钢铁工业废弃物处理技术

钢铁工业固体废弃物处理技术1.1中国钢铁工业废弃物排放状况钢铁工业不仅消耗大量的资源和能源，还要排放大量的废弃物。

钢铁企业生产规模大、物流吞吐量大，生产流程工序多、结构复杂，生产过程伴随着大量物质和能量的流动、排放，构成了钢铁企业密集的物质流、能量流及环境负荷。

钢铁联合企业的生产规模一般是年产800~ 600万t 、400~300万t 和200~100万t 。

生产1t 钢约消耗1.5~ l.65t 铁矿石，3~8t 新水，排放2t 左右的气体(C02、S02、NOx 等)。

同时，生产1t 钢可处理150~200kg 废钢，处理10~40kg 废塑料。

由此可见，钢铁厂生产规模大、工艺流程复杂、物质流和能量流密集的特点易于在物质和能源量级上与循环经济社会对接[1]。

近十年来，钢铁工业得到迅速发展，对环境的污染也越来越严重，冶金工业的所制造的环境问题也日益引起人们的重视。

冶金企业污染物具有排放量大/成分复杂的特点，治理的技术难度很大。

这不仅需要国家有关环境保护政策的和法规的保证，更需要环境工程技术的支撑。

表1一3 2002年我国钢铁工业环保现状及与国际水平比较工业的对环境的污染物可以分为三类：废气、废水、固体废弃物，这三类污染物从不同 的角度和程度污染我们周围的环境。

在冶金生产中不同的工艺过程生产出的污染物也是不同的，因此我们在处理冶金工业对环境污染问题时首先要知道各个生产工业过程所产生的废弃物有哪些，再去寻找处理污染物的方法。

现代钢铁冶金最大一部分是采用的火法冶金的方法冶炼钢铁。

火法冶金是在高温下从冶金原料提取或精炼金属的冶炼工艺，是物理化学原理在高温化学反应中的应用。

在项目 全国平均宝钢 国际某些先进企业水平 2000 2002 工业水重复利用率，% 87.04 89.53 96.59 98冶金渣利用率，% 46.79 52.96 100 100吨钢新水耗量， m 3/t 钢 24.75 15.05 5.31 5.5吨钢外排废水， m 3 /t 钢 17.22 9.07 1.29 1.1吨钢排S02，kg/t 钢 5.56 3.34 1.79 1.28吨钢排尘，kg/t 钢 5.08 2.69 0.5 0.5火法冶金中天然矿石或人工精炼矿中的部分或者全部矿物在高温下经过经过一系列物理化学变化，生成另一种新形态的化合物或者单质，分别富集在气体、液体或固体产物中，达到所要提取的金属与脉石级其他杂质分离的目的。

实现火法冶金过程所需的热能通常是依靠燃料燃烧来供给，也有依靠过程中的化学反应来供给。

火法冶金一般包括三大过程：原料的制备、熔炼吹炼、精炼。

其中进行的化学反应则有热分解、还原、氧化、等等。

过程中的产物出金属或金属化合物以外，还有炉渣、烟气和烟尘。

现代炼钢的过程也是如此，炼钢的步骤可以概述为：首先选矿，然后将铁矿石烧结成适合高炉冶炼的烧结矿，将优质的烧结矿跟焦炭等加入高炉内，在高炉里还原铁矿石得到铁水，然后铁水经过预处理送到炼钢厂，铁水在炼钢厂的转炉内脱碳、磷、硫等有害元素跟杂质，然后将优质的钢水连铸，连轧得到我们需要的钢铁产品。

在这过程中，选矿跟烧结以粉尘为主要污染源；高炉炼铁以高炉煤气的气态污染物为主；连铸跟连轧以冷却水为主要污染物；同时在这过程中还有很多的矿渣、炼铁渣、炼钢渣的固体废弃物以及运输途中的烟尘污染。

这些污染物如果不加以处理而直接排放到环境中，对环境的损害是不可估计的。

同时这些污染物中也有很多有价元素以及一些可回收的资源直接排放也是一种对资源的浪费。

图1一钢铁生产长流程的演式2.1钢铁行业固体废弃物综合利用研究现状2.1.1钢铁行业固体废弃物综合利用概述近年来，随着我国冶金行业的迅猛发展，产生的大量冶金固体废弃物也成为资源再利用和环境保护的一大难题。

从矿山开采、选矿、冶炼到金属加工都排放固体废弃物，如采矿废石、选矿尾矿、冶炼炉渣、粉尘污泥等，统称为冶金固体废弃物。

我国钢铁产量连续多年位居世界第一，2005年钢铁产量超过4×108吨，占世界总产量的50％左右，产生高炉矿渣1.55×108吨，钢渣7000万吨，矿山废石、选矿尾矿数倍于此。

有的冶金企业渣场堆高达数十米，不仅占用大量土地，而且严重污染环境，尾矿库占地更多，管理费用高，约占矿产品成本10%-30%，且污染风险大，尾矿坝倒塌事故时有发生[2]。

而作为钢铁生产必然产物的冶渣，其产生量也随之增大，大量废弃的冶金渣占用土地、污染环境、浪费资源，钢铁工业可持续发展战略面临着严峻的挑战。

钢铁行业以其资源、能源密集，生产规模大，工序流程长等特点，产生大量固体废弃物，成为环境污染大户。

钢铁生产的固体废弃物主要有矿业废石和尾矿高炉渣、钢渣、各类尘泥、粉煤灰渣以及工业垃圾等。

如果不能很好的处理好这些固体废弃物，不仅会污染环境，还会导致资源的浪费。

目前，我国在钢铁固体废弃物方面的综合利用主要表现在以下几个方面[3-5]。

2.1.2矿物废石和尾矿的资源化钢铁工业的原料来自矿山，在矿物的开采过程中，除了开采出符合品位要求的矿物外，同时还会产生巨大数目的固体废弃物，其中矿山废石占了相当大的比重。

据统计，我国矿山固体废弃物产生量占工业固体废弃物产生量的90%[6] 。

这些废石如果处理不当，就会给人身安全造成危害，同时还会破坏生态环境所以，推行矿物废石和尾矿的资源化应用势在必行。

（1）回收有价金属尾矿中含有一定品位的金、银、铜、铁、铅、锌、镓金属等，作为矿山固体废弃物资源化的重要途径，这些有价值的各种金属必须要提取出来。

铁矿尾矿主要采用高梯度磁选机，从弱磁选、强磁选、重选和浮选中回收赤铁矿[7]，除回收铁精矿外，还可以回收其它有用成分，如铜、金等。

这就意味着以前作为废弃物的尾矿，通过回收有价金属，可进一步提高资源的利用率。

（2）生产胶凝材料 [8]选矿尾矿SiO2含量高，且Fe2O3含量较高，代替粘土配烧水泥熟料，产量一般可提高20% ～30% ，能耗及成本显着降低。

根据火山灰成岩原理 ,运用地球化学、岩石矿物学理论进行胶凝材料分子设计，可将尾矿、粉煤灰以及冶金废渣等聚合生成类天然岩石的绿色胶凝材料，即所谓的凝石。

在某些场合，凝石可替代水泥。

2.1.3高炉渣的简述国外发达国家对高炉渣的利用已达到100%，我国高炉渣的利用率为仅为65%。

采用水淬工艺处理高炉渣是最为普遍的处理技术并沿用至今高炉渣的产出量与精矿品位、焦炭和助熔剂的质量以及高炉冶炼工艺有关，一般每吨生铁产渣量为300～900 kg。

高炉渣主要化学成分是SiO2，CaO，Al2O3等，三者占90%以上（表1）[9]。

除此之外，还含有一定量的MnO、FeO、K2O、Na2O以及硫化物等。

表1 高炉渣主要化学成分 (质量分数 %)高炉渣中的碱性氧化物之和与酸性氧化物之和的比值 ,称为高炉渣的碱度。

由于碱度比较直观地反映了炉渣中主要的碱性氧化物与酸性氧化物含量的比例关系 ,对于高炉冶炼和在建材领域的应用 ,都是很重要的参数。

高炉渣的组成也因生产原料以及炉渣冷却方式等的不同而不同[10]。

按照高炉渣的碱度可以把渣分为如下3类:①碱性高炉渣中主要矿物组成为钙铝黄长石、钙镁黄长石，以及一定量的硅酸二钙、假硅灰石、钙长石、钙镁橄榄石、镁蔷薇石和镁方柱石等；②酸性高炉渣中主要矿物为黄长石、假硅灰石、辉石和斜长石等；③中性高炉渣如锰铁渣中主要矿物是橄榄石；高铝渣中主要矿物为铝酸一钙、三铝酸五钙和二铝酸一钙。

以高炉渣作为材料的综合利用研究工作就是基于高炉渣以上化学组成或矿物组成而展开的。

2.1.4高炉渣的利用应该注意的问题（1）高炉渣是多化学成分的工业废渣，有的含有放射性元素和有毒有害成分，不能应用在和与人经常接触的环境。

（2）高炉渣中含有某些化学成分和矿物，影响建筑材料的安定性和耐久性，应用时应该注意成分的调整和矿物的处理。

（3）由于冶金工艺或原料的原因，造成某些高价值元素在渣中的残留，而在目前还没有较好的分离利用方法时，不应该盲目发展利用，以免造成资源的巨大浪费。

如我国有大量的含Ti高炉渣，其中含15%以上的TiO2，而其中的Ti目前还不能利用，在应用其开发建筑材料时应该考虑资源综合利用的问题。

（4）高炉渣是高温形成的多矿物的混合物，其经历了高温的过程，特别是淬冷渣含有大量的玻璃体，具有较大的潜能，在应用时应尽量应用这部分潜能，节约能源，同时在工艺上注意不破坏这部分潜能。

2.1.5高炉渣处理技术（1）重矿渣及膨胀矿渣高炉熔渣倒入热泼坑内，浇水冷却得到的矿渣，强度相当于中等天然石料，破碎后可作混凝土骨料。

高炉熔渣在渣坑或渣场自然冷却或淋水冷却，经过破碎、磁选和筛分，得到矿渣碎石，可用于混凝土骨料和填充地基，路基材料。

高炉渣碎石作骨料配制混凝土，不仅具有与普通混凝土相似的力学性能，而且还具有良好的保温隔热、耐热、抗渗和耐久性能，被广泛应用于各种建筑工程。

高炉重矿渣具有足够的强度，弹性模量较大，处理软土地基，稳定性好，提高持力层的承载力，加速地基的排水固结，较之深层搅拌法、灌注桩等方法，可以大大降低地基处理费用，同时缩短地基工期。

膨胀矿渣是适量冷却水急冷高炉熔渣形成的多孔轻质矿渣。

制备方法有喷射法、喷雾器堑沟法、滚筒法等。

如热熔矿渣经喷水急冷，在高速旋转的滚筒击碎冷却、膨胀，即膨胀渣;将熔渣水冲后膨胀，带叶片的滚筒旋转把它抛出，在空中冷却形成渣粒，落入膨珠池成为膨珠。

膨胀渣和膨珠可用作轻质骨料，也可作水泥混合材。

（2）水淬高炉渣水淬处理是我国高炉渣加工的主要方法，分为水冲渣法、水泡渣法和拉萨法。

水淬时，随同蒸汽产生有毒气体和矿渣棉污染环境，故水淬池上方须安装收气罩。

水淬急冷阻止结晶，因而形成大量的无定形体或玻璃体，具有较高的潜在胶凝活性。

冷却速度越快，玻璃体含量越高。

我国炼铁厂排放的快冷渣玻璃体含量在 80%左右。

水淬渣磨细后，水化时在水泥熟料及石灰、石膏等激发剂作用下，玻璃体网络结构解体，生成水化硅酸钙和水化铝硅酸钙等水化产物，水化产物的聚合导致凝结硬化产生胶凝作用。

2.1.6高炉渣的利用（1）有价金属的回收：由于冶金工艺或原料的原因，造成某些高价值元素在渣中的残留。

如攀枝花钢铁公司生产的高钛含钛高炉渣(渣中含TiO2达24%左右)。

经中南大学实验研究[11]，用攀钢高炉渣为原料，开发了中品位人造金红石及硫酸法制取钦白的新工艺。

此工艺解决了高炉钛渣低钛高杂质的溶液处理问题，研制出符合国家标准的焊条级、搪瓷级、冶金级及颜料锐钛矿级钛白粉，并解决了制取钛白过程中的废渣和废酸的污染，形成了基本闭路循环的工艺流程。

东北大学基于“选择性析出原理”开发出一种选择性析出技术用于攀钢含钛高炉渣，确立了使含钛组分“选择性富集、长大、分离”，成为人造富矿的技术路线[12]。