蒼大強1， 張玲玲2， 劉洋2， 陳兆厚2， 何冰陽2
1. 北京科技大學冶金與生態學院，北京 100083
2. 北京科技大學能源與環境工程學院，北京 100083
摘 要：為了剖析當今鋼鐵工業固相二次資源的利用水平、存在問題，提出解決途徑，進一步提高工業綠色和低碳水平，本文先介紹了鋼鐵工業的氣相、固相和液相二次資源內容，又概述了國內外鋼鐵工業固相二次資源（以下稱：固廢）的研究和利用現狀，由于鋼鐵工業固廢利用的難點和堵點是鋼渣的利用，本文重點以鋼鐵工業鋼渣為例，介紹了其在國內外的利用概況、存在的共性問題，并提出了解決的途徑。由于鋼渣是在現有煉鋼的特有高溫物化環境中產生的，導致鋼渣成了一種過燒的硅酸鹽產物，其活性差、易磨性差、含鐵量高，還有一定量的游離氧化鈣（f-CaO），給鋼渣資源和熱量的回收和利用都帶來了非常大的難度，以至于全世界對鋼渣資源和余熱的利用，還沒有找到理想的方法。所以鋼渣成了世界鋼鐵工業固相二次資源處理的綠色和低碳利用的難點和堵點。本文在剖析了鋼鐵工業固廢利用技術目前存在的各類問題基礎上，根據當前國家政策法規的要求，針對上述存在問題提出了應對的對策途徑，以為鋼鐵工業固廢下一步高效、綠色和高值利用，提供了建議和研究課題。
關鍵詞：鋼鐵工業，固相二次資源，研究和利用，存在問題，對策
1 鋼鐵工業二次資源
鋼鐵工業的二次資源有三類：
（1）液相二次資源：如廢水、廢酸和各類濃縮液等；
（2）氣相二次資源：如煙氣、排放的蒸汽和其他氣相排放物等；
（3）固相二次資源：如各種渣、塵、泥、廢耐材、尾礦、脫硫石膏和一些固相危險廢棄物（如：電弧爐粉塵、不銹鋼酸洗污泥、廢催化劑等）。
本文以鋼鐵工業固相二次資源（固廢）利用中的難點和堵點：鋼渣資源和高溫余熱的回收和利用為例，分析利用現狀，發現存在問題，找出應對對策，為下一步深入發展提出參考意見。
目前生產1.0噸粗鋼約需要4.0噸固體原料（平均的原料和燃料條件），這意味著生產1.0噸粗鋼，就要排放約3.0噸的固廢。另外，還排放大量氣相二次資源和一定量的液相二次資源，這些“二次資源”如何處理，將直接影響鋼鐵工業的綠色化程度。鋼鐵工業二次資源能否實現高效利用，已經成為實現鋼鐵工業綠色化的重要標志。
中國鋼鐵工業從產量上看，已是一個鋼鐵大國。1949年中國鋼鐵產量為15.8萬噸，2021年粗鋼產量達到10.3億噸，占世界粗鋼總產量19.5億噸的一半還多，中國已經由一個鋼鐵小國成為一個鋼鐵大國，但由于與發達鋼鐵國家軟硬件的創新差距較大，目前還不算是一個鋼鐵強國。
巨大的鋼鐵產量，導致了巨量的二次資源排放，造成了突出的生態環境問題，雖然中國鋼鐵工業二次資源的利用取得了矚目的成果，但仍然存在很多問題，尤其是鋼渣這個鋼鐵工業的難點和堵點，其研究深度和利用水平還存在較多差距。
美國、日本等經濟發達國家都經歷了以鋼鐵為支柱產業的重要發展階段（每年生產約一億噸粗鋼）。由于那時他們處在發展的早期，環保要求不嚴格，二次資源利用的壓力不大，研發的技術也很少。另一個原因是：他們的鋼產量僅是現在中國鋼產量的十分之一，固廢的產生量很少，加上對固廢有害成分的研究較多，所以他們只要簡單處理就能滿足當時的環保要求。
但是，中國面對巨大的鋼鐵固廢產生量，造成了“生產多、輸出少、積壓多”的局面，對環境的壓力越來越大，國家制定了越來越多嚴格的法規和政策，已經到了必須解決鋼鐵固廢和危廢的時候了。
世界鋼鐵工業長時間的實踐證明，綠色鋼鐵是鋼鐵企業生存和發展的方向，也是一個“鋼鐵大國”成為“鋼鐵強國”的必經之路。無論從企業自身還是國家發展的要求來看，未來很長一段時間內，推進鋼鐵生產的低碳環保，資源高效利用，發展綠色鋼鐵技術將成為我國鋼鐵工業發展的主旋律，以此為切入點，有助于促進我國由鋼鐵大國變為鋼鐵強國。
2 國內外鋼鐵工業固相二次資源研究和利用現狀
2.1 國外鋼鐵工業固廢研究和利用現狀回收
本文主要論述的“鋼渣”主要是指“鋼渣尾渣”（鋼渣經破碎磁選提鐵處理后所得的金屬鐵含量小于2%的鋼渣），目前的利用率和價值很不理想。從上世紀90年代初至今，鋼渣尾渣累計堆存量已近20億噸。2019年，國家發改委和工信部聯合下發《關于推進大宗固體廢棄物綜合利用產業集聚發展的通知》，其重點任務中提出：積極推動鋼渣及其尾渣深度研究、分級利用、優質優用和規?；?；全面實現鋼渣“零排放”。該工作還處在“現在進行時”階段。
鑒于相關資料很多[1-4, 6-14, 20]下面僅概要地總結國外鋼渣的研究和利用現狀：
至今為止，國外對鋼渣的研究主要集中在鋼渣中有價元素的提取和利用，如Fe，Cr，Ni，Mo，Mn，Ti，Al，Zn等的提取，尤其以瑞典、德國、比利時等歐盟國家的表現突出，但工業化應用的結果尚未見報道（除鐵素提取外），主要原因是技術可行性存在，但經濟可行性尚存問題。
另外，國外對鋼渣中有害元素及其對環境的影響研究非常重視，例如，瑞典長時間跟蹤研究不同鋼渣在自然生態條件下的土壤和水中，對環境的影響規律和是否超標，從而提出一些限制性規定。但國外對鋼渣主要成分（CaO，SiO2，Al2O3，MgO）的利用，比較簡單，在確認對環境無害的條件下，僅作建筑基礎材料、填路等用途。因為他們的鋼渣產生量有限，沒有像中國一樣對社會和自然造成大的影響和壓力。
2.2 國內鋼鐵工業固廢的研究和利用現狀
總體上說，中國鋼鐵工業從事鋼渣研究的人數、研究課題和研究成果，從數量上看，遠比國外多，目前鋼渣資源大宗利用的數量和水平明顯提高，鋼渣綜合利用率也迅速提高，但鋼渣高附加值的利用水平還沒有提高到應有的程度。
另外，在鋼渣有價元素提取和有害元素對生態環境的影響及無害化的重視和研究程度，中國不如國外深入。
國內鋼渣研究人員，總結了大量前人長期的研究成果，總結了如圖1所示的鋼鐵渣制備不同目標產品的體系，其主要依據是抓住了鋼鐵渣的關鍵參數鈣硅比（CaO/SiO2），硅鈣比是鋼鐵渣最主要成分的體現。圖1還提出了兩種鋼鐵渣改質工藝，對不同鈣硅比的鋼鐵渣通過改質，制備出不同的目標產品[33-35]。
圖1 鋼渣鐵渣不同鈣硅比制備的不同目標材料和對應的鋼渣改質工藝
Fig.1 Different CaO/SiO2 of iron and steel slag corresponding the different products and upgrading processes
中國政府在過去的幾個國家五年計劃中，大力支持了鋼鐵工業固廢利用技術的開發，先后利用鋼渣，開發了鋼渣陶瓷、鋼渣微晶玻璃、透水磚、陶粒、鑄石和水泥摻和料等（見圖2、圖3、圖4）[16-19, 22，23-32]。
國家發改委對鋼渣尾渣制備高附加值的鋼渣微粉的推廣應用，作了肯定（用機械活化的方法，克服了鋼渣活性低的難點）。全國很多鋼鐵公司都自行或與外界合作，成立了鋼渣微粉公司，為鋼渣高附加值利用增添了新路。
圖2 鋼渣微晶玻璃產品
Fig.2 Glass ceramic products made from steel slag
圖3 鋼渣陶瓷產品 圖4 不銹鋼陶瓷產品
Fig.3 Ceramic product made from steel slag Fig.4 Ceramic product made from stainless
steel slag
上述產品是工業實驗的結果，它們對鋼鐵工業綠色產業和形成鋼鐵工業新的經濟增長點，尤其是鋼渣的高附加值利用，將起到促進作用。
另外，鋼鐵工業二次資源利用體系：循環經濟系統的建立，中國也進行了不間斷的努力，經過兩代人的努力，先后建立了以下新一代鋼鐵工業循環經濟體系，見圖5[20]。
圖5 中國鋼鐵工業循環經濟（生態工業）體系
Fig.5 Circle economy system of Chinese steel industry
上述鋼鐵工業循環經濟體系的建立，為全面利用鋼鐵工業的二次資源，起到了引領和指導作用。在循環經濟設計和實施方面，中國領先于國外鋼鐵工業。
在鋼渣理論研究方面，國內也取得了一定進展，例如：北京科技大學在鋼渣陶瓷研究中[15]，開發了比傳統陶瓷（硅-鋁體系）性能好很多的新型陶瓷體系（硅-鈣體系（石英-長石-粘土三組分陶瓷）），按以往的陶瓷標準（含CaO <3%、Fe2O3<1），鋼渣是不能做陶瓷原料的，因為含CaO太高（大于40%）和含鐵太高（Fe2O3>18%），但經過大量基礎、理論和實驗研究證明，高鈣高鐵鋼渣已經可以制備出比傳統低鈣陶瓷性能更優的陶瓷（抗折強度比國標高約2倍，見圖6）。說明現有國家陶瓷制備理論和標準還需要填補的空白，利用鋼渣制備高鈣高鐵的輝石質陶瓷體系,鋼渣制備新型陶瓷的相應的新理論也隨之產生[21]。
雖然國內鋼渣研究的論文大量的發表，但系統地開始整理、分析和建立鋼渣利用理論體系的論文還很少[5]。
圖6 傳統陶瓷和不同鋼渣摻量的陶瓷的抗折強度
Fig.6 Flexural strength of traditional ceramics and ceramics with different slag content
3 鋼鐵工業二次資源利用存在問題和對策
全國五百多家鋼鐵企業二次資源利用的巨大付出和獲得的成果是明顯的，但存在的問題也應正視。事實上，我國鋼鐵行業二次資源的利用仍然存在著不少問題，例如：
（1）存在問題一：鋼渣活性差、易磨性差、含鐵量高，還有一定量的游離氧化鈣（f-CaO）等，難以直接利用：
在煉鋼爐內特有的高溫環境，變成了一種過燒的硅酸鹽產物，導致其活性差、易磨性差、含鐵量高，還有一定量的游離氧化鈣（f-CaO）等，給鋼渣資源和熱量的回收和利用都帶來了非常大的難度，以至于全世界對鋼渣資源的利用，還沒有找到理想的方法。
盡管現在已經有不少鋼渣利用的技術，如鋼渣先磁選除鐵，后通過機械活化（粉磨），提高鋼渣活性，制備的鋼渣微粉可以作為水泥等工業的原料，水泥和混凝土制備中可以通過水化，消除游離氧化鈣的影響。但該途徑的能耗的較高，流程較長，成本較高。
另外，還有一些將鋼渣作為主要成分的鋼渣產品開發：如：鋼渣陶瓷、鋼渣微晶玻璃、鋼渣透水磚、陶粒等產品，雖然技術已經研發成功，但由于生產線投資高，碳耗較高，實現工業化還存在一定困難。以上方法總體上屬于“末端治理”的方法。
對策：為了開發新的技術和途徑，建議開展以下研究課題：從源頭去改變鋼渣的活性差、易磨性差、含鐵量高，含有游離氧化鈣（f-CaO）等缺陷，開發在“煉鋼爐內”對鋼渣進行改性的技術，如利用爐內充足的高溫環境，通過降低“射流區溫度”，避免鋼渣過燒、“強化爐內鋼渣和鋼水的混合攪拌水平”，減少過量CaO的添加量和鋼渣的含鐵量，上述措施還能降低煉鋼成本，提高鋼渣利用成本和有利于高附加值鋼渣產品的開發，實現低碳利用鋼渣及其產品開發的目的。
（2）存在問題二：高溫鋼渣的余熱利用幾乎為零：
煉鋼爐內鋼渣的溫度都在1500 ℃以上，每噸鋼會產生約150 kg的高溫熔渣，目前中國年產10億噸鋼的鋼渣高溫余熱都沒有得到利用，主要原因：每爐的出渣量較少、間歇出渣、粘度偏大（濺渣護爐造成）。高?值鋼渣余熱的回收也是世界鋼鐵工業的難點和堵點，目前許多鋼渣余熱回收技術，如風淬法、水淬法、滾筒法、?；?、混合鋼球法、連鑄連軋法和導熱油法等，都處在研究階段，還沒有理想的工業應用的案例。其中有部分回收余熱的方法是：“熱燜法余熱回收”，已經有部分工業應用案例，但僅僅回收部分鋼渣余熱。上述余熱回收利用的結果對比，見表1。
表1 Tab.1 Different technology for waste heat recovery from steel slag
對策：（1）應避免分散研發力量、資源和資金的現狀，集中力量研究鋼渣礦物資源和高溫余熱回收和利用的技術和裝備；（2）探索開發全新的煉鋼工藝，其中包括考慮到鋼渣余熱回收和利用的技術方案。
（3）存在問題三：幾乎所有工業固相二次資源的成分度不穩定，嚴重影響了利用二次資源制備產品的質量穩定性。如何根據二次資源的成分變化，保證其成分穩定或采用相應的產品新配方，是一個和急切的課題。以鋼渣利用為例：這方面的研究很少。以鋼渣為例，因鋼種、原料、煉鋼工藝和裝備等的不同，導致鋼渣的成分波動很大，給鋼渣的下一步利用帶來很大的負面影響。
（4）存在問題四：還沒有找到理想的在線實時檢測二次資源成分變化的儀器，以及針對動態成分的變化，實施快速控制配料的配伍技術，以保證二次資源所制備的產品質量的穩定和價值。目前能實現在線檢測二次資源動態成分的儀器，存在無法較全面地檢測二次資源需要檢測的主要元素，現有的在線儀器通常價格高昂，推廣有一定困難。
對策：（1）同樣需要集中力量研發在線檢測儀器；（2）研究針對不同二次資源，開發二次資源的分類管理和儲存的方法；（3）開發不同產品開發需要的快速智能配伍的軟硬件系統。這是急需開發的技術，雖然需要時間，但是要盡快開始。
（5）存在問題五：固廢利用研究還存在研究偏析現象：目前研究鋼渣、鐵渣和鋼鐵粉塵利用的較多，但研究廢棄耐火材料和危險廢棄物等其他固廢的則較少。下一步需要組織研發人員和單位研究上述固廢和危廢的治理技術和裝備，以填補這些空白點。
（6）存在問題六：固廢利用和產品開發的理論和標準研究不夠。
中國二次資源利用研究和利用的人很多，工程成果不少，而且已經實踐多年了，但是目前大多數是處在各自為戰階段，導致重復研究、產品雷同、投入浪費、標準不足等現象，致使二次資源不同相關領域的基礎研究和有計劃的理論體系建設欠缺，急需組織、總結、分析和提取有關理論，逐步建立和健全相關的理論體系，以指導下一步固廢利用的研究和工業應用。
（7）存在問題七：缺乏固廢利用的“多維人才”。
二次資源利用是跨學科的領域，涉及材料學、冶金學、物理化學、熱力學和熱能工程學等學科，目前同時具備上述學科專業知識的“多維人才”缺乏，嚴重影響了固廢利用技術和產品開發的水平，急需培養該領域的“多維人才”，大學需要開辟或擴大該領域的“多維人才”的培養，現有公司要堅持不斷地組織對專業人才的培訓。
4 結 論
（1）國內外鋼鐵工業二次資源利用的研究存在差別：中國研究和應用的數量多，成果多，但研究深度不如發達國家。國外基礎研究多，中國應用研究多。
（2）鋼鐵工業二次資源的利用還有不少關鍵共性課題急需研究，如：源頭解決二次礦物資源和能源利用課題、開發固廢成分在線測量和控制課題、熔渣余熱回收利用課題、廢棄耐火材料應用和原來越多危險廢棄物的無害化和資源化等的課題等，集中力量研發它們具有很大的國內外應用潛力，是一個“鋼鐵大國”，走向“鋼鐵強國”需要開發的課題。
（3）二次資源的理論研究和理論體系建設要系統化，要有組織，要開始，否則將影響中國二次資源利用的深入開展和水平提高。
（4）工業二次資源的利用是跨學科的領域，要注意吸收和培養具有多專業知識和技能的多維人才。
（5）二次資源的利用，要注意其中有害元素的檢測和無害化處理，以保證產品和環境的安全。
（6）二次資源產品制備中的固廢原料成分在線監測技術和裝備急待開發。
（7）與固相二次資源產品開發的工藝和裝備相關的新理論體系和新標準需要逐步建立。
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