鋼鐵工業是重要的基礎工業，是發展國民經濟與國防建設的物質基礎。它的原料、燃料及輔助材料資源狀況，影響著鋼鐵工業規模、產品質量、經濟效益和布局方向。1996 年，中國粗鋼產量突破 1 億 t，躍居世界第一。表 1 給出了從 2010 年到 2020 年我國粗鋼產量，可以看出 2015 年曾發生過一次產量的下降，當年中國粗鋼產量下降至 8. 0 億 t，比上年減少 1900萬 t，同比下降 2. 33%。2016 年鋼鐵供給側改革拉開大幕之后，行業逐漸回暖，鋼鐵產量再次逐年攀升。2015 年至今，中國粗鋼產量已累計增長約 25%。鋼鐵工業是資源密集、能耗密集、排放密集型產業。鋼鐵企業在生產過程中產生的固體廢棄物主要有鋼渣、高爐渣( 包括水渣、干渣) 、含鐵塵泥( 包括燒結、煉鐵、煉鋼及軋鋼等系統收集的除塵灰泥) 、脫硫灰、電廠粉煤灰、廢耐火材料和工業垃圾等。平均每噸鋼產生固廢 500～800 kg。在過去的 20 年中，隨著我國粗鋼產量的增加，鋼鐵工業固廢的產量也大幅增加。
鋼鐵工業固體廢棄物處理及利用涉及機械設備、資源、環境等眾多領域，目前鋼鐵工業固體廢棄物綜 合 利 用 率 較 低，尤其是鋼渣的利用率不到30%。未得到利用的固體廢物長期堆放不及時處理，會造成其逐漸失去活性，再處理難度大，也會占用大量土地形成環境污染問題，嚴 重 時 會 導 致 土壤、水重金屬污染等問題。因此，鋼鐵工業固體廢物綜合利用是節能環保戰略性新興產業的重要組成部分，是為工業又好又快發展提供資源保障的重要途徑，也是解決固體廢物不當處置與堆存所帶來的環境污染和安全隱患的治本之策。鋼鐵工業固體廢物綜合利用是當前實現工業轉型升級的重要舉措，更是確保我國工業可持續發展的一項長遠的戰略方針。
我國鋼鐵行業是環保意識覺醒較早的工業行業，環保工作一直走在工業領域的前列。從七十年代至今，鋼鐵行業的綠色發展歷經了冶煉伴生產品處理、節能降耗和全面綠色化發展等 3 個階段，如圖 1 所示。鋼鐵工業綠色發展謀求的目標是資源的綜合利用、短缺資源的代用、二次資源的利用，減緩資源的耗用; 通過節能、節材、可再生資源和綠色能源的利用達到節能的目的。同時，減少廢料和污染物的產生和排放，促進工業產品在生產、消費過程中與環境相容，降低整個工業活動對人類和環境的風險。
針對鋼鐵工業固體廢棄物的處置和利用，本文分別對鋼渣、高爐渣、含鐵塵泥和脫硫灰的處理技術及利用進行了綜述，并結合現有工藝特點給出了未來鋼鐵工業固廢處理利用的發展方向。
1 鋼渣處理及利用
鋼渣每噸鋼產生量 100 ～ 150 kg，主要包括轉爐鋼渣、電爐鋼渣和平爐鋼渣 3 種。鋼渣作為二次資源綜合利用有 2 個主要途徑，一是作為冶煉溶劑在鋼廠內循環利用; 另一個是作為筑路材料、建筑材料或農業肥料的原材料。目前，日本的鋼渣有效利用率已達到 95%以上，轉爐渣和電爐渣的利用方向分為外銷、自使用、填埋。德國的鋼渣有效利用率達 98%以上，其主要利用方向為土建、農肥以及配入燒結和高爐進行再利用。美國的鋼渣有效利用率達 98%，其中燒結和高爐再利用、筑路方面利用的鋼渣用量占總鋼渣利用量的 65%以上。瑞典通過向熔融鋼渣中加入碳、硅和鋁質材料對鋼渣進行成分重構，回收渣中渣鋼后將鋼渣用于水泥生產。加拿大將處理后的鋼渣用于道路建設。阿拉伯地區利用電爐鋼渣作為混凝土摻合料配制出屬性更好的混凝土。整體來講，國內鋼渣利用率不足 30%，大部分鋼渣堆存。
我國關于鋼渣回收的報道在上世紀 70 年代才開始。大體上，我國鋼渣的處理利用經歷了 3 個階段，如圖 2 所示。
第 1 階段是堆棄階段，主要發生于上世紀 50 年代至 70 年代。在這一階段，每個鋼鐵廠都有一個鋼渣山，鋼渣利用率幾乎為 0%，這些鋼渣山造成的污染非常嚴重。
第 2 階段是從上世紀 80 年代到 2005 年的粗放發展階段。在此階段，鋼渣通過簡單的手動或機械磁選進行處理。渣鋼用于煉鋼，尾渣用于回填和道路。然而，由于缺乏成熟的鋼渣處理技術和必要的標準，導致鋼渣使用中問題頻出。例如，1992 年武漢鋼鐵公司使用了 17 萬噸鋼渣作為回填，導致了 390 m2 地基的開裂。寶鋼上世紀 80 年代在室內體育館的建設過程中使用了鋼渣，也導致該地基也出現了裂縫。
第 3 階段是綜合利用階段，自 2005 年開始至今，我國鋼渣的產量隨著粗鋼產量的增加而急劇上升。近年來，鋼渣產生量更是超過 1 億 t。鋼渣的利用率一直很低，2005 年僅為 10%左右。鋼渣中高含量的f-CaO 是造成鋼渣構筑物開裂的主要原因。所以，提高鋼渣利用率，首先應降低鋼渣中 f-CaO 含量。為此，冶金工作者開發了系列鋼渣一次處理技術，主要包括鋼渣常壓池式熱悶處理技術、熔融鋼渣罐式有壓熱悶處理技術、冷態鋼渣蒸汽陳化技術、熱潑技術、滾筒粒化技術和風淬技術，這些鋼渣處理方法的主要技術特點如表 2 所示。可以看出: 有壓熱悶工藝技術適用性強、處理時間短，在自動化、處理效果、環境排放、資源化利用，余熱利用等各方面均具有優勢，符合我國日益嚴格的環境排放標準以及裝備化升級換代的需要。盡管通過鋼渣處理技術的應用與普及，鋼渣利用率從 2004 年的 10%僅提高到現在的約 30%，仍有超過 7000 萬 t 的鋼渣沒有得到有效利用。并且熔融鋼渣高品質的熱能也沒有得到回收，浪費高溫鋼渣熱能。
2 高爐渣處理及利用
現代高爐煉鐵生產中，高爐渣的處理主要采用水力沖渣方式。我國大部分高爐渣采用水淬工藝加工成水渣，水渣具有潛在的水硬膠凝性，可以作為優質的水泥原料，制成礦渣硅酸鹽水泥、石膏礦渣水泥、石灰礦渣水泥等。水淬時，一種是將爐渣直接水淬; 一種是將爐渣機械破碎后，再進行水淬。主要處理工藝有因巴法、圓盤法、圖拉法等。
1) 因巴法
因巴法是由盧森堡 PW 公司和比利時西德瑪( SIDMAR) 公司共同開發的爐渣處理工藝，1981 年在西德瑪公司投入運行。該法的工藝流程為: 與鐵水分離后的爐渣，經渣溝進入爐渣粒化區，吹制箱內的高速水流使其水淬粒化，經水渣槽進一步粒化和緩沖之后，流入轉鼓內的水渣分配器，被均勻分配到轉鼓過濾器中。在轉鼓下半周濾去部分水后，被葉片刮帶，隨筒邊旋轉邊自然脫水; 轉至轉鼓上半周時，渣落至伸入鼓內的皮帶上，經此皮帶和分配皮帶送至成品槽貯存，裝車外運。國內經歷引進、不斷改進成熟、國產化，包括寶鋼、酒鋼在內的鋼鐵公司多座高爐采用因巴法爐渣處理工藝即熱轉鼓法渣處理工藝，取得了良好的使用效果。
2) 圖拉法
因該法首次應用是在俄羅斯圖拉廠 2000 m3 高爐上，故稱其為圖拉法。圖拉法爐渣處理工藝主要過程包括爐渣粒化和冷卻、水渣脫水、水渣輸送與外運以及沖渣水循環等。1998 年 9 月建成投產的唐鋼2560 m3 高爐引進了 3 套圖拉法處理裝置，使用至今，運行狀況良好。
3) 圓盤法
熔渣從高爐出來后，沿固定出渣溝進入粒化裝置工藝線，粒化器噴出沖渣水將渣粒化并冷卻，渣水混合物一起落入沉淀池，在沉淀池里，渣漿自然變稠，要用循環水澄清。粒化好的渣漿沉積在沉淀池底部，利用氣力提升機提升至分離器。分離后經溢流斜槽流入圓盤型脫水器。已脫好的粒化渣卸入料倉，然后用皮帶輸送至成品倉。
就目前來看，圓盤法性能好，但圓盤脫水器體積龐大，處理噸渣單位耗量大，成本較高; 圖拉法安全性能好，返渣率高，使水系統磨損嚴重，粒化輪襯板壽命短，增加維修成本; 而因巴法在技術上最為成熟，實際應用的高爐亦較多。
另外，熱潑的高爐渣可以制備混凝土、鋼筋混凝土以及 500 號以下預應力鋼筋混凝土骨料; 高爐渣還可以制取礦渣棉，用作保溫、吸音、防火材料等。整體來講，我國高爐渣綜合利用率較高，大于 90%。但是高爐渣也和鋼渣存在著同樣的問題，其高品質熱能也沒有得到有效回收，導致熱能的浪費。
3 含鐵塵泥處理及利用
含鐵塵泥主要包括燒結塵泥、高爐瓦斯灰( 泥) 、轉爐污泥、電( 轉) 爐除塵灰、軋鋼氧化鐵鱗、出鐵場集塵等。傳統的高爐－轉爐鋼鐵生產工藝中，含鐵塵泥總產生量一般為鋼產量的 10% ～ 15%。其中燒結工序粉塵產出量占燒結礦產量的 3% ～ 4%，煉鐵工序粉塵( 泥) 產出量占鐵水產量的 3% ～4%，煉鋼工序塵泥產出量約占鋼產量的 2% ～ 3%。國外含鐵塵泥用專用工藝及設備處理比例較高，主 要 包 括Oxycup 工藝、DK 工藝、轉底爐工藝、回轉窯工藝、冷固結球團工藝。德國、日本、美國鋼廠含鐵塵泥處理比例已接近 100%。
我國鋼鐵企業大多采用返回燒結的方法來利用這些塵泥，但由于含鐵塵泥中 Zn、K、Na、Cl、S 等含量較高，在鋼廠內循環會引起高爐順行受阻、焦比升高、結瘤等一系列問題。因此，含鐵塵泥需要處理后才能在鋼廠內較好的循環利用。其處理方法主要包括回轉窯技術和轉底爐技術。
1) 回轉窯技術。
含鐵塵泥和煤粉配料后從回轉窯尾加入。爐料隨回轉窯的旋轉下行，溫度逐步升高轉變成半熔態。回轉窯最高溫度為 1100～1300 ℃，以防止爐壁結圈。還原過程中，ZnO 被還原成為 Zn 蒸氣，經除塵設備處理獲得鋅精粉。脫鋅后的粉塵從回轉窯出口流出，自然冷卻后采用濕法磁選方式選鐵。
回轉窯工藝在國內應用較廣泛，具有工藝成熟、投資成本較低、設備運行簡單等優點。但存在生產過程中窯內高溫段易結圈、工序能耗大、產品質量低等缺點。
2) 轉底爐技術。
轉底爐工藝流程如圖 3 所示。首先將粉塵配加還原劑( 煤粉) 、黏結劑等進行造球，造好的具有一定強度的生球經烘干機烘干后生球的水分降低至 3%以下，然后將烘干的生球通過振動布料機均勻布置在轉底爐內，轉底爐爐內溫度控制在 1100～ 1300 ℃，球團在爐內發生直接還原反應，70%以上的鐵氧化物還原為金屬鐵保留在金屬化球團中，而同時球團中的鋅、鉛、鉀和鈉還原或揮發后進入轉底爐煙氣系統，最終實現球團中鐵與鋅、鉀、鈉的分離，從而實現鐵回收利用、鋅及鉀和鈉的分離。
我國自 20 世紀 90 年代起對轉底爐技術進行跟蹤研究，先后在山西翼城、河南舞陽、河南鞏義、遼寧鞍山等地建立試驗裝置，并進行了初步的實驗，獲得了經驗與技術的積累。近幾年在消化吸收國外轉底爐技術發展的基礎上，先后有多家企業投資建設轉底爐裝置，另有多家鋼鐵企業規劃或籌建轉底爐，轉底爐工藝逐漸成為直接還原鐵領域的建設熱點。
國內的回轉窯工藝和轉底爐工藝均引自國外，國內采用專用工藝及設備對含鐵塵泥進行處理的處理率低。在未來對于含鐵塵泥的處置中，應按照下列原則對含鐵塵泥進行分類處理: 含鐵塵泥的資源化利用可分為生產回用和除雜工藝兩類。K、Na、Zn 等雜質元素含量低的含鐵塵泥應因地制宜的生產回用; 反之，雜質元素含量高的必須通過除雜處理再回用生產。
4 脫硫灰處理現狀
脫硫灰是煙氣凈化過程產生的一種固體廢棄物，主要包括濕法脫硫灰和干法脫硫灰。濕法脫硫灰主要成分為二水硫酸鈣( CaSO4·2H2O) ，含量接近90%。國內濕法脫硫石膏主要應用于水泥緩凝劑、膠凝材料、土壤改良劑、建筑石膏制備領域。目前我國關于干法脫硫灰產量以及可行性利用方式的統計數據尚缺少報道。據不完全統計，干法脫硫灰的產量已超過 1000 萬 t，未來產量還將大幅度增加。干法脫硫灰含硫礦物成份是亞硫酸鈣( CaSO3·0. 5H2O) ，屬于高鈣高硫型混合物。干法脫硫灰中 CaSO3·0. 5H2O存在及其含量的不穩定性使脫硫灰極不穩定，嚴重影響了其在水泥、建筑及農業等方面的資源化利用。目前綜合利用難度較大，僅有少部分用于礦山回填或鋪路，絕大部分仍然堆放。
工業發達國家解決了脫硫灰在運輸、干燥、改性、應用等技術性難題，且石膏工業都在大規模采用脫硫灰，應用技術也比較成熟。日本每年排放脫硫灰 300萬 t，平均利用率達到 97. 5%以上，大部分脫硫灰用于生產石膏板。德國脫硫灰被全部利用，主要生產石膏板和用作替代高齡土和方解石生產紙的填料和涂膠料。美國脫硫灰主要和天然石膏一起用于生產石膏板，利用率接近 100%。
5 展 望
高爐渣作為優質的水泥原料，可以制備具有一定經濟價值的高附加值產品，如礦渣棉、微晶玻璃、耐火材料等。但是目前的利用僅限于對其高爐渣物質的利用，其含有的高品質熱能基本沒有回收利用，今后應關注這方面的研究開發。對于鋼渣處理而言，我國鋼渣一次處理居于世界領先水平，特別是鋼渣輥壓破碎－余熱有壓熱悶技術，為國內外首創。但鋼渣因其自身的安定性差、易磨性差、活性較低、含重金屬、成分不穩定等原因，鋼渣制品用于建材行業有一定安全隱患，市場認可度不高，鋼渣綜合利用技術亟待提高，目前鋼渣綜合利用率不足 30%。同樣，與高爐渣一樣，鋼渣也存在熱能資源沒有得到有效回收利用的問題。
大部分企業將含鐵塵泥采用簡單處理后作為燒結輔料進行利用，不僅影響燒結工藝，鉛、鋅、鉀鈉堿性氧化物等長期閉路循環富集也影響高爐順行和壽命等。隨著國家對固體廢物、重金屬污染的關注，鋼鐵企業愈來愈關注含鐵塵泥的綜合利用，加強對有價元素的回收。對于含鐵塵泥而言，我國采用專業處理設備及工藝對含鐵塵泥處理的鋼廠較低。目前，僅有少量大型鋼廠采用回轉窯或轉底爐對含鐵塵泥處理，如寶鋼湛江、萊鋼、沙鋼、馬鋼等。
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