钢铁工业固体废弃物综合利用产业化发展路径探索

2019-01-23王秀秀曹惠明

中国资源综合利用 2019年7期

关键词：钢铁工业矿渣炉渣

王秀秀，曹惠明

（1.山东省冶金设计院股份有限公司；2.山东省环境监测中心，济南 250101）

近年来，随着我国经济的不断发展，工业发展进程不断加快，但工业发展也带来巨大的环境问题。大量的钢铁工业在发展中不断产生固体废弃物，不但浪费资源、污染环境，而且使生态遭到严重破坏，因此改善我国钢铁工业的废弃物产生状况迫在眉睫。

1 钢铁废弃物概述

我国钢铁工业的废弃物主要体现在冶金固体方面，主要包括矿山开采时所产生的矿山废石，选取矿石后所剩的尾矿，冶炼时所产生的废渣、粉尘、污泥等。

近年来，我国在世界钢铁业发展中取得了显著成果，我国钢铁业产量居世界首位，2005年，我国仅钢铁产量就已超过4亿t，占世界总产量的50%，尤其在2008年时，钢铁产量已达发展巅峰，其产量更是达到5.3亿。但是，钢铁工业也带来了严重的环境问题，巨大的钢铁产量带来了数量庞大的废弃物。2005年钢渣就已达7 000万t，矿渣达1.55亿t，2008年，我国工业固体废弃物产生量已高达190 127万t，相较去年增长8%。

从生产角度来看，工业固体废弃物其实是一种资源，可以作为原料，加强对固体废弃物的利用有助于贯彻落实可持续发展战略。我国钢铁工业虽然通过多年努力已取得了显著成果，但是对于工业固体废弃物的综合利用率还是不高，通过对废弃物进行有效研究，我国钢铁工业固体废弃物综合利用取得了新的发展[1]。

2 钢铁工业固体废弃物资源的综合利用

2.1 综合利用矿业废石和尾矿

矿山为钢铁工业生产提供所需的生产原料。矿物开采必须遵循相关开采制度和规范要求，如果未达开采要求，将会导致矿山产生巨大数目的固体废弃物，矿山废石在矿物开采中占比较大。调查发现，在工业固体废弃物中，我国矿山固体废弃物占比极大，若是未能及时处理矿山固体废弃物，将会引发一系列安全问题，导致生态环境遭到破坏。因此，推进矿场废石和尾矿的资源化工作至关重要。

2.1.1 有价金属回收

矿中含有多种金属元素，如金、银、铁、铅、铜、镓、锌等。有价金属回收利用是矿山固体废弃物资源化的重要途径之一，人们要将有价值的各种金属提炼出来。尽管这些有价金属品位较低，回收成本较高，常规选取冶炼方法难以回收，但尾矿数量巨大，其含有的金属量也较大，提炼就具有很大的价值。若是能采用新型、高效的提取方法，就能进行良好的规模处理，加工低品位的矿石和尾砂，这样就能提高有价金属的回收率，降低金属资源处理成本，同时也能实现经济、环保的协调统一。高梯度磁选机是铁矿尾矿在提取时主要采用的处理工具，在回收赤铁矿时应按照弱强磁选、重选和浮选的程序进行回收。不仅要回收铁精矿，还要将其他有用成分进行回收，如银、铜等。有效回收矿山废弃物中的有价金属，能提高资源利用率。

2.1.2 环境材料生产

加强对尾矿的利用能生产出具有环境保护功能的材料，如治理大气环境污染所需的吸收剂、吸附剂、催化剂等，控制水污染所需的吸附剂、沉淀剂、杀菌消毒材料及填埋固体废弃物场中所需的防渗材料等。人们要观察矿物发生的变化情况，然后对其分析研究，应将矿物的组分、结构及净化性能关系作为研究重点，拓展矿物环境功能性材料的应用范围，从而提高尾矿综合利用水平。

2.1.3 建材生产

矿石建材生产主要包括三方面，一是生产砖块，二是生产玻璃，三是生产水泥的替代品凝石。

其一，因尾矿种类繁多，废物产生大，人们可以用尾矿代替黏土来生产免烧砖、蒸压砖、饰面砖、铺路砖等。各项性能测试表明，其各项指标均能达到国家标准要求，其制作成本比黏土制砖还要低，同时能将废弃物有效利用，减少环境污染，提高土地资源的利用率，保护耕地。

其二，加强对尾矿、矿山废石等固体废料利用，能为微晶玻璃提供主要生产原料，同时实现其较高的附加价值。钢材的良好替代材料之一就是微晶玻璃，它被广泛应用于工业生产中。铁矿尾矿含有很多钙、镁、铁的氧化物，因此在冶炼、玻化时容易发生铸石化现象，这就需要工作人员选取合适的熔制工艺，从而制作出高级饰面玻璃。饰面玻璃具有有一定优势，其不仅理化性能好，还能提高尾矿的利用率，使其保持在70%～80%。研究表明，铁矿尾矿可以用于微晶玻璃生产，能进一步改善微晶玻璃的理化性能。山东某微晶玻璃厂通过对尾矿砂的利用，研发出一种能够保温、隔音、隔热的微晶玻璃复合板。目前，我国已有很多企业利用尾矿砂来生产微晶玻璃晶板材，从经济发展角度来看，其具有十分广阔的市场前景。从环境环保角度来看，它是将固体废弃物资源化利用的良好途径。

其三，铁矿尾矿含有较高量的二氧化硅，它能代替黏土生产水泥熟料，降低能耗和成本，提高产量。大地成岩原理分析发现，采用新型的岩石矿物学和地球化学理论进行胶凝材料分子设计，聚合尾矿、粉煤灰以及冶金废渣等，能生成凝石，凝石是一种类似于天然岩石的绿色胶凝材料。凝石可在某些场合代替水泥。相较水泥，凝石更具耐腐蚀性，其密度、强度、生产成本和清洁生产等方面都具有突出的特点，制作工艺简单，还能为环境治理提供良好的发展方向，缓解目前严重的资源危机和能源短缺问题，为其开辟良好的发展道路。

2.1.4 化肥和农药生产

尾矿可以用于生产化肥和农药。部分尾矿因尾砂中含有部分微量元素，如植物所需的氮、磷、钾等，它所含的成分适宜，能对其进行直接加工，然后将这些微量元素制成土壤改良所需的肥料或改良剂，同时改善土壤结构，提高它的透水性、透气性等。铁尾矿含有少数的磁铁矿，磁铁矿通过磁化，将氮磷钾参入其中就可制出磁化复合肥。另外，还能将尾矿矿砂进行有效利用，将其通过加工处理制作出农业生产所需的杀虫剂。这样既能促进作物增产，又能保护生态环境。

2.2 炉渣的综合利用

欧美发达国家对高炉渣的利用水平整体比我国高，能将高炉渣全部利用。水淬工艺是提炼高炉渣内金属元素时最常使用的一种处理技术。它主要用于生产矿渣水泥、混凝土制品、矿渣砖、碎石和替代普通砂，其一般用于工程建设。其中，膨胀矿渣可以作为防火隔热材料，或用于制作轻质混凝土制品，生产出的矿渣棉具有隔音和保温等性能。

2.2.1 生产炉渣水泥

要想将高炉渣变成水渣，就必须在高炉渣生产前对其进行加工处理，水渣在各种熟料和催化剂的作用下，能改善其水硬胶凝性能。人们可以以水渣为原料制作水泥，根据矿渣成分不同，水泥类型也不同，有石灰矿渣水泥、矿渣硅酸盐水泥和石膏矿渣水泥等。通常，都将炉渣制成粉末掺入水泥中，以改善水泥的物理性能。

2.2.2 生成膨胀矿渣珠和膨胀矿渣

膨胀矿渣是一种多孔矿渣，其是通过对高炉渣的利用，采取适量冷却水急剧制冷而形成的。其主要生产方法包括喷雾法、滚筒法、堑沟法、喷射法等。其主要用于混凝土轻骨料和防火隔热材料，膨胀矿渣能制出一种轻质混凝土，它可于建筑的围护结构，还能用于建筑承重结构。目前，国内外已研发出一种新的矿渣利用方式——生产膨珠。膨珠表面光滑、多孔，质地轻盈，生产时所需水量极少，硫化氢排放量较少，能减少对生态环境的破坏。膨珠要想成为混凝土骨料，必须保证自身完整。因膨珠本身具有吸水少、内孔隙封闭的特点，所以在干燥时混凝土产生的收缩也小，天然浮石等轻骨料和膨胀页岩不能与之相比。直径小于3 mm的膨珠，其用途与水渣用途相同，都能用作水泥掺合料，也能作为骨料或路基材料。膨胀矿渣和膨珠生产相较黏土陶粒、粉煤灰陶粒生产而言，其制作工艺简单，制作成本也不高。

2.2.3 生产碎石

高炉渣在渣场或渣坑经过自然冷却或淋水冷却形成了一种致密的矿渣，即高炉矿渣碎石，它是经过多道工艺程序加工完成的一种石质碎石材料，其主要加工程序为挖掘、破碎、磁选和筛分。经过破碎处理后，碎石具有缓慢水硬性的特点，能作为混凝土的骨料。矿渣碎石所制的混凝土不仅具有其他普通混凝土具备的理化性能，还具有较强的隔热性、耐久性和保温性。我国一般用矿渣碎石代替天然石料，用于机场、公路、铁路等工程建设。利用矿渣碎石作基料铺设的沥青路面，其不仅具有较好的耐磨性和防滑性，而且地面通透明亮。将它运用于铁路道砟，能有效吸收列车运动时所发出的噪音。

3 钢铁企业固体废弃物综合利用的产业化发展路径

3.1 建立有效的固体废弃物回收利用体系

钢铁工业应建立统一的固体废弃物回收和利用管理模式，严格监控和系统跟踪各种钢铁工业固体废弃物的产生、流转及加工处理等环节，防止造成环境的二次污染，将固体废弃物的综合利用率提高。例如，马鞍山钢铁股份有限公司以产业化发展、精细化管理、规范操作为主线，建立冶金固体废弃物回收利用所配套的一体化体制机制，完善了固体废弃物的各类综合管理制度要求和标准[2]。

3.2 改进固体废弃物的利用方式

钢铁工业产生的固体废弃物种类较多，按照不同的成分，人们要合理规范固体废弃物的利用途径，同时改进利用工艺，避免固体废弃物在利用过程中产生二次污染。例如，将传统利用方式转炉除尘污泥制成污泥球进行改进，将其转变为以水力输送的形式通过含水污泥直接泵送至烧结一次混合加湿机以喷浆形式加湿配料。经过改造后，固体废弃物工艺只需要排泥、泵送、接收这三个工序就能轻松完成污泥的输送与处理，这样既省去了污泥脱水过程，也减少了泥饼造球后序加工处理所产生的二次污染问题，很大程度上减少了污泥再利用的成本，能确保企业取得良好的经济效益和环境效益。