钢渣内部综合利用实现碳减排效果的生命周期评价分析

2023-01-02陈士强刘黎慧

中国设备工程 2022年8期

陈士强，刘黎慧

（中电建水环境科技有限公司，广东深圳 518000）

近几年，钢铁工业废料的钢渣产量稳步增长，但钢渣的利用率较低，且大部分钢渣仍储存在露天环境中，浪费了大量土地资源，钢渣的化学物质也会对环境造成不同程度的污染和危害。钢渣得不到综合使用会导致浪费，所以更好地利用资源，能够降低运营成本，也能有效解决这种钢渣对环境造成的污染问题，这对冶金行业优质化的发展具有重要意义。

1 钢渣及主要钢企内部资源化利用方式

我国对钢渣综合使用的研究起步较晚，近年来，随着国家对环境保护和固体废物再利用的重视，钢铁在道路建设、建筑材料和混凝土中得到了广泛的应用，但总体使用率仅为22%左右。现如今，在发达国家，钢渣主要用于道路建设、农业、工业、建筑材料和土木工程。我国正在通过各种方式重复使用钢渣，然后通过化学、物理和热活化来刺激钢渣的活性。这能够通过提取有价值的成分、熔化溶剂、制造填充材料、建筑材料和农业应用来实现综合利用，如可用于开发生产公路材料、沥青涂料、水泥、透水砖等原材料。

1.1 钢渣被用作矿山充填料

当前阶段，矿山充填料主要用矿山水泥，其中对水泥的高需求和其高填充成本是一个紧迫的问题。所以，寻找新的水泥替代品是矿山充填领域的一个重要研究方向。有关研究表明，钢渣研磨后可用作矿山充填料，但由于活性层低，所以难以处理，即使是经过粉碎机处理也不能直接成为制备矿场可充填料生产的原料，所以寻找合适的激发剂对钢渣在矿山领域的应用具有十分重要的意义。唐山石人沟以骨料、唐钢转炉钢渣、粉煤灰、渣粉和脱硫石膏复合刺激剂为全尾砂胶填料，研究结果显示，无塑料制钢渣防护滔材的质量分数为73%时，配合胶体流动性能、流动型胶结填充料流动性的要求，可作为有效的矿山填充料。以渣和矿渣混合物为活性材料，采用水泥熟材、二水脱硫石膏和硝混合物为复合激发剂，以灰砂比1:6的全尾砂为骨料，采用正交设计，养护温度为20℃，在湿度为96%的恒温恒湿条件下，对9组填充材料试验块进行养护。使用万能压力机对28d养护后填充材料试验块的耐压强度进行测试，发现钢渣微粉、矿渣微粉、水泥熟料、脱硫石膏、硝的质量比为20:62:12:1时，所制备的全尾砂凝固材料28d的耐压强度达到2.78Mpa，满足实际工业生产强度要求（28d耐压强度>2.5MPa）。

1.2 路基混凝土

钢渣具有耐磨、防滑和高碱度等特性。利用钢渣配制沥青混凝土，能够提高沥青混凝土的耐磨性、耐钢渣性和水损害性。但钢渣沥青混凝土的发展仍面临诸多问题，多孔结构导致沥青用量高、热耗高、制备成本增加。钢渣体积稳定性差，不会使沥青混凝土可持续性能有任何改善。研究表明，时效处理是提高钢渣体积稳定性的有效方法。通过对大粒径集料和沥青用量的检测，能够改善钢包层沥青混凝土的路用性能。高压辊磨机分选的钢漆集料的物理力学性能符合GB/T 24766-2009的要求，是一种优良的道路集料。再者，制备的钢漆混凝土是一种很好的皮革用钢漆材料。钢渣的物理和机械性能取决于处理工艺，通常缓慢冷处理的钢渣比率高、硬度高、耐磨、取水量低，道路施工更好，在矿渣储存1年以上后，因为部分拆除，混合钢渣的级配与沥青混凝土骨料级配相近。直接使用此种混合钢渣作为沥青混凝土骨料，配料简单易操作。钢渣被用作道路基础，这不仅能够充分利用钢渣，而且能够节省大量土地。钢渣是在高温下钙化并含有硅酸盐、铝酸铁相的物质，它的化学成分与水泥熟料相似，我国钢渣水泥研究具有国际领先水平，现如今矿渣水泥的生产品种主要是矿渣水泥。矿渣水泥具有后期强度高、水化热低、耐磨性好等优点。

1.3 烧结材料

与水泥基不同，陶瓷制备过程中高温烧结使有害离子转化为原材料成为陶瓷产品的有益组成部分，而陶瓷建筑在我国是一个巨大的消费品，是一种新的批量高价值使用方式。在空气中燃烧的情况下，钢渣原材料中的Fe 2+氧化形成赤铁矿相。钢渣也可用于烘烤多孔陶瓷或泡沫玻璃吸声材料，这种多孔吸声材料具有良好的吸声性能，采用球团堆积，结合添加成孔剂制备钢渣孔隙声学材料，孔隙率可达到60%以上。

1.4 农业应用

钢渣用于农业生产的时间比较晚，但近年来，我国研究人员对钢渣在农业中的应用研究取得了快速进展，主要针对土壤改良、硅烷肥力和作物改良。使用钢渣可提高土壤pH值和有效硅含量，促进水稻对二氧化硅的吸收，并促进水稻生长。然而，钢层中的钙和镁含量以及过多的pH值可能会限制土壤养分的有效性和水稻对养分的吸收，这可能会对水稻生长产生不利影响。研究表明，钢渣和可变形球囊霉复合物处理可提高土壤pH值质量分数、球囊霉素的土壤总提取物和土壤质量分数dpa cd/Pb，从而促进玉米生长，并在玉米田上部和根部积累cd/Pb。此外，与传统施肥相比，添加钢渣对增加大豆产量也有积极影响。钢渣含有大量的氧化钙、氧化镁，可用于改善酸性土壤。其他微量元素也对植物有增产作用，特别是P^0s含量超过5%的可作为磷肥使用。虽然代表作物种类的实验研究不够广泛，特别是大量使用了钢渣肥料后，用影响土壤结构的钢渣转移到微量元素果实，既没有肥料后效性，也没有土壤适应性，可积累长期实验观察经验。

2 钢渣回收前处理技术

钢渣作为金属工业中不可避免的散装固体废物，综合利用价值非常高，这与生态效益和商业效益有关。现如今，关于使用钢渣的研究已经取得了一些成果，并逐步发展了一些重要技术，例如，道路建设和混凝土制备。所以，应在现有钢渣使用技术的基础上，审查钢渣的替代用途，以提高使用效率，并使钢渣成为我国宝贵的再利用资源。

2.1 热泼工艺

高温红色液态钢渣运至钢渣厂后应均匀倒入钢渣仓。在对多余的水进行密集、连续的注水和过滤后，钢渣的平均温度降至约75℃。这样钢涂层被运输到钢渣厂进行回收和处理。热塑性工艺简单，更易加工和安全使用；然而，由于废水在很大程度上是有限的，并且不可能从冷却系统中回收这些部分，因此在运用此工艺的最初几年，水的消耗量很高，冷却废水的用量也很高。

2.2 水淬工艺

水淬工艺法是将高温赤热钢清漆放入水中急速冷却，在限制结晶的状态下进行粒化。现在一般使用的水淬工艺方法有2种，分别是渣池水淬和炉前水淬火。渣池的水淬火慢慢地将溶解的水倒入池中，溶解的水急速冷却，变成粒状的水渣。水渣用起重机抓住，放在炉渣场，脱水后放入车内。炉前水淬火时，高温赤热液体渣从炉渣底部开口处自由落下，跌落过程遇到高压水柱，热熔融渣被压力水分割，破碎的同时突然退化破裂，颗粒化过程完成。水淬火被运送到淀池，通过管道取出，脱水后被运送到外面。

2.3 风淬工艺

高温炽热的液态钢渣由中间罐底部的小孔喷出，与专门设计的喷雾器中的空气相遇，被破碎成平均粒径仅为2mm的球形颗粒。净化后，锅炉盖中可用的热空气和微粒、热量回收和微粒收集。风淬工艺的优点是工艺简单、安全可靠、投资和运行成本低、处理能力高、颗粒化彻底、无二次污染。通过风淬工艺获得的渣粒能够被带入磁选过程而不会再次破碎，但是风淬工艺对钢渣的液体要求很高，所以硬化方法只能冷却和破碎部分钢渣。

3 基于LCIA的温室气体减排效果分析

生命周期研究已证明是评估产品或服务以及资源使用的潜在环境影响的有效方法，并已证明是环境分析的重要工具。它还包括评估工业产品co2排放量的重要工具，这些工具在其生命周期内根据co2排放量研究和不同工业部门以及其生命周期不同阶段（生产、废物回收等）的co2排放量进行评估。

结果表明，合理规划转炉炉壳内部综合利用，在现有基础上最多可解决粗钢产品温室气体排放量的14.2%。对减少这些钢渣排放机制的深入研究表明，可转换铅的综合使用，这意味着钢铁生产中资源和能源的消耗显著减少；内部再利用和回收非常粘稠的钢和金属也是减少碳排放的方法之一。研究结果还表明，生命周期评估是评估工业产品碳排放的重要方法，有助于决策者找到最合理的低碳解决方案。