渣，占焚烧灰渣质量的80%左右，主要由熔渣、黑色及有色金属、陶瓷碎片、玻璃和其他一些不可燃无机物及未完全燃烧的有机物组成[1]。

图1 炉渣分类

2015年我国全年粗钢产量8.04亿吨，生产过程中产生的钢铁工业固体废弃物堆置量约10亿余吨，占地约6.67×107m2，每年仍继续排放固体废弃物约1.5亿吨，其中部分废弃物已经得到了较好的利用，如冶炼硅铁合金时产生的硅灰或硅粉，因其超小粒径和较高火山灰活性产生的填充效应、火山灰效应及孔隙溶液化学效应，在适宜的掺量下可显著提高高性能混凝土的抗压强度[2]，也可提高混凝土的早期强度[3]。在这些固体废弃物中高炉渣所占比例约为50%，尽管部分含稀有金属的炉渣可回收稀有金属成分加以利用如含钛高炉渣可以稀H2SO4为溶剂浸取制备SCR烟气脱硝催化剂[4]，但炉渣的平均利用率仍仅有47%[5]。

2013年我国煤炭需求量为36.1亿吨，其中，火力发电厂用煤将近20亿吨，若假设火力发电厂的用煤完全燃烧，保守估计，我国的炉渣产量每年将达到2亿吨以上。

焚烧发电技术作为一种较为成熟的生活垃圾处理方法，在我国已经得到了广泛使用。垃圾焚烧发电技术减量化效果明显，焚烧后可使垃圾减容80%～90%，并可对焚烧过程中产生的热能进行回收利用。2014年我国生活垃圾焚烧无害化处理量为5300万吨，焚烧过程中有20%的质量转化为灰渣，其中炉渣约占80%，焚烧1t生活垃圾约产生200～250kg炉渣，日处理量为1000t的生活垃圾焚烧厂，一年产生约7～9万吨的炉渣[6]。

目前国内对炉渣的利用主要集中在简单的堆积、填埋或用于建筑材料。冶金炉渣作为建筑材料可用于水泥混合材、道路材料、混凝土掺合料等；煤渣利用较成熟，在建筑砂浆、墙体材料、水泥混合材、轻混凝土中都得到了广泛使用；垃圾焚烧炉渣由于其成分复杂，含有多种重金属且处理难度大，我国目前主要采取直接填埋的方式处理。

由此可见，炉渣的产量极为巨大，而实际利用率较低，容易造成炉渣的大量堆积。炉渣堆积导致的环境问题覆盖了各个方面：一是占用大量的土地，浪费土地资源；二是炉渣中聚集了大量的重金属，Zhang等[7]研究上海某一焚烧炉焚烧产物，发现生活垃圾中70%以上的重金属Cu、Zn、Cr和As会转移到炉渣中。重金属会在酸性土壤、酸雨等因素的作用下由不可溶的重金属氢氧化物转化为易溶的碳酸盐，甚至是含水碳酸盐，从而对土壤和水体造成严重污染[8]。炉渣的占地和污染问题，以及如何高效利用炉渣，已经成为当今世界所瞩目的环境与社会经济问题。

2 国内外炉渣资源化利用现状

2.1 炉渣在废水处理中的应用

炉渣中含有的多种碱性氧化物（Al2O3、CaO等）在与废水接触后能溶出部分碱性物，因此对废水中的有机物、重金属、悬浮物有一定的吸附、过滤、中和及絮凝作用。因此，经过粉碎、改性等处理之后的炉渣可以作为一种优良的吸附剂，用于工业或生活废水的处理。高炉渣对重金属废水中的Cu2+、Cd2+、Zn2+这三种金属离子有着很好的吸附性能，去除率均可达到99%[9]，利用改性生活垃圾焚烧炉渣和燃煤炉渣作为吸附剂对生活污水进行处理，在化学改性下总氮去除率可达到55.61%，总磷去除率可达到82.77%，活性污泥改性流化床炉渣COD的去除率达到65.00%[10]。除了优良的吸附性能之外，A.Gil等[11]比较了冶炼矿渣作为废水处理吸附剂几次重复使用时的重金属吸附能力，证实了炉渣作为吸附剂重复使用的可行性。

2.2 炉渣微晶玻璃

微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶材料。与其他材料相比，微晶玻璃具有热膨胀系数可调、机械强度高、电气绝缘性优良、介电损耗小、耐磨、耐腐蚀、耐高温、化学稳定性好等优点，它既可作为结构材料、也可作为功能材料，在各个领域正获得日益广泛的应用。微晶玻璃的化学组成主要包含SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，炉渣的成分与之相近，因此可作为制备微晶玻璃的主要原料。利用炉渣来制备微晶玻璃，可以降低生产成本，节约矿产资源，改善玻璃的性能，有利于环境保护和社会经济的可持续化发展[12-14]。

虽然随着高炉渣引入量的增加，微晶玻璃晶相含量有所降低，力学性能也随之变差，但通过优化其晶核剂类型、用量和热处理工艺参数都可以弥补由高炉渣引入量增加所带来的缺陷[15]。此外，利用污泥焚烧灰渣含有大量的氧化硅以及一定量重金属和磷的组成特点，将其作为成分调整剂、晶核剂及助熔剂，与高炉渣协同可制备具有良好的力学性能和化学稳定性的污泥-高炉渣微晶玻璃[16]。

2.3 炉渣的建材化利用

炉渣与粉煤灰同为火力发电和冶炼行业的固态副产物，化学成分相近，性质类似，因此它可以被用于其他粉煤灰使用的领域，例如混凝土掺和料、铺路、混凝土骨料和水泥混合材等。

炉渣作为混凝土掺合料的良好性能已经得到了大量实验的证明。P.Sharmila等[17]研究证实，粒化炉渣对高强混凝土的抗压性能和耐久性有改善作用，混凝土的抗渗性、抗侵烛性等性能得到改善。此外还有研究表明炉渣作为混凝土掺合料，当炉渣掺量小于30%时，掺有炉渣的混凝土后期抗压强度甚至高于掺有粉煤灰的混凝土，因此可以利用炉渣制备高性能混凝土[18]。

炉渣用于铺路是炉渣利用中的一种重要途径，可以消耗掉大量的炉渣，EbenezerAkinOluwasola[19]和Victor J.Ferreira[20]的研究分别从炉渣在道路建设中替代沥青粗骨料时物理力学性能和环境安全性这两个方向表明了炉渣铺路的良好性能。

炉渣的颗粒大小不一，具有一定级配，直接利用炉渣替代石头或砂，作为混凝土中的粗骨料和细骨料，加工方式简单易行，是炉渣利用的有效途径。Isa Yuksel等[21]利用粒化高炉矿渣和炉渣替代3～7mm砂制备混凝土，试验结果表明：粒化高炉矿渣和炉渣对混凝土的耐久性有益，当炉渣掺量为20%时，混凝土的相关性能最好。

3 国内外炉渣制砖研究现状

上述的几种炉渣资源化利用途径虽然经过多年的研究发展，已经较为成熟，但仍存在一些问题，例如炉渣在废水处理中的使用量不多，并不能解决现今炉渣大量的堆积，而且使用过的炉渣吸附大量的重金属，它的回收利用工艺较为复杂，耗时耗力；炉渣用于微晶玻璃能耗高导致成本较高，析晶不均容易使产品质量不稳定，且颜色单一，多为黑色灰色；炉渣作为混凝土掺和料成分不稳定，且凝结时间短、泌水率小；炉渣铺路则可能对土壤和地下水造成污染等。基于以上原因，炉渣制砖成为了炉渣资源化利用的一种新选择，国内外学者也针对炉渣制砖进行了大量的研究。

3.1 垃圾焚烧炉渣制砖

垃圾焚烧炉渣因为原来来源不同导致成分复杂，物理组成主要有熔渣、黑色及有色金属、陶瓷及玻璃碎片和其他一些不可燃物质及未燃有机物等，外观呈黑褐色，有刺激性气味，在我国焚烧垃圾属于一般废物，可直接填埋或做建材利用，但垃圾焚烧炉渣成分复杂，一般含有多种重金属及无机盐类物质，如铅、锡、铬、锌、铜、汞、镍、硒、砷等，所以在用于建材之前，需要进行适当的处理，处理的方式有以下几种：（1）干燥除臭：主要是为了减少含水率，去除刺激性气味；（2）风化：将炉渣放置一段时间来达到降低炉渣pH值和减少重金属物质的浸出、稳定炉渣性质的目的；（3）水洗：减少水溶性化合物的含量，增加玻璃化氧化物的含量，并能去除轻质的细微成分，有利于提高固化体的硬化性能，提高炉渣的化学和工程性质；（4）热处理：包括熔融和烧结，它既能固定重金属，又能减少废物的体积。当条件控制得当时，还能生产适于进一步利用的材料；（5）球磨过筛：使炉渣的表观性能更稳定，方便利用等。此外垃圾焚烧炉渣由于来源和焚烧技术不同，所含的成分有很大差别，所以还需要进行化学成分、放射性、重金属含量和浸出性能的检测，以此评价炉渣用于制砖原材料的安全性。

垃圾焚烧炉渣用于制砖的原理主要是由于它具备潜在的火山灰活性，资料显示，垃圾焚烧炉渣属于含有活性氧化硅及氧化铝的潜在活性废渣，具备水化后形成硅酸盐及铝酸盐的能力，但焚烧炉渣的水化能力在常温常压下是隐潜的，不能呈现出像水泥那样的水化胶凝性而硬化。为了释放隐潜的硅铝活性，可加入活化剂等进行化学活性激发。杨媛等[22]试验比较了硅酸钠、氢氧化钠和硫酸钠的三种激发剂对生活焚烧垃圾炉渣的激发活性，发现硅酸钠激发活性效果最好，其最佳掺量为5.5%。

通过合适的配比设计、外加剂选择以及成型养护条件制作的垃圾焚烧炉渣砖，可以达到满足使用要求的力学性能和环境安全性，国内外学者的研究表明了垃圾焚烧炉渣可以用于制造各种性能和用途的炉渣砖。曹旗等[23]利用城市生活垃圾焚烧炉渣制备了混凝土路面砖，成品能够达到良好的抗压强度和透水性，同时重金属浸出毒性也能满足要求。杨媛等[8]则利用城市生活垃圾焚烧炉渣制备了免烧墙体砖，成本同样能够满足使用需求的力学性能和毒性安全性要求。Kae Long Lin等[24]研究了市政焚烧垃圾炉渣用于烧结粘土砖的可行性，结论表明炉渣砖的各项性能完全满足中国标准对二类砖的要求。国外的研究也获得了很好的成果，日本学者利用焚烧炉渣制作墙砖和地砖进行了大量的研究[25]，结果表明，烧制出的墙砖和地砖，性能完全符合日本国家标准的要求，用垃圾焚烧炉渣代替墙砖和地砖的一般原料硅石、长石、蜡石、瓷石及粘土等，虽然强度有所下降，但成本大大降低。

除此之外，国内外学者也在积极研制新型炉渣砖，及改进传统炉渣砖的性能缺陷。针对生活垃圾焚烧在水泥基材料中的可溶部分及重金属释出问题，M.Cyr等[26]通过利用偏高岭土的稳定作用来解决，而对于生活垃圾炉渣掺入使得材料强度下降的问题，谢燕等[27]通过炉渣与矿渣双掺，以炉渣中的碱离子激发矿渣的活性，使强度降幅减小。此外，生活垃圾焚烧炉渣开始在阿里尼特水泥、硫铝酸盐水泥等得到利用，成品性能也在逐步改善。

生活垃圾焚烧炉渣制砖的优势主要在于既能有效吸收处理掉生活垃圾焚烧炉渣，又能节约建筑材料从而降低成本。资料显示，利用生活垃圾焚烧炉渣作为混凝土骨料与天然砂石相比，原料成本可节约18.55%[28]，利用城市生活垃圾焚烧炉渣制备免烧砖的环境负荷低于灰砂砖和烧结砖，这表明城市生活垃圾焚烧炉渣免烧砖可大大降低不可再生资源与能源的消耗[8]。

3.2 高炉渣制砖

前面提到过，冶炼行业根据原材料及生产方式的差异产生的炉渣种类各有不同，其中因为高炉炼铁使用得最为广泛，高炉渣在建筑行业，尤其是制砖行业的使用数量和研究也最多。高炉渣一般是指炼铁炼钢过程中产生的固体废弃物，主要成分为CaO、SiO2、Al2O3等，也有炉渣因为矿石由于含有合金元素，导致产出的炉渣中合金元素的含量也较高，例如铬铁炼铁会产生铬铁炉渣，钒钛磁铁矿石炼铁产生含钛高炉渣等。国外学者利用废弃铬铁炉渣和沸石取代制砖原料生产了炉渣烧结砖，试验表明这种炉渣砖具有良好的力学性能，满足了作为建筑材料的使用要求[29]。

根据加工工艺的不同，高炉渣一般可分为气冷渣、粒化高炉矿渣（水冷渣）、膨胀矿渣、矿渣棉等，其中气冷渣和粒化高炉矿渣最为常见。气冷渣是指熔融炉渣在正常环境下缓慢冷却形成的灰色晶体，质地和石头一样坚硬。它由晶体化的Ca-Al-Mg硅酸盐组成，因此胶结性能较差，力学性能类似于碎石。粒化高炉矿渣是熔融炉渣在生产过程中用大量水淬冷后，可制成以玻璃体为主的细粒水渣，它由多孔的玻璃体Ca-Al-Mg硅酸盐组成。由于含有大量非晶态的氧化硅和氧化铝，它具有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂的作用下，就可显示出这种性能。一般来说，粒化高炉矿渣与气冷渣相比，具有更好的胶结性能，制得的砖力学性能也更好，Dina M.Sadek等[30]的研究证实了利用这两种炉渣材料代替天然砂制作的免烧砖，水冷渣砖虽然抗压强度高于同取代率的气冷渣砖，但它的耐高温性能不如气冷渣砖，在高温环境下退化的更快。

高炉渣单独作为掺料或原料制砖时，各种性能都有所限制，不能得到完全的发挥，目前较为热门的研究集中在炉渣与各种原料的复掺使用或者对原料炉渣进行加工和处理，以此提高炉渣砖的性能。Kai Wang等[31]利用微生物的矿化作用制造了微生物矿化炉渣砖，矿化作用使砖中的松散砂石凝结成坚固的大石块，以此来提高炉渣砖的力学性能。

利用高炉渣制成的砖，用途和性能也多种多样。前面提到过高炉渣免烧砖，利用高炉渣和高岭土开采残渣复掺制造的耐酸砖[32]，成品同样有良好的物理和力学性能，同时也满足了规范规定的耐酸砖性能要求。此外Masahide Nishigaki等[33]利用高炉渣为原料也制备出了具备良好的物理力学性能且重金属浸出性能良好的透水砖和路面砖。

高炉渣制砖的优势在于材料来源广泛，可以吸收大量的废弃炉渣，同时炉渣砖还能固化炉渣中的重金属，降低污染土壤和水体的风险。除此之外，高炉渣制砖不需要烧结或者蒸压养护，这将减少能源消耗量。

3.3 燃煤炉渣制砖

燃煤炉渣用于制砖已经有很久的历史，应用相对较成熟。国内有JC/T 525-2007《炉渣砖》等标准和规范指导燃煤炉渣砖的生产和检测。煤渣在制砖中的利用方式主要有两种，作为骨料直接使用和磨细为超细煤渣粉替代水泥作为掺料使用，两种方式各有不同的优势：煤渣作为粗骨料用于混凝土空心砌块中，利用其密度低、孔隙率大、吸水率高的特点，可提高砌块的保温性能[34]；煤渣磨细成粉在混凝土中作为掺料用于混凝土中有促凝特性，掺量越大，促凝越强；煤渣粉活性高于Ⅱ级粉煤灰，对高强混凝土的强度有增强作用；煤渣粉可提高混凝土的抗氯离子渗透性[35]；流化床煤渣生产过程中可将SO2、SO3等有害气体固结其中，再将炉渣用于建筑原料，可解决有害气体的污染问题[36]。

现在研究的注意力主要集中在炉渣砖的环境安全性，尤其是放射性危害上。研究表明，煤渣对煤中的天然放射性核素226Ra、232Th的富集程度可达4～5倍，可造成以煤渣为原料的墙体材料氡放射性超标，危害人体健康[37]。目前对煤渣砖放射性危害的处理方法主要是将沸石、重晶石、高铝水泥等防氡辐射功能基元材料掺入水泥砂浆、墙体腻子及混凝土中进行氡的防治，这种方法可以有效降低建材中的氡释放量，此外将钢渣加入至粉煤灰基建材中也可达到一定的防氡效果。

4 结论和展望

本文主要得到了以下结论：

（1）炉渣的种类按照其来源不同可分为燃煤炉渣、冶炼行业炉渣和垃圾焚烧炉渣三大类，每大类又可以细分。三类炉渣化学成分含量有差异，物理性能也各有不同，但其成分都与制砖原料近似，从化学组分上看有用于制砖的可行性。

（2）炉渣在建筑行业有广泛的应用，如炉渣可以用于废水处理中的重金属吸附剂，或作为制造微晶玻璃的原料。炉渣由于与粉煤灰的化学成分相近，在建材资源化利用过程中可以作为混凝土拌合料的原料之一或生产蒸压加气混凝土等。

（3）国内外关于炉渣砖进行了大量的研究，三大类炉渣通过合适的原料处理，配比设计和生产工艺，均可以制成满足使用要求的炉渣砖，产品也包括路面砖、免烧砖、耐酸砖等类型。同时新型炉渣砖的研制及传统炉渣砖性能缺陷改进也在积极进行。

（4）炉渣砖材料来源广泛，既能有效吸收工业废料，减轻环境负荷，又能大量节约建材，减少资源和能源消耗，是一种具有研究和推广价值的建筑材料。

综上可知，目前各类炉渣综合利用水平低，技术含量严重不足。根据2016年《国务院办公厅关于促进建材工业稳增长调结构增效益的指导意见》，要稳步提高建材产品深加工水平和绿色建材产品比重，显著增强产品质量水平和高端产品供给能力，提升节能减排和资源综合利用水平。因此，深入开展炉渣综合利用的技术水平，是新时期促进炉渣资源化的必经之路。

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