鐵鋼渣處理技術(shù)的發(fā)展與鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排
本文概述了冶金渣的產(chǎn)生、分類及其對鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的影響，分析了影響渣處理工藝的關(guān)鍵因素，簡要介紹高爐渣處理技術(shù)及應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)爐渣處理技術(shù)的幾種典型工藝及其特點(diǎn)，針對轉(zhuǎn)爐熔渣的性質(zhì)和傳統(tǒng)工藝所面臨的技術(shù)困境，闡述了寶鋼BSSF技術(shù)的工藝原理、特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢，最后就冶金渣處理技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了思考與展望。
1 前言
鋼鐵生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的冶金爐渣。這些爐渣處理的好壞不但直接影響鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排，也與我們的生活環(huán)境和社會的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。在鐵礦石資源日益匱乏、能源成本高漲、環(huán)保壓力劇增的今天，如何高效環(huán)保地處理、利用冶金渣是一個世界性難題，也是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，踐行環(huán)境經(jīng)營亟待解決的一個重要環(huán)節(jié)。
2 冶金渣的產(chǎn)生、分類及渣處理的影響因素
冶金渣是指煉鐵和煉鋼過程中產(chǎn)生并排出的以Ca、Si、Al、Fe、Mg、Mn、Ti等氧化物為主結(jié)合成的結(jié)晶或非結(jié)晶形態(tài)的化合物組成的。
按照來源分，冶金渣主要有兩大類：高爐渣和鋼渣。其中高爐渣是高爐冶煉鐵水過程中所排出的由礦石中的脈石、焦炭中的灰分及助熔劑等形成的以硅酸鈣與硅鋁酸鈣為主要成分的渣，也是企業(yè)最多的冶金渣資源，約占工業(yè)固體廢棄物總量的41%；鋼渣是在轉(zhuǎn)爐、電爐或精煉爐熔煉過程中所排出的由爐料中的雜質(zhì)、造渣材料等熔化形成的以CaO、SiO2、Fe2O3、MgO等氧化物為主，有時還含有少量氟化物、硫化物及碳化物的渣，產(chǎn)生量約占工業(yè)固體廢棄物總量的24%。
冶金渣不僅富含Ca、Si、Fe、Mg、Al、P等有價元素，而且蘊(yùn)含大量的熱能，1噸1400～1500℃的高溫爐渣所蘊(yùn)含的熱能相當(dāng)于60kg標(biāo)煤，是一種寶貴的次生資源。積極開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)有效的處理技術(shù)和資源化利用新技術(shù)，提高冶金渣利用率，最終實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)固體廢棄物的“零”排放，是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。
簡言之，渣處理就是要實(shí)現(xiàn)環(huán)保清潔化，并回收利用渣中的資源？煞譃闊釕B(tài)處理和冷態(tài)加工兩個環(huán)節(jié)，前者是指將熔融鋼鐵渣處理成常溫固體渣的過程；后者是指將固體渣加工成各種不同粒度和金屬含量的渣鋼和尾渣產(chǎn)品的過程。經(jīng)上述工藝處理后的渣稱為鋼鐵渣產(chǎn)品，可返回冶煉工藝、作為建材在建筑工程中使用。
影響渣處理的關(guān)鍵因素是冶金渣的溫度和組分，這兩項(xiàng)因素對冶金渣的流動性影響很大，直接決定了冶金渣的熱態(tài)處理工藝。不同的熱態(tài)處理工藝又直接影響渣產(chǎn)品的性能，進(jìn)而又決定了其利用價值的高低。因此，熱態(tài)渣處理技術(shù)不僅事關(guān)鋼鐵廠的環(huán)保，更對冶金渣的資源化利用影響很大。
3 高爐渣的處理技術(shù)及應(yīng)用
高爐渣的處理工藝主要包括干法和濕法兩類。干法用的很少，生產(chǎn)中一般采用的是濕法，即水淬粒化工藝，處理的高爐渣量約占總渣量的97%。濕法比較成熟的主要是INBA法、圖拉法。
（1）INBA法的處理工藝為盧森堡PW公司與比利時西德瑪（SIDMAR）公司共同開發(fā)的爐渣處理工藝（亦稱回轉(zhuǎn)筒過濾法），是用高壓水快速將熔渣水淬、渣水混合物經(jīng)轉(zhuǎn)鼓脫水、皮帶運(yùn)出的處理方法。
（2）圖拉法爐渣處理工藝因首次應(yīng)用在俄羅斯圖拉廠2000m3高爐上，故稱其為圖拉法。特點(diǎn)是采用；啠撍疂L筒。圖拉法渣處理工藝主要分為爐渣；、冷卻，水渣脫水，水渣輸送與外運(yùn)，沖渣水循環(huán)等。
高爐渣處理是煉鐵生產(chǎn)的重要一環(huán)，選用時應(yīng)從技術(shù)先進(jìn)性、投資大小、系統(tǒng)安全性、環(huán)保、成品渣質(zhì)量、系統(tǒng)作業(yè)率、設(shè)備檢修維護(hù)、占地面積等諸方面情況綜合考慮。就目前來看，圖拉法安全性能最高，INBA法在技術(shù)上最為成熟。所以，實(shí)際應(yīng)用這兩種工藝的高爐也比較多。
高爐渣資源化利用主要應(yīng)用于建材、環(huán)保和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。由于高爐渣的性能和水泥很接近，高爐渣微粉化一直是高爐渣高附加值利用的重要途徑。目前，我國高爐渣的資源化利用率已達(dá)95%以上，但爐渣的余熱資源一直沒有得到很好的利用。因此，如何把高爐渣的處理與余熱利用有機(jī)結(jié)合起來將是高爐渣處理技術(shù)的發(fā)展方向。
4 鋼渣的處理技術(shù)及應(yīng)用
鋼渣是轉(zhuǎn)爐、電爐在煉鋼過程中產(chǎn)生的高溫熔渣，其最大特點(diǎn)就是成分比較復(fù)雜，流動性千差萬別，性能不穩(wěn)定，處理過程易爆炸，處理技術(shù)發(fā)展緩慢。作為一種高溫冶金排放物及次生資源，不同的處理工藝對鋼渣性能影響巨大，鋼渣處理技術(shù)是鋼渣資源化利用的關(guān)鍵和核心。
下面是國內(nèi)外幾個比較典型的煉鋼熔渣處理工藝流程。
（1）熱潑法工藝流程
渣場潑渣→噴水冷卻→裝載外運(yùn)→鋼渣堆放陳化一年以上方可進(jìn)行后續(xù)處理，其原理是水冷固化。熱潑法工藝是國內(nèi)外渣處理主流工藝之一。包括歐美國家在內(nèi)的國內(nèi)外大多數(shù)鋼廠目前還在采用該工藝，它的優(yōu)點(diǎn)是渣罐排渣快；缺點(diǎn)是流程長、污染大、易形成渣山。
（2）淺盤法工藝流程
淺盤潑渣→噴水冷卻→渣池泡渣→裝載外運(yùn)→堆放陳化一年方可后續(xù)處理。包括新日鐵在內(nèi)的日本大多數(shù)鋼廠采用該工藝，寶鋼建廠初期也引進(jìn)了該工藝，它的優(yōu)點(diǎn)是渣罐排渣快；缺點(diǎn)是流程長、投資大、運(yùn)行成本高。
（3）悶罐法工藝流程
自然冷卻→悶罐進(jìn)渣→加蓋噴水熱悶→裝載機(jī)出渣→后續(xù)處理。該工藝優(yōu)點(diǎn)是利用鋼渣余熱使鋼渣粉化，部分渣鋼分離；缺點(diǎn)是鋼渣需罐外冷卻到800℃以下，處理過程需多次裝載，污染大，悶渣時間長達(dá)16～24h，投資大，占地大。
由于轉(zhuǎn)爐鋼渣1400℃的高溫和粘度波動大，傳統(tǒng)的渣處理工藝均采用開放式操作，粉塵污染嚴(yán)重，渣冷卻時間長。為了配合快節(jié)奏的煉鋼生產(chǎn)，傳統(tǒng)處理工藝都采用多坑（盤/罐）串聯(lián)布置、間歇受渣的處理方式。其原理是先自然冷卻，然后灑水緩慢靜態(tài)滲透，使其自然裂解，最后長期堆放后再破碎磁選，金屬回收率低、渣鋼品位不高，尾渣不能較好地綜合利用。這些渣處理工藝嚴(yán)重滯后于煉鋼工藝的發(fā)展，安全性差、污染大、流程長、資源化程度低，嚴(yán)重困擾著鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)和生存。
為走出傳統(tǒng)渣處理工藝的技術(shù)困境，寶鋼于1995年啟動了新型渣處理技術(shù)的研發(fā)，經(jīng)過12年持之以恒的努力，一項(xiàng)集安全、環(huán)保、資源化于一體的煉鋼熔渣快速粒化新技術(shù)——寶鋼BSSF渣處理技術(shù)，終于研制成功。該技術(shù)的工作原理是熔渣在一個密閉容器中通過多介質(zhì)分區(qū)分級急冷、固化、碎化三個工藝過程，實(shí)現(xiàn)破碎和渣鋼分離同步完成，如圖1所示。
在這個工藝過程中，由于熔渣與鋼水冷卻的收縮率不同，因而互不包容；同時熔渣的處理是在滾動的介質(zhì)中進(jìn)行的，熔渣無法包裹水形成密閉空間，所以不會發(fā)生爆炸，安全性好；在處理過程中，滾動的工藝介質(zhì)將熔渣充分地顆；、同時冷卻水又將游離氧化鈣消解，因此渣的穩(wěn)定性好。
BSSF工藝系統(tǒng)組成如圖2。
和傳統(tǒng)工藝相比，BSSF工藝具備如下特點(diǎn)：
（1）清潔環(huán)保
實(shí)現(xiàn)了渣處理的清潔化生產(chǎn)，廢水“零”排放；尾氣集中排放，經(jīng)過簡單的噴霧除塵后，含塵量可控制在50mg/m3（標(biāo).干）以下，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)保優(yōu)勢令人矚目。
（2）渣鋼分離良好
經(jīng)過BSSF工藝處理后的鋼渣呈顆粒狀，細(xì)小且均勻，大都處于0.3~10mm范圍內(nèi)。由于渣粒細(xì)小，渣和鋼剝離良好，粒子鋼適合在線磁選，節(jié)省了后續(xù)工藝上千萬的投資，而且渣鋼的品位和回收率都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝。
（3）成品渣穩(wěn)定性較好
由于BSSF是急冷破碎工藝，鋼渣中原有的不穩(wěn)定成分――游離氧化鈣，大都得到有效消解，形成穩(wěn)定的氫氧化鈣相，為鋼渣的高附加值和直接深度資源化利用開辟了廣闊前景。
寶鋼鋼渣經(jīng)BSSF處理后，100%直接循環(huán)利用，可廣泛應(yīng)用于冶金及建材領(lǐng)域，如返回高爐或轉(zhuǎn)爐、水泥原料、微粉、商品砂漿、耐磨地坪、透水路磚等。
由于BSSF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了渣處理生產(chǎn)的安全化、連續(xù)高效化、環(huán)保資源化，構(gòu)成了21世紀(jì)可循環(huán)鋼鐵生產(chǎn)流程的新一代爐渣處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了渣處理和煉鋼節(jié)奏的協(xié)調(diào)和匹配，得到了國內(nèi)外同行和社會的廣泛認(rèn)同和贊譽(yù)。已在寶鋼集團(tuán)以及馬鋼、印度JSW等國內(nèi)外大中型鋼廠推廣應(yīng)用，對國際鋼鐵業(yè)巨頭韓國浦項(xiàng)的技術(shù)輸出也在進(jìn)行中。此外，該技術(shù)還獲得2007年度國家技術(shù)發(fā)明獎。
5關(guān)于渣處理技術(shù)發(fā)展方向的思考與展望
寶鋼渣處理技術(shù)成功的關(guān)鍵在于有一個鋼渣源頭治理的理念，圍繞這一理念，在BSSF技術(shù)的基礎(chǔ)上，寶鋼提出了“冶金渣熱態(tài)處理技術(shù)及綜合利用技術(shù)”的學(xué)科建設(shè)及發(fā)展目標(biāo)，集冶金、環(huán)保、余熱利用、材料加工與利用等學(xué)科于一體，以冶金渣的熱態(tài)處理及利用為核心，涵蓋以下幾方面內(nèi)容：
（1）BSSF處理技術(shù)的深度擴(kuò)展
從鋼渣開始對BSSF技術(shù)橫向擴(kuò)展，在鋼渣處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)鋼包渣、精煉渣等全冶金渣系的處理技術(shù)，做到BSSF技術(shù)的全覆蓋。
（2）冶金渣的余熱回收及利用技術(shù)
重點(diǎn)開發(fā)高爐渣的余熱回收技術(shù)。
（3）高溫冶金渣直接產(chǎn)品化技術(shù)
利用熔渣的高溫特性，對冶金渣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，直接生產(chǎn)產(chǎn)品。例如利用熱態(tài)高爐渣直接生產(chǎn)礦棉或微晶玻璃，將冶金渣的余熱利用和高附加值資源化有機(jī)結(jié)合起來，真正將冶金渣開發(fā)成鋼鐵廠的二次資源和新的利潤增長點(diǎn)，不但對企業(yè)，也對整個社會的節(jié)能環(huán)保意義重大。
（4）基于冶金渣熱態(tài)處理的以廢治廢技術(shù)
熱態(tài)鋼渣的處理過程要消耗大量的冷卻水，對水質(zhì)的要求不高，而且是循環(huán)使用。根據(jù)這一特點(diǎn)，如果能將鋼鐵廠倍感頭疼的有機(jī)廢水，如焦化廢水用于熱態(tài)冶金渣的處理，無疑是一件很有意義的事情；同時，渣處理過程產(chǎn)生的大量堿性廢水又是脫硫工藝所需要的。如何把兩個工藝有機(jī)結(jié)合起來，對鋼鐵廠的廢水廢氣治理是一條新路。
渣處理技術(shù)決不僅僅是BSSF技術(shù)，是集環(huán)保、節(jié)能、資源化于一體的技術(shù)，圍繞冶金渣的熱態(tài)處理和利用，其內(nèi)涵和外延都是巨大的 ——領(lǐng)域化、系統(tǒng)化、持續(xù)的創(chuàng)新和開拓，無疑是寶鋼實(shí)現(xiàn)技術(shù)精品戰(zhàn)略的必由之路！作為綠色鋼鐵的主要一環(huán)，冶金渣處理技術(shù)在自身不斷超越發(fā)展的同時，還需要不斷邁向鋼鐵廠所有含鐵固廢的熱態(tài)處理，把鋼鐵廠的固廢逐漸剝離為游離金屬以及各種爐渣，真正把固廢資源化，無疑是一個值得探索的方向和思路！
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