我国炼钢固废利用现状与发展趋势

郝 阳 彭 锋 李晋岩 周园园 李 晓 缪 骏

党中央、国务院历来高度重视固废资源利用工作，把资源综合利用作为经济和社会发展中的一项长远战略方针和重大技术经济政策。特别是党的十八大以来，将资源综合利用作为发展循环经济的重要内涵纳入生态文明建设，推动各项工作取得了长足进步。整体来看，我国炼钢固废产量增长较快，以内部循环和堆存为主，有效的综合利用和应用相对较少，产品附加值不高，综合利用率较低。未来，在钢铁工业高质量发展的驱动下，绿色发展将成为钢铁企业发展的本质要求，炼钢固废的综合利用水平也将会快速提高。

一、我国钢铁工业现状

由于炼钢固废的产量与粗钢产量呈正相关，所以我国粗钢产量是影响炼钢固废产生量的直接因素。目前，我国炼钢生产呈现三个特征：一是粗钢产量快速增长。1996年突破1亿吨，2019年达到9.96亿吨，年均增速达10.5%；二是由于我国废钢资源的短缺，电炉短流程的发展速度比长流程明显缓慢，2011年以来电炉钢比长期处于10%以下；三是我国粗钢产量分布相对集中，且集中在东部地区，仅河北、江苏、山东、辽宁四省产量占比就达到全国产量一半以上。我国粗钢产量的特点决定了炼钢固废也具有相似特点：产量大且增长速度快；以转炉炼钢固废为主；产出量分布相对集中（以东部沿海地区为主）。

二、我国炼钢固废现状

转炉炼钢是以铁水和废钢为主要原料，辅以造渣剂（石灰、萤石、白云石、合成造渣剂）、铁合金、冷却剂、增碳剂等，并从炉顶吹入纯氧进行熔炼。电炉炼钢则是以电力为主要能源，简化了烧结、高炉等前道工序，相比于转炉，可进行全废钢冶炼，也可加入部分铁水，生产流程明显缩短。炼钢工序主要包括铁水预处理、转炉/电炉熔炼、精炼和连铸等，经过冶炼将钢水中的硅、硫、磷、碳、锰和氧等元素进行脱除，然后在精炼炉中进一步去除杂质，并进行成分和温度的调整，最终经过连铸后形成钢坯，每道工序都会产生化学成分、物理性质不同的固废。

（一）炼钢固废的分类

炼钢过程中产生的主要固废包括：钢渣、尘泥、氧化铁皮、废钢、废气耐材及工业垃圾等，吨钢产生量约160吨，全国年产生量约1.6亿吨。其中钢渣和尘泥总占比接近90%，为最主要的炼钢固废（见图1）。相对于转炉炼钢，电炉炼钢在熔炼环节由于使用废钢作为主要原料，固废在化学成分上有一定区别。目前，炼钢固废的利用途径包括厂内循环、厂外循环和堆存。一般的含铁固废如钢渣、尘泥、废钢、氧化铁皮在进行简单处理后作为原料返回烧结、炼钢等工序；其他如尾渣、废气耐材、工业垃圾等低价值固废会外卖、堆存或由厂家回收。目前这部分固废的综合利用率较低，仅部分企业能生产其他产品，存在大量堆存的情况。

图1 我国主要炼钢固废占比情况

（二）炼钢主要固废的综合利用情况

1. 钢渣综合利用情况

钢渣主要来源于金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物及硫化物、被侵蚀的炉衬及炉衬材料、金属炉料带入的杂质以及为调整钢渣性质所加入的造渣材料，如活性石灰、白云石、萤石等。钢渣中富含Ca、Si、Fe、Mg、A1等有价元素，并蕴含大量热能，是钢铁企业主要的固废资源。在实际生产过程中，钢渣不仅包括转炉渣和电炉渣，也包括铁水预处理渣、精炼渣和铸余渣等，每生产1吨粗钢，产生钢渣约130吨（见图2）。

目前我国钢渣综合利用情况：

（1）钢渣利用率低，大量堆存已成隐患。2018年，我国钢渣产生量达1.21亿吨，综合利用率仅为45%左右，美国、日本、德国等发达国家的钢渣利用率接近100%。从20世纪90年代初到2018年末，我国钢渣尾渣累计堆存量超18亿吨，占地20多万亩。大量的钢渣堆存不仅浪费资源、占用土地，而且造成严重的环境污染和安全隐患。高效利用钢渣，是中国钢铁工业实现高质量发展必须要面对的问题。

（2）政策法规正逐步加严。2018年1月1日起施行的《中华人民共和国环境保护税法》明确规定：钢渣属于固体废物税目，税额为25元/吨，对露天堆存的钢渣雨季所造成的钢渣渗滤液征收300元/吨的环保税，钢渣将成为未来工业固废处置重点关注的方向。2019年1月，国家发改委和工信部联合印发的《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》重点任务中明确提出：积极推动钢渣及尾渣深度研究、分级利用、优质优用和规模化利用；推广技术先进、能耗低、耗渣量大、附加值高的产品，全面实现钢渣“零排放”。除此之外，《钢铁工业污染防治技术政策》（2013年第31号）《钢铁工业发展循环经济环境保护导则》（HJ 465—2009）《钢铁行业（炼钢）清洁生产评价指标体系》等政策标准也对钢渣利用提出了要求。

（3）标准、技术相对成熟，但尚未大规模应用。在标准化方面，我国冶金固废领域已经建立了相对完善的标准体系架构，尤其在钢渣综合利用产品方面，除了在道路领域有钢渣标准研究，在其他领域也制定了相应的应用标准，如水泥混凝土、工程回填等领域。我国在转炉钢渣综合利用标准化方面已经走在了世界前列，基本能够满足当前的生产需要。但电炉钢渣利用标准仍有欠缺。目前，我国已开发了有关钢渣综合利用的近40种方法，获得了很多成果，许多技术也趋于成熟。例如，钢渣用于道路和水利工程，用于制备水泥和混凝土等，但仍没有大规模资源化利用钢渣的实例。钢渣还是以废钢回收、磁选铁精粉用作熔剂等钢厂内部循环利用为主，即使用于水泥生产，掺加比例也只有5%-7%。

图2 钢渣的产生、处理及综合利用途径

当前，我国钢渣深度综合利用面临以下困难：一是磨细能耗大。钢渣虽具有与硅酸盐水泥熟料类似的化学组成，但受其形成过程的影响，钢渣的化学成分、矿物组成波动大，尤其是其中大量的铁和含铁元素的化合物，磨细能耗大、活性低。二是体积不稳定。钢渣中f-CaO和f-MgO含量高，在常温下易与水（或水蒸气）发生缓慢反应，导致体积分别膨胀97.8%、148%，陈化时间不足，用于建材行业容易造成构筑物开裂，甚至整体建筑的损坏，制约了大规模的工程应用。三是杂质含量高，影响直接回用。钢渣中较高的硫、磷含量，影响了大宗冶炼回用。四是高温熔渣直接利用技术较少。熔渣热焓高、显热资源丰富。缺乏成熟的显热回收技术和设备，导致处理工艺后移，增加了冷态钢渣的处理成本和难度，其中安定性问题也是影响钢渣综合利用的关键。整体而言，目前我国钢渣实际的综合利用仅仅处于起步阶段，与发达国家的利用水平差距不小。

2. 炼钢含铁尘泥综合利用情况

含铁尘泥是指钢铁生产过程中使用烟尘处理系统对炼钢过程产生的高温烟尘进行处理时产生的废弃物。转炉炼钢系统产生的尘泥含铁量较高（60%左右），而电炉炼钢系统的尘泥含铁量比较低（30%左右）。据统计，约2%的原材料在炼钢的过程中会转化为炼钢尘泥。在炼钢的过程中每生产1吨钢大约产生20-25吨的尘泥，其中含有丰富的矿物，包括Fe、C等，FeO的占比在80%以上，其余由氧化镁等金属的氧化物组成。

目前，我国炼钢尘泥的综合利用方式主要是企业内部利用。一是与其他干粉及烧结返矿等按比例配料、混合，作为烧结原料继续使用；二是由于富含Fe，可经金属化球团后，返回到回转窑还原焙烧；三是由于富含Ca，可代替生石灰，作为炼钢造渣剂使用（但在投放比例一般不超过3%-5%，否则会对烧结矿质量以及烧结除尘产生不利影响）。另外，炼钢尘泥也可以通过磁选富集、除杂改性等手段得到多种粉末冶金制品。还可以作为原料生产氧化铁红、还原铁粉、氯化铁、聚合硫酸铁等高附加值产品。

电炉粉尘与转炉粉尘相比铁含量较低，但含有大量的金属元素，如Zn、Pb、Al、Cr、Cd等，其中Zn含量最多，可达10%-20%。根据《国家危险废物名录》，电炉粉尘属于含铅危险废物，需要进行无害化处置才可以开展资源化利用。电炉粉尘简单地堆存会污染环境，也难以实现有价元素综合回收利用（见表1）。

（三）炼钢固废综合利用存在的主要问题

我国炼钢固废综合利用缺少龙头企业，产业化水平较低，未形成有效的价值链，主要存在以下问题：

1. 重视程度不够

目前，大部分企业尚未形成循环经济的发展理念，绿色发展尚未成为其本质要求，因而对于固废的重视程度不够，普遍存在固废回收利用管理分散、归 属不清，固废产生量计量、流向以及回收利用过程管理不完善等问题。可以学习韩国、日本的固废精细化管理经验。

表1 电炉含锌粉尘主要处理技术

2. 法律体系不完善

近几年我国相继出台了一系列循环经济法律、法规，加强了对资源综合利用的法律约束。但此体系尚不完善，还需继续完善。

3. 技术研发和创新水平不足

目前，大多数企业对炼钢固废技术创新投入较少，相关技术研究不够深入系统，存在固废资源利用技术单一，产品附加值低，没有形成固废利用技术低成本高效率的循环。如目前钢渣主要用于制作建材产品、工程回填和铺路等建筑领域，没有其他的高附加值利用技术，在下游建材市场有限和原料来源充足的情况下，我国西部地区的钢渣基本处于堆存状态，无法进行资源化利用。

4. 上下游未形成有效协同

钢铁工业固废利用具有涉及面广、行业交叉特性明显等特点，与下游建材、有色、化工、农业等领域有明显交叉。但上下游衔接不畅，不同行业间技术和资质壁垒影响下，会造成上游固废利用与下游技术、产品和装备标准重复、交叉甚至矛盾的情况，造成上游固废利用产品不被下游认可的问题。

三、炼钢固废综合利用发展趋势

（一）我国钢铁工业发展趋势

我国钢铁工业未来发展将呈现质量提升、技术升级、绿色发展、布局优化、产业延伸、流程演变、兼并重组等特点。从炼钢工序的角度，主要呈现以下的趋势：

1. 粗钢产量减量发展

党的十九大指出：中国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段。我国钢铁工业也将由量变转变为质变，高质量发展将成为发展的主线，粗钢产量将进入到弧顶下降通道。预计到2025年，我国粗钢产量将下降到8.3亿吨左右。

2. 电炉钢比例持续提高

随着我国废钢积蓄量的不断攀升以及“地条钢”的彻底出清，可用于钢铁行业的废钢产出量将大幅上升，废钢应用成本将逐步下降。电炉短流程炼钢相对于长流程在环保、能耗、碳排放、建设成本等方面具有明显优势。同时，工信部、国家发改委也将联合印发引导电弧炉短流程炼钢发展的指导意见，促进电炉钢发展。初步估计，我国电炉钢发展最早在2025年左右起步，比例达到20%左右，2030年左右将进入快速发展阶段。

3. 绿色发展水平快速提升

随着我国生态文明建设的不断深化，钢铁工业环保、能耗相关的法规标准将更严格，绿色发展理念将逐步上升为钢铁企业发展的本质要求，低消耗、低污染、低排放的绿色制造将取得突破进展，钢铁行业节能、环保水平将向世界前列迈进。

（二）国外主要炼钢固废利用情况

相对来说，国外工业发展周期相对较长，循环经济相关的法律法规较为完善，对产生的废弃物的处理有严格的规定，同时先进的科学技术也对钢渣的利用起到了至关重要的作用，钢渣的综合利用率显著高于我国。目前美国钢渣利用率超过98%，在钢渣处理领域处于领先地位，其中高炉和烧结工序的有效利用率达到或超过了56%，约38%的钢渣用于铺路；日本主要在道路修建时将钢渣作为路基材料使用，并开发了相应的技术，后来确认钢渣经过处理后还可用于制作水泥和肥料，到1996年的年底，日本的钢渣利用率已经达到了95%；德国在钢渣利用方面的技术较为先进，先后作为路基材料、加固堤坝等材料应用，使用比例达95%以上。

（三）我国炼钢固废利用发展趋势

1. 炼钢固废综合利用率逐步提高

近年来我国炼钢固废的利用率一直较低，随着钢铁工业高质量发展的持续推进，综合利用水平逐步提高是必然趋势。一是我国钢铁工业进入减量化发展阶段，炼钢固废总的产生量也会相应地减少；二是绿色发展理念逐步深入人心，循环经济将成为企业发展的方向；三是我国资源综合利用的相关法律法规逐渐完善，固废产生及违规处理成本将大幅提高。

2. 区域间差异化发展

由于我国幅员辽阔，地区之间资源要素丰富程度、经济发展水平具有较大差距，因而固废综合利用的方向也将有所不同。其中，中西部地区目前尚有大量未经处理的炼钢固废堆积，故如何通过加强管理消化存量、挖掘市场是主要发展方向；东部沿海发达地区，炼钢固废综合利用具有一定的基础，堆存量较少，故如何提高综合利用产品附加值是主要方向。

3. 突破综合利用技术，提高综合利用产品附加值

目前，炼钢固废尤其是钢渣未能得到有效利用，根本的原因是处理成本高，产品附加值低，未能形成良好的产业价值链。而先进的技术是提高综合利用产品附加值的关键。

一是熔融渣直接利用技术。利用熔渣的高温特性，在线进行“调质处理”，直接生产产品，将熔渣余热回收和高附加值利用有机结合起来；采用合适的处理工艺对热态熔渣调质预处理，除去硫、磷杂质之后，再重返冶炼，实现钢渣梯级利用。熔融渣的直接利用是未来钢渣利用的发展趋势。

二是钢渣稳定性工艺。深入研发推广热闷技术，尤其是有压热闷新技术，实现钢渣中金属铁和尾渣的有效分离，进一步提高钢渣的稳定性。

三是钢渣的显热回收技术。钢渣含有大量显热资源，以回收热量前后熔渣的温度分别以1400℃和400℃计算，每吨钢渣可回收1.2GJ的显热，相当41kg标煤热量。

四是固态钢渣高效粉磨技术。针对不同硬度、易磨性和细度，高效节能的粉磨设备可以提高物料比表面积，促使其晶体结构及表面物化性质发生变化，使钢渣活性能得以充分发挥。未来钢渣尾渣大颗粒制备建筑骨料、小颗粒制备钢渣微粉将是钢渣大规模资源化利用的主流方向。

五是含铁尘泥回收利用技术。目前，炼钢尘泥主要的利用方式以烧结回用为主，但存在有害杂质富集、混配和贮运困难、能耗大及影响烧结矿质量等问题。开发炼钢尘泥将是金属回收和高附加值的利用技术的发展趋势。

4. 电炉钢渣及含锌粉尘将成为发展重点

未来随着我国电炉钢占比的上升，电炉钢渣及粉尘产量将大幅提高，成为主要的炼钢固废。目前，我国钢渣利用的标准及技术主要是针对转炉钢渣，未来在电炉钢产量增加，电炉钢渣综合利用的技术、标准、体系也将逐步完善，电炉粉尘的含锌回收利用也将显著提高。火法工艺处置高含锌粉尘，可降低单位锌产品产出的综合能耗和成本，或成为含锌电炉粉尘处置的重要方向。

5. 内部循环向外部大循环转变

目前，炼钢工序的大部分固废在企业内部进行循环，但是由于部分企业回用水平不高，造成了大量固废堆积或影响工序顺行。未来固废在内循环的基础上，将通过与其他行业建立产业链进行处理，发挥产业协同发展的效应，进一步建立以固废资源综合利用为核心的新兴产业，形成行业与社会的大循环。

6.炼钢固废实现精细化管理

炼钢固废产出节点多，成分性质复杂。如钢渣分为转炉钢渣、精炼渣、铸余渣、预处理渣，含铁尘泥分为转炉污泥、二次尘、精炼粉尘、卸料除尘灰等。目前，炼钢固废基本是混合堆放，直接变成了难以分选和利用的废物。为实现炼钢固废的高效利用，有必要将固废按照化学成分、物理性质和利用方向进行精细化分类管理，避免在回收环节降低其利用价值。

固废的资源综合利用是钢铁行业实现绿色发展的必然要求。建议钢铁企业应尽快提高对固废治理及综合利用的重视程度，主动出击，尽早开展循环经济诊断及规划，提前布局，逐步提高企业固废治理和综合利用水平。