钢渣资源化利用预处理工艺现状及发展趋势

发布时间:2018-10-26 09:30      

殷瑞钰院士、李树斌、朱荣等多位专家

带来废钢、电炉炼钢相关精彩报告

前 言

钢渣是钢铁厂炼钢过程产生一种典型的大宗工业固体废物,根据目前国内外炼钢水平,其产量约为粗钢产量的10%-15%。在我国,2016年全国粗钢产量超过8亿吨,钢渣产生量约为9000万吨,钢渣累积总量近10亿吨,但其综合利用率仅为22%,这与工信部早在“十二五”规划中就要求达到75%的综合利用指标、与部分发达国家在95%以上的综合利用率相去甚远。

尽管研究人员已经开发出了近40种有关钢渣综合利用的方法,但到目前尚未找到大规模资源化利用钢渣的有效途径,在国内还是以回收废钢、磁选铁精粉等钢厂内部循环利用为主,使用量有限,目前约有70%的钢渣处于堆存和填埋状态。放置的钢渣不仅浪费了资源,严重占用了有限的土地,还会引起土壤、表层水和地下水污染等诸多环境问题,因此开发利用钢渣十分迫切。

另外,于2018年1月1日起施行的《中华人民共和国环境保护税法》明确规定,钢渣属于固体废物税目,税额为25元/吨,同时,对露天堆存的钢渣在雨季所造成的钢渣渗滤液征收300元/吨的环保税,这也引发了钢渣处置成为现阶段固废处置的重点。

钢渣资源化的可能性和途径

钢渣的资源属性即成分决定了其可能的用途。钢渣的主要成分为硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙、RO相(铁、镁、锰的氧化物)、游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)等,同时还含有10%左右的废钢资源。

钢渣中含有CaO、Fe、MnO、MgO、Fe₂O₃等成分,可以作为钢铁烧结中的增强剂;含有一定数量的铁酸钙,能够改善烧结矿的强度;转炉渣中的镁、钙以固溶体形式存在,能够代替部分菱镁石、白云石、石灰石等熔剂。

钢渣中含有10%左右的废钢资源,经过破碎筛分磁选等处理后,可以分选出不同粒级的渣钢和磁选粉,渣钢可以返回炼钢,磁选粉返回烧结。

钢渣中含有C₂S和C₃S,和硅酸盐水泥熟料相同,是生产水泥的良好原料,也可以应用于混凝土掺合料、干混砂浆等建材中。

钢渣的主要成分包含CaO、Al₂O₃、SiO₂和MgO等,与传统的建筑原料黏土、石英和长石等天然矿物相似,可以制备陶瓷、微晶玻璃以及岩棉等。

钢渣碎石的颗粒形状、硬度和耐磨性都很适合道路材料的要求,可以用于道路的基层、面层及垫层,还可以用作工程回填。

钢渣由于含有大量的碱性氧化物而显碱性,因而可被用来通过化学反应等作用处理废水中的污染物,可被用来脱除烟气中SO₂等酸性气体。

钢渣含有相当数量的Si元素和Fe元素,经处理可以聚合成具有良好性能的絮凝材料,在废水处理中使用。

钢渣中含有较高的Si、Mn、P及各种微量元素,可提供农作物生长所需的营养元素,同时钢渣中富含的CaO还能缓慢中和及改良土壤,因此可以做农田肥料使用。

预处理的必要性

我国目前仍以长流程转炉炼钢方式为主,占比90%左右,因此提高钢渣利用率主要关注转炉钢渣的处置利用。结合国外钢渣处置发展的经验和我国的国情,建材化利用是规模化消纳钢渣的主要途径。然而,建材化利用面临着以下问题:

1、钢渣的稳定性不良。钢渣中的C₂S在钢渣冷却过程中,其晶型由β型向γ型转变使体积增大。钢渣中的f-CaO和f-MgO遇水发生水化反应生成Ca(OH)₂和Mg(OH)₂,导致体积膨胀,若应用于道路、建材等行业,会出现膨胀开裂现象;

2、钢渣中金属铁含量高。金属铁的存在,造成磨矿难度和能耗的增加,对颗粒均匀性造成不利影响,另外,在使用过程中也较容易出现铁锈现象;

3、受炼钢工艺、钢种特点、造渣制度等因素影响,钢渣的成分复杂、波动性大,造成其使用难度增大;

4、国内在钢渣分类(如脱硫渣、转炉渣、钢包渣)处理方面存在不足,是钢渣利用率难以提高的关键因素之一;

5、钢渣的密度大,压实后堆密度超过3t/m³,是普通建材的1.2~1.4倍,导致钢渣在运输和使用时的能耗要增加10%左右[1]。

上述问题中,最核心的是稳定性和金属铁的回收问题。钢渣应用技术要求(GB/T32546—2016)中也明确提到:胶凝材料和骨料(集料)用钢渣在使用前应经稳定化和除铁处理,其金属铁含量应不大于2.0%(用于抹灰砂浆时其金属铁含量应不大于1.0%),且体积稳定性合格。

为达到上述目的,通常采用两次预处理法处理钢渣:第一次处理主要为热处理,使钢渣稳定化,第二次处理主要为破碎分级和最大限度的回收铁。

钢渣的一次处理

钢渣的一次处理是把热熔渣处理成粒径符合一定要求的常温块渣,以有利于钢渣的二次处理。目前国内钢渣一次处理主要工艺有:热泼法、风淬法、滚筒法、粒化轮法、热闷法等,其中热泼法、滚筒法、热闷法最为常用。表1综合比较了各种工艺的特点。

冶金信息标准研究院曾统计过国内129家大中型钢企钢渣一次处理数据,采用热闷法的有59家,占比45.7%;采用热泼法的改进处理工艺“热泼闷渣法”的有51家,占比39.5%;具第三位的是宝钢的滚筒法,有10家,占比7.8%;采用水淬的1家,风淬的2家,粒化的2家,其它4家。

钢渣的一次处理各种工艺均有利弊,选择何种处理工艺需要从钢渣的特性以及终端利用方式、对处理后粒度的要求、项目的节能环保要求、项目投资大小等方面综合考虑。例如,如果钢渣的流动性差,则不能使用滚筒法、风淬法、水淬法和粒化轮法,而盘泼法、热泼法和热闷法可以适用;如果从节能环保方面考虑,滚筒法和热闷法较为适宜。

钢渣经一次处理后需要再进行二次处理,以使钢渣达到合适的粒度并回收其中铁资源。目前回收尾渣中铁及氧化物的方法主要包含三种:磁选、还原和氧化。还原法是利用高温下无机碳的还原作用将钢渣中氧化亚铁还原成单质铁,但整个过程需要较高温度,同时会产生温室气体;氧化法是将钢渣内部的非磁性FeO转化成磁性Fe₃O4的工艺,仅是新的研究方向,暂时无法工业化应用。也有钢渣重选和浮选的技术,但磁选是主导工艺。

钢渣磁选生产线的产品主要是渣钢和磁选粉,前者返回炼钢用,后者返回烧结用,渣钢又分为大块渣钢及粒钢。渣钢和磁选粉的粒级和品位是有要求的,但不同钢厂的冶炼要求不同而有所区别,但设定的产品方案要求尽可能的选出铁,尽可能的保证渣钢和磁选粉的品位。目前国内钢铁企业一般要求返回炼钢的渣钢TFe大于80%,返回烧结的磁选粉TFe大于40%。至于粒度要求,一般而言,渣钢粒度大于30mm、颗粒钢粒度5~30mm、精矿粉粒度不大于8mm,尾渣粒度小于10mm。尾渣也可进一步深加工,如生产钢渣粉等。

基于以磁选为主导选铁手段的钢渣二次处理工艺主要包括渣钢铁回收工艺、渣钢提纯工艺以及铁精粉提纯工艺等。风淬法、水淬法、粒化轮法和滚筒法处理后的钢渣,由于粒度不大,一般经脱水后直接磁选回收其中渣钢,不再进一步破碎或只做简单破碎;热闷法和热泼法处理后的钢渣,由于粒度较大,需进行多级破碎、筛分和磁选。较早期的钢渣二次处理工艺主要为简单的破碎和筛分,目前都已升级为多级破碎、多级筛分和多级磁选,例如梅钢升级为3破7选5筛分,太钢为2破6选3筛分等。破碎、筛分及磁选应该根据一次钢渣处理的情况进行灵活调整。

钢渣处理工艺经常设置磨制环节,例如文献和中。这是因为钢渣中的渣钢分离是比较困难的,尤其对于细粒钢渣,包裹有微细粒的金属铁或与金属铁连生的浮氏体及具有一定磁性的铁酸盐易进入磁性分离物中,导致磁性分离物中铁品位的降低,因此对于细颗粒需要进行磨制使其单体解离,尽可能地回收利用钢渣中的金属铁。

例如,单纯采用破碎机,即使把钢渣破碎到5mm粒径以下,也很难实现渣钢有效分离,且选出的精矿粉品位一般低于45%。若在工艺中加入磨制工序,如自磨、棒磨或球磨,在相同粒径条件下,通过合理的磁选过程,基本可以获得TFe 80%以上的粒钢、品位55%以上的精矿粉金属铁质量分数小于1%的尾渣。

渣钢铁回收技术具有良好的经济效益。例如,某钢厂处理热闷后的钢渣,年处理规模45万吨,闷渣粉化率:10mm以下占65%,渣产品含水率:6~10%,水耗:每吨钢渣0.4吨水,电耗2.35度/吨。热闷后的钢渣二次处理后产渣钢2.5万吨(销售价格2500元/吨,单位成本751元/吨),富集磁粉2.8万吨(销售价格500元/吨,单位成本292元/吨),尾渣36万吨(销售价格13元/吨,单位成本292元/吨),含上钢渣资源费和企业增值税后,年效益高达3341万元。

几个典型的二次处理工艺流程图见下。

图1中冶颚式破碎+棒磨流程图

图2济钢颚式破碎+锥式破碎流程图

图3首钢颚式破碎机+圆锥破碎流程图

钢渣的破碎、磁选筛分工艺流程是回收渣钢的最基本流程,所用的破碎机包括颚式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机和双辊破碎机等,磁选机包括跨带式磁选机和电磁铁式磁选机,筛分设备包括格栅、单层及双层振动筛等。

其中几个关键设备有:

1)破碎机

一般选用液压颚式破碎机作为一级破碎设备。早在上世纪八十年代我国引进了德国KHD公司的成套设备,其核心设备就包括带有液压保护的颚式破碎机,应用于鞍钢和首钢。目前,其国产化设备已经应用成熟,有二十多年的使用历史,完全可以取代国外进口设备。此种破碎机的选型需要考虑物料的最大给料粒度、给料量和排料粒度等指标综合考虑。如果采用两级颚式破碎机,一般一级进料口尺寸用400mm×600mm,二级用250mm×400mm。

颚式破碎机和圆锥破碎机都具有破碎效率高、处理量大、损耗低、维护简便的特点,不同的是圆锥破碎机一般用于中破或细破,破碎比较大,出料粒度更加均匀。圆锥破碎机选型时应注意是否采用了液压调整排料口以及设置自动保护系统,以便一旦有铁件等不可破碎物进入破碎腔时,可自动调节动锥将其排出。

2)磁选机

磁选机有电磁自卸式除铁器、磁滚筒、单辊双辊磁选机及带磁机等,每种设备都有其适用的场合。由于带磁机的磁场强度、带速、悬挂高度及角度可方便调整,以适应不同的粒径、品位及含水率的钢渣,因此成为钢渣二次处理的核心磁选设备,其国产化亦已成熟。

3)棒磨机

棒磨机可以破碎剥离钢渣,在磨矿过程中具有一定的选择性磨碎作用,产品粒度均匀,过粉碎矿粒少,既可用于渣钢的提纯,也可用于钢渣的破碎。用于渣钢提纯时可将粒级为10mm-80mm、TFe为50~60%的渣钢的提纯至TFe大于90%;用于钢渣破碎时可将10mm-80mm的钢渣破碎至10mm以下。在应用于上述两种工艺时,棒磨机的型号及其内部结构(如衬板、钢棒)需要做相应调整。

综上,钢渣经过上述一次和二次处理,最后得到的尾渣粒度一般小于10mm,含金属铁含量在2%以下。若要制备钢渣微粉(比表面积至少为400m²/kg),后续还需要经过粉磨设备。目前,国内外粉磨设备主要有管磨机、立磨、卧辊磨和挤压磨等,高效节能的粉磨设备是国内外设备厂家研究开发的重点。任何设备的产生都是针对某种物料的性质和加工细度而设计的,一种设备不可能适应硬度不同、易磨性不同和细度要求不同的物料的生产。鉴于篇幅所限,钢渣磨细粉工艺和设备不在此文中论述。

结论及展望

1、通过破碎、磁选,回收各种粒度的废钢是我国大部分中小型钢铁企业利用钢渣的主要手段,其主体工艺基本成熟,设备已经全部实现国产化,各企业亦能根据实际情况对工艺进行灵活调整优化,以满足废钢回收率和尾渣品质要求等关键指标,其盈利水平一般较好;

2、我国钢渣资源的利用方向包括钢铁企业的内部循环和外部循环,后者主要是生产钢渣微粉、用于公路材料、制砖、制微晶玻璃、制岩棉、处理废水、改良土壤等。虽然钢渣综合利用的方法较多,但到目前尚未找到大规模资源化利用钢渣资源的有效途径,钢渣“零排放”成为我国钢铁行业的难题,大量堆存的渣场,造成资源的浪费和环境的污染;

3、钢渣的资源化利用应以消纳钢渣的巨大产量为目的,借鉴国外经验,应着重放在两个方向:一是建筑和建材行业,在水泥、混凝土掺和料、路面和建材制品中的利用,这方面不仅适用范围广,而且需求量大,能够消化钢渣的巨大产量;二是鉴于我国拥有海岸线1.8万公里,且沿海钢企分布较多,开发钢渣新产品以应用并改善海洋环境成为我国钢渣大规模利用的又一个方向;

4、我国要实现钢渣的大规模资源化利用,从研究角度讲,一方面要继续加大对钢渣有效处理工艺的研究,如渣铁分离效果,钢渣稳定性,早期活性,尾渣粉磨能耗,以及降低投资和运行成本等,即在现有技术上不断研究优化,不断扩大工业应用规模,这将会是一个艰难而漫长的过程;另一方面,行业亟需一种具有开创性的全新技术出现,以快速破解钢渣利用难题;

5、当前主流的钢渣处理工艺使钢渣显热全部丧失,因此,开发钢渣粒化的同时达到回收余热的工艺和设备,是实现钢渣高附加值利用和钢铁企业节能降耗的最佳途径之一和未来发展趋势。

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