王高峰  王義忠  於 珩  吳 飆  李曉莉

（包鋼冶金渣公司（綠化公司））

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了鋼渣的基礎(chǔ)性能，簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)鋼渣處理工藝及包鋼現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了包鋼鋼渣用于煙氣脫硫的實(shí)踐研究，通過(guò)在多家企業(yè)開展鋼渣脫硫試驗(yàn)，結(jié)果表明，鋼渣脫硫效率高達(dá)98%以上，脫硫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行，完全可以替代石灰石進(jìn)行煙氣脫硫，并且有很好的脫硫優(yōu)勢(shì)。鋼渣法脫硫減少了石灰石的開采，減少了二氧化碳排放，具有很好的環(huán)境效益和社會(huì)效益，具有很好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：包鋼；鋼渣；煙氣脫硫；循環(huán)經(jīng)濟(jì)

1  前言

轉(zhuǎn)爐鋼渣是煉鋼過(guò)程中所排出的廢渣，其產(chǎn)生量通常為粗鋼產(chǎn)量的12%~18%，主要來(lái)自造渣材料（石灰石、白云石、螢石、鐵礦石、硅石）以及爐料的氧化物、侵蝕的爐襯和補(bǔ)爐材料、雜質(zhì)等。隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼渣產(chǎn)生量也在逐年增加。大量堆存的鋼渣既對(duì)環(huán)境造成危害又占用大量土地，因而加強(qiáng)鋼渣的資源化綜合利用關(guān)系到鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展本。綜合國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)，鋼渣綜合利用方向主要集中于冶金領(lǐng)域和建筑領(lǐng)域。鋼渣中含有較高含量的CaO，在冶金領(lǐng)域可以代替石灰石用作燒結(jié)配料，鋼渣中含有大量的鐵粒，含廢鋼量約為10~15%，通過(guò)破碎磁選可以回收廢鋼鐵，進(jìn)而進(jìn)行重新利用^[1]。除了含有金屬鐵外，鋼渣中還含有其他金屬，如Mn、Cr、V等。鋼渣具有密度大、強(qiáng)度高、磨損性小等優(yōu)良特性，可作為優(yōu)良的道路材料和工程回填材料，也可利用其含有較多的硅酸二鈣和硅酸三鈣等活性物質(zhì)，用于生產(chǎn)鋼渣水泥，鋼渣同時(shí)具有較高的潛在水硬膠凝性，可制備建筑用磚和砌塊。鋼渣在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也較為常見(jiàn)，用作肥料和進(jìn)行土壤改良。另外鋼渣表面具有良好的吸附性，可以用在廢水處理工程中。本文通過(guò)分析鋼渣的基礎(chǔ)性能，并通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐，拓展鋼渣在煙氣脫硫的研究及應(yīng)用。

2  鋼渣的基礎(chǔ)性能

鋼渣的化學(xué)成分主要有CaO、SiO₂、FeO、Fe₂O₃、MgO、MnO、P₂O₅和f-CaO、f-MgO。由于不同的鋼鐵生產(chǎn)工藝以及原料的不同，鋼渣的成分也存在著一定的波動(dòng)。鋼渣的主要礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣、游離石灰（f-CaO）、RO相（R代表鎂、鐵、錳的氧化物，即FeO、MgO、MnO形成的固溶體）等。在煉鋼過(guò)程中需要不斷的加入石灰，鋼渣的組成成分也隨石灰量的增多而發(fā)生變化。鋼渣在煉鋼初期的成分主要有鈣鎂橄欖石，因其堿度不斷提高，吸收CaO從而轉(zhuǎn)變成為鈣鎂薔薇輝石，期間還伴隨著RO相的放出，繼續(xù)增加石灰，則生成硅酸二鈣和硅酸三鈣^[2]。

3  國(guó)內(nèi)鋼渣處理工藝及包鋼現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐鋼渣處理的主流工藝有熱悶法、熱潑法、滾筒法、風(fēng)淬法、水淬法及盤潑法等，輥壓破碎有壓熱悶技術(shù)近年也在部分企業(yè)得到了應(yīng)用，該工藝處理效率高，處理過(guò)程潔凈化程度高，熱悶后的鋼渣粉化率高，是現(xiàn)今鋼渣處理比較先進(jìn)的工藝。各種方法的主要目的是將熔融態(tài)轉(zhuǎn)爐鋼渣冷卻、破碎，以待進(jìn)一步處理利用。冷卻后轉(zhuǎn)爐鋼渣的處理一般遵循破碎、磁選、篩分的工藝。

包鋼處理的鋼渣是煉鋼脫硫渣、轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣，現(xiàn)有鋼渣處理工藝主要為熱悶/熱潑破碎、磁選及篩分工藝，是目前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)使用較多的鋼渣處理工藝，包鋼現(xiàn)有鋼渣處理工藝及生產(chǎn)線見(jiàn)下圖。

包鋼現(xiàn)有鋼渣處理工藝及生產(chǎn)線

熱悶工藝流程為：滿渣罐-吊車-渣入池-打水處理-集中打水-悶渣處理-出渣-磁選線，熱悶配套的磁選工藝流程為：除鐵-破碎-棒磨-除鐵-磁選-篩分。熱潑工藝流程為將鋼渣傾翻噴水冷卻，使鋼渣大部分自解破碎，熱潑配套的磁選線包括除鐵、磁選、篩分工藝。經(jīng)熱悶/熱潑、破碎、磁選工藝加工后，主要產(chǎn)品為鋼坨、流鋼片、粒鋼、磁性物料及不同粒徑的尾渣等。

4  包鋼鋼渣進(jìn)行煙氣脫硫?qū)嵺`

由于鋼渣中的CaO和MgO含量較高，結(jié)合鋼渣主要礦相為硅酸二鈣、硅酸三鈣等，因此鋼渣是一種很有潛力的脫硫劑。

4.1  鋼渣脫硫劑的制取

鋼渣中金屬相、RO相（固溶物）物質(zhì)活性度很差，直接用于脫硫效率很低，必須經(jīng)過(guò)加工處理使鐵、鈣、鎂、錳等活性氧化物相對(duì)富集。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，鋼渣經(jīng)過(guò)熱悶（或熱潑）、破碎、篩分、磁選將大顆粒金屬及固溶物去除，取得粒度小于10mm的粒狀鋼渣，鈣、鎂、鐵等活性氧化物相對(duì)富集，再經(jīng)粉磨、分離、提純后形成超細(xì)粉作為復(fù)合礦物脫硫劑。包鋼采用干法生產(chǎn)脫硫劑，國(guó)內(nèi)鋼渣法煙氣脫硫工藝大多采用濕法制取，相比濕法，干法制取的脫硫劑活性更高，用量較少，推廣利用半徑更大。

4.2  鋼渣脫硫劑脫硫反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)鋼渣漿液脫硫后產(chǎn)物分析得到相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物，將鋼渣漿液脫硫反應(yīng)過(guò)程分為3個(gè)階段^[3]：

第一階段：鋼渣漿液中有游離的氧化鈣與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鈣，此時(shí)溶液的 pH值升高，而鋼渣礦物不會(huì)被水解。當(dāng)鋼渣漿液與模擬的燒結(jié)煙氣中SO₂接觸后發(fā)生反應(yīng)生成相應(yīng)的亞硫酸鹽，而燒結(jié)煙氣中含有氧在鋼渣漿液中起到氧化作用，生成相應(yīng)的硫酸鹽。隨著 SO₂的不斷通入，氫氧化鈣、氫氧化鎂等堿性物質(zhì)逐漸被消耗，溶液的pH值下降，鋼渣礦物開始分解。

第二階段：鋼渣漿液在偏酸性環(huán)境下，其主要礦物硅酸二鈣(2CaO?SiO₂)、硅酸三鈣(3Ca O?SiO₂)、鈣鎂橄欖石(CaO?MgO?SiO₂)等物質(zhì)開始水化分解，分解出的主要氧化物 CaO、Mg O 與 SO₂水溶液反應(yīng)生成相應(yīng)的硫酸鹽，與此同時(shí)亞硫酸鹽與溶解氧反應(yīng)生成相應(yīng)的硫酸鹽

第三階段：在酸性環(huán)境下，礦物分解出的氧化物與 SO₂水溶液反應(yīng)完成后，SO₂繼續(xù)通入反應(yīng)器中導(dǎo)致 pH值下降，這時(shí)FeO開始反應(yīng)直到鋼渣中的物質(zhì)被硫酸溶液吸收耗盡，反應(yīng)停止。

4.4  包鋼鋼渣脫硫劑應(yīng)用情況

鋼渣脫硫劑脫硫類似于石灰石-石膏法的干、濕法脫硫工藝，二者在流程設(shè)置上也比較相似，完全可以替代石灰石，但也有不同的地方，鋼渣中含有的部分金屬氧化物對(duì)其濕法脫硫的整個(gè)過(guò)程起到催化和促進(jìn)作用不容忽視。

鋼渣法與石灰石法、石灰法的比較見(jiàn)表1。

表1 鋼渣法與石灰石法、石灰法的比較

包鋼自2015年開始開展鋼渣法脫硫應(yīng)用試驗(yàn)，先后在冶金、化工、火電及普通燃煤火爐等行業(yè)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，脫硫系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，脫硫效果顯著，已與部分企業(yè)形成長(zhǎng)期合作。開展的工業(yè)試驗(yàn)及應(yīng)用情況見(jiàn)表2。

表2 包鋼復(fù)合礦物脫硫劑應(yīng)用情況

通過(guò)開展試驗(yàn)，鋼渣脫硫效率高于石灰石粉，對(duì)煙氣二氧化硫濃度變化的適應(yīng)性強(qiáng)于石灰石粉，同等條件下，鋼渣脫硫漿液消耗量低于石灰石粉，即使在配加高硫礦的情況下，煙氣出口SO₂濃度仍能保證達(dá)標(biāo)排放，脫硫效率保持在98%以上，并且脫硫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)設(shè)備無(wú)額外負(fù)擔(dān)，終端價(jià)格適中。鋼渣法脫硫具有良好的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，具有很好的推廣價(jià)值。

4.3  鋼渣脫硫劑脫硫的優(yōu)勢(shì)

煙氣脫硫技術(shù)主要用于火力發(fā)電廠和鋼鐵行業(yè)燒結(jié)、球團(tuán)廠的煙氣處理?，F(xiàn)在采用的煙氣脫硫技術(shù)種類很多，但其中以石灰石——石膏法脫硫占比例最高。日本、德國(guó)、美國(guó)的火力發(fā)電廠采用的煙氣脫硫裝置約80%以上采用此工藝。該工藝優(yōu)點(diǎn)是脫硫率高和脫硫劑利用率高，脫硫效率大于95%，運(yùn)行穩(wěn)定。缺點(diǎn)是石灰石－石膏濕法采用石灰石作吸收劑，而石灰石資源是一種不可再生的礦產(chǎn)資源，同時(shí)開采石灰石的礦山和地區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，并且恢復(fù)效果難以達(dá)到理想狀況；而且工藝流程較長(zhǎng)，占地面積大，投資較高，運(yùn)行費(fèi)用高；同時(shí)脫硫石膏的供求狀況地域性差異大，中西部天然石膏儲(chǔ)量豐富造成天然石膏大量拋棄而無(wú)處堆放；石灰石——石膏濕法脫硫副產(chǎn)物CO₂氣體是典型的溫室氣體，雖脫除了SO₂但造成了大量溫室氣體排放，采用鋼渣脫硫劑脫硫，減少了CO₂排放，今后還可參與碳排放交易。鋼渣脫硫劑脫硫效率高，脫硫效率可以達(dá)到98%以上，可將現(xiàn)有脫硫裝置入口二氧化硫濃度提高20-30%，這樣能拓寬原燃料采購(gòu)渠道，降低生產(chǎn)成本。利用鋼渣脫硫劑進(jìn)行煙氣脫硫同時(shí)可在鋼渣堆存、運(yùn)輸、管理、鹽堿地改良等方面產(chǎn)生潛在的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

5   結(jié)語(yǔ)

鋼渣屬于大宗冶金固廢，鋼渣綜合利用需兼具量大、高效、環(huán)保等多項(xiàng)因素，并且還需考慮地域因素。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐研究，利用鋼渣生產(chǎn)脫硫劑用于煙氣脫硫是目前包頭地區(qū)解決鋼渣綜合利用較可行的科學(xué)方案。通過(guò)開展試驗(yàn)，鋼渣脫硫效率高，完全可替代石灰石粉進(jìn)行煙氣脫硫，并且對(duì)煙氣二氧化硫濃度變化的適應(yīng)性強(qiáng)于石灰石粉，對(duì)設(shè)備無(wú)額外負(fù)擔(dān)，終端價(jià)格適中。國(guó)內(nèi)石灰石礦產(chǎn)資源緊缺，急需其他產(chǎn)品代替石灰石進(jìn)行煙氣脫硫。將鋼渣再加工用于煙氣脫硫，既有效減少了石灰石的開采，又合理的利用了資源，實(shí)現(xiàn)固廢循環(huán)利用。呼包鄂地區(qū)集中了大量工業(yè)企業(yè)，鋼鐵、鋁業(yè)、稀土、電力、煤化工等企業(yè)均需消耗大量的脫硫劑，用鋼渣生產(chǎn)脫硫劑在呼包鄂地區(qū)具有廣泛的市場(chǎng)前景，利用鋼渣生產(chǎn)的脫硫劑替代石灰石進(jìn)行煙氣脫硫，對(duì)于綜合利用固廢、減少固廢產(chǎn)生、大幅降低采購(gòu)成本、有效回收含鐵資源具有重要意義；同時(shí)脫硫副產(chǎn)物可進(jìn)行堿化土壤改良，真正做到“以廢治廢”，“既能還藍(lán)天，又能還綠地”，可為包鋼以及行業(yè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[3]  張順雨,貴永亮,袁宏濤,宋春燕,王亞文.鋼渣用于燒結(jié)煙氣脫硫反應(yīng)機(jī)理分析[J].鑄造技術(shù),2016,37(12):2650-2653.