摘 要：本文论述了我国钢铁企业可持续发展的建设理念和绿色环保的新特点，讨论了钢铁厂从焦化、球团、烧结、炼铁、炼钢和轧钢及配套系统全工序产生的固废产物种类和相关冶金特性，研究不同种类固废产物的处理模式。重点针对工程堆放和外销类固体废弃资源，深入探讨 “含有害元素除尘灰处理方”、“危险废弃物处置”和“冶金渣高温转换与余热回收方式”的难题，并围绕这些难题创造性地提出了钢铁企业固废产物大平台处理的总体技术发展路线，希望能为今后我国的钢铁企业固体废弃物实现“零排放”起到促进作用。
关键词：钢铁企业，固体废弃物，再利用，零排放
钢铁工业是国民经济的基础产业，也是高消耗、高排放行业，整个产业链最大排放是钢铁生产过程产生的固体废弃物。2015 年，我国粗钢产量 8.04 亿吨，以每吨钢产生固体废弃物 600~800kg 估算，全年共产生固体废弃物 4.8 亿~6.4 亿吨，主要构成为冶炼过程形成的炉渣、含铁尘泥、烧结脱硫产物等，仅冶金渣就超过 2 亿吨 [1] 。固体废弃物占用大量的土地资源，污染周边环境，为此，提高钢铁流程固体废弃物资源化高附加值利用是钢铁企业必须解决的重大问题。
近年来，我国先后建成数家先进长流程大型钢铁厂，大幅增强了我国钢铁生产技术综合实力。钢铁厂侧重打造多元化功能，提升“钢铁产品制造”、“钢铁生产能源转换”和“钢铁废弃物消纳-处理和资源化”的多平台综合能力 [2] 。紧紧围绕“节能减排、发展循环经济、建立节约型企业、实现资源再利用、保护生态环境、打造绿色钢铁”的指导方针，努力探索冶金固体废弃物资源化处理的新途径 [3] 。
本文以年粗钢生产规模 900 万吨的钢铁厂为研究对象，阐述其绿色环保发展特点，分析钢铁生产全流程，包括焦化、球团、烧结、炼铁、炼钢和轧钢及配套系统工序的固废种类和冶金特性。针对不同类型的固体废弃物，重点研究抓好资源高效处理的技术手段与措施，结合生产实践指出包括“有害元素除尘灰处理”、 “危险废弃物处置”、“冶金渣高温转换与余热回收方式”等有待进一步优化解决的问题，并勾勒出打造固体废弃物处理大平台的工作路线。
1 我国钢铁企业绿色发展新特点
我国是全球最大的钢铁生产国和消费国，2016 年我国粗钢产量 8.08 亿吨，占世界粗钢总产量 49.6%。
支撑我国大规模钢铁生产的主要是以“高炉、转炉”为主的长流程钢铁企业。我国钢产量中约 90%采用长流程生产 [4] 。
近年我国陆续投产了一批先进长流程生产工艺的钢铁厂，包括鞍钢鲅鱼圈钢铁厂，首钢京唐曹妃甸钢铁厂、宝钢股份湛江钢铁厂等，这些厂在规划建设之初就规避了以往钢铁厂“工程投资高、生产成本高、能耗高、碳排放高”的被动局面，侧重打造“节能减排、可持续发展”的新特点。
2010 年，首钢京唐钢铁联合有限责任公司一期工程竣工，建有 7.63m 大型焦炉、550m 2 烧结机、504m 3球团带式焙烧机、5500m 3 超大型高炉、300t 大型转炉及连铸、冷热轧产线等先进装备。建设期间，坚持以“减量化、再利用、资源化”为原则，加大对余热、余压、余气、废水、含铁物质和固体废弃物的循环利用[5] 。投产后，该厂吨钢综合能耗、吨钢耗新水、吨钢粉尘排放量等指标均达到世界一流水平。宝钢股份湛江钢铁基地项目优先考虑减少资源、能源消耗和污染物排放，尽可能在企业内部实现固体废弃物资源化利用，兼顾资源再循环利用，实现了“高效率、低消耗和低排放” [ 6] 。
我国“十三五”期间将继续加快处理钢铁工业大宗固体废弃物的发展步伐，国务院发布的《“十三五”节能减排综合工作方案》中明确了节能减排工作的主要目标和重点任务，并要求钢铁行业把“绿色发展、循环发展、低碳发展、两化融合”作为实施途径，大力发展循环经济，拓宽钢铁生产流程中固体废弃物协同处置渠道 [7] 。由此，要全面实现我国钢铁工业绿色发展仍面临挑战，固体废弃物再利用和全量处理是需要重点解决的课题。
2 我国钢铁企业固体废弃物资源化处理模式探讨
2.1 固体废弃物产生情况与特性分析
以年粗钢生产规模约 900 万吨的某长流程钢铁厂为研究对象，统计得出伴随钢铁生产各工序年形成固体废弃物约 608.5 万吨，主要为 “含铁类固废产物”、“含碳类固废产物”和“其他类固废产物 ”3 类。
2.1.1 含铁类固体废弃物
图 1 和 2 分别为主要含铁类固体废弃物细分情况和产量分布，合计产生 26 种约 253 万吨，吨钢产生量约 280kg。其中，铁前与炼铁工序产生 9 种，占总重的 29.8%;炼钢工序产生 8 种，占总重的 58.5%、轧钢和其他工序产生 9 种，占总重的 11.7%。
表 1 是 3 种含铁类固废产主要化学成分，产物含较高铁锰等元素，利用价值很大。
2.1.2 含碳类固体废弃物
图 3 为各工序含碳类固体废弃物细分情况，包括筛下焦末、焦化环境灰、生化污泥和焦油渣。
表 2 是各种含碳类固体废弃物年产生量，总计约55.5 万吨，相当于吨钢产生量 65kg，筛下焦末占比达87.5%，主要作为烧结燃料使用。
表 3 是典型含碳类固体废弃物主要化学成分，碳含量较高，适合回收利用。
2.1.3 其他类固体废弃物
其他类固废年产生量约 300 万吨，主要包括：炼铁工序产生的脱硫灰、高炉渣，配套电厂产生的粉煤灰及炉渣，废弃耐火砖和冷轧工序锌渣等，其中高炉渣占比约 90%，目前水淬高炉渣细磨成超细粉用于建筑工程。
2.2 固体废弃物资源化再利用实践
钢厂是生态工业链中重要的一环，而固体废弃物再利用是钢铁厂重新获取资源的重要渠道之一 [8] 。钢厂结合自身技术工艺特性，选择经济合理的再利用策略，确定内部循环使用路径。对于暂时不能处理的固体废弃物采用工程堆存或外销的处理模式。
2.2.1 钢铁流程内部循环使用
图 4 为主流程清洁生产内循环设计路径，综合考虑各种固体废弃物的冶金性能、产生量与炼铁-炼钢工序相匹配等因素，尽量利用不同过程的排放物、废弃物和剩余能量进行过程间体系设计。
含铁类固体废弃物中，约有 133.5 万吨在钢厂内循环使用，占总产生量的 52.9%，具体如下：
(1)铁前和炼铁工序：矿料场、球团料场、厂际间转运站和高炉产生的除尘灰由吸排车运送到矿料场，配入混匀矿使用。烧结厂内部除尘灰由管道输送进入烧结灰仓搭配使用，球团环境灰进入球团灰仓自循环使用。
各类粉尘灰耗用是处理难点，2011 年韩国浦项钢铁公司粉尘排放量为 0.11kg/t 钢，同期我国重点企业达0.99kg/t 钢 [9] ，差异明显。为此在粉尘灰产出量高的铁前和炼铁工序大量增加小仓，把厂内产生量多而且种类各异的灰尘配入钢铁流程中使用。
(2)炼钢工序：炼钢一次灰应用于冷固球团造球后供炼钢使用，炼钢产生的氧化铁皮、脱硫渣进入混匀矿或炼钢回用，渣钢和铸余钢作为废钢回用，小粒钢渣配入混匀矿使用。
(3)轧钢工序：热轧氧化铁皮运到矿料场配入混匀矿，用于烧结。热轧油泥干燥后铁含量 50%~60%且粒度较细，供球团使用。冷轧酸再生泥饼直接在球团配用。
含碳类固体废弃物已实现钢厂 100%内部循环。筛下焦末供烧结使用，焦化环境灰、焦化生化池的焦油渣和焦化生化污泥配入型煤，实现了无害化回用。
2.2.2 工程堆存或外销
针对目前不能处理的固体废弃物，钢厂采用工程堆存或外销的处理方式。每年约有 92 万吨炼钢渣闷渣提取渣钢后的尾渣需要堆存。成为钢厂急需解决的难题。
其他类固废产物基本采用外销方式，包括高炉渣、冷轧的氧化铁粉等。每年约有 27 万吨的含铁类固体废弃物外销。
3 固废资源化利用存在问题的探讨
3.1 含有害元素的除尘灰处理方式
钢厂每年产生含钾、钠、锌等有害元素的固体废弃物约 8.5 万吨，表 4 是两种典型产物的检测成分。
含钾、钠、锌、铅等有害元素的固体废弃物在高炉中循环富集对生产危害极大，造成高炉悬料、结瘤、炉况不顺等恶劣影响。实践证明，含 Zn 超过 2.0%以上的除尘灰循环利用会明显增加高炉的锌负荷，影响高炉稳定生产 [10] 。部分企业为了控制锌负荷而配置转底炉生产线来处理含锌尘泥，但是处理费用高，有必要探寻更优更经济的处理方法。
3.2 危险废弃物处置方式
钢厂每年产生约 5000t 的含油垃圾、含油污泥等危险废弃产物，其处理费用贵。我国危险废弃物处理处在初级阶段，处理能力存在较大缺口 [11] 。为降低钢厂处理成本，结合钢厂危险废弃物产量大的特点，建议在政府相关部门指导监管下由钢铁厂设立集中危险废物处置加工中心。这样，既能满足钢厂内部危险废物处置要求，又能完成对周边园区和社会的危险废物集中处置，扩充钢厂的城市垃圾处理功能。钢厂应积极争取国家政策支撑和相关措施鼓励，参与城市垃圾处理工作。
3.3 冶金渣高温转换与余热利用方式
炼铁和炼钢工序产生大量的高温渣，包括高炉渣、脱硫渣、脱碳渣、精炼渣等。这些渣冶金性质不同，均采用水冷处理，消耗了大量的水资源，还造成热能浪费。以高炉渣为例，2015 年全国高炉炉渣产量约 2.51亿吨，其热量可折算为 1367 万吨标煤，再利用潜力巨大 [12] 。以冶金渣高温转换与余热利用为标志的新型处理方法将是固体废弃物节能的重要发展方向之一。
4 建设钢铁厂固废产物处理大平台的思考
钢厂的固体废弃物种类繁多、特性各异、产生量差异很大。固废集中管理和新技术的研发创新是实现固废资源化高效利用的有效手段。有鉴于此，提出了搭建钢铁企业固废处理大平台的构想，见图 5。
钢铁厂固废处理向四个方向开展工作，分别是：
(1)持续推进钢铁厂内部固体废弃物高价值循环再利用，通过优化物料走向和技术研发等多种措施，提高产物的自消纳率。
(2)充分利用高温渣系中富含有价元素和热能的特点，开发新型的“渣冶炼”工艺技术，对高温渣中金属Fe、P 和 Mn 等元素进行提取，通过渣系调质生产高附加值产品。
(3)针对含钾、钠、锌、铅等有害元素的灰类产物，需进行系统的基础研究，研发经济性新工艺以替代投资运行成本高的转底炉工艺。
(4)危险废弃产物属于钢铁厂固废处理的薄弱环节，通过建设钢厂处置中心，既处理钢厂内部的危险固废，又兼容社会垃圾的处置功能。
通过以上固体废弃物综合处置路线，实现环境治理和资源综合利用相结合，打造“零排放”的钢铁厂。
5 结语
(1)我国钢铁企业的发展，在提升企业核心竞争力的同时，形成了“节能减排、可持续发展”的新特点，正逐步成为清洁生产、绿色制造的实践者。
(2)通过分析钢铁生产流程固体废弃物的冶金特性，结合钢铁厂各工序的工艺特点，采用科学和经济的固体废弃物处理策略，将钢厂多种固废进行最大化消纳，重新获取资源再利用。
(3)从清洁生产的角度出发，应集中打造固废资源利用大平台，加强基础研发，解决固废产物处置难题，使钢铁厂成为环境友好的生态工业中的重要组成部分。
张寿荣1 ，张卫东 2 ，姜 曦 3
(1. 武汉钢铁(集团)公司，湖北武汉 430083;2. 首钢技术研究院，北京 100043;3. 中国钢铁工业协会，北京 100711)
原标题：我国钢铁企业固体废弃物资源化处理模式和发展方向
