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钢铁渣的综合利用现状及发展趋势

发布日期:2020-09-09  来源:矿产综合利用  作者:刘洋  浏览次数:140
        1 钢渣利用现状

德国及欧洲部分国家、日本、美国的高炉渣利用率早已达到 100%,转炉渣也已经有较高的利用率。钢铁渣利用率一直较低,仅 2005 年至 2014年未利用的高炉渣累积已达 4.57 亿 t[2-4],高炉渣的综合利用率虽逐年提升,但最高也只有 82%,而转炉渣的综合利用率则从未突破 30%。

2 钢铁渣利用途径

将中国 [3]、德国 [5]、日本 [6]、美国 [7-8] 2013 年高炉渣、转炉渣的主要用途及所占比例作图 ,见图 2[3,5-8]、图 3[3,5-8]。各国的高炉渣主要利用途径为水泥、混凝土、混凝土制品及路基。我国高炉渣的主要利用途径为矿渣粉占约占总量的 56%,水泥混合料占 23% 左右,慢冷渣碎石约 3%。日本有约 2% 左右的高炉渣用作肥料,美国有部分高炉渣用作土壤调理剂,我国暂且没有高炉渣作为农业产品应用。我国钢渣的主要利用途径有五方面:钢渣粉、钢渣水泥、硅酸盐水泥配料、钢渣砖及道路材料、钢渣返回烧结配料,主要应用途径集中在建材工业,场内循环应用,利用途径较多,但利用的量有待提高,在农业中仍然没有利用。而德国、日本、美国的转炉渣都有在农业上的应用,尤其是德国用于肥料的量占总量的9% 左右。从高炉渣及转炉渣的应用可以看出,各国钢铁渣主要用作基础建材方面,日本、德国、美国还有部分钢铁渣用于农业应用产品,而我国在此方面还没有应用统计。

3 钢铁渣综合利用发展趋势

钢铁渣资源化利用问题具有一定的复杂性,应从提高钢铁渣综合利用率,拓宽钢铁渣应用途径,开发高附加值产品等方面着手研究。从国内外研究热点方向来看,钢铁渣综合利用发展趋势集中在以下几方面:

3.1 开发农业应用产品

钢铁渣的主要含有大量的 CaO、SiO2 和 Mg及少量的 Fe、Mn、P、S 等植物生长、土壤肥力所需元素。日本、美国、德国等,在农业生产中使用钢铁渣已经有上百年历史经验。我国在炉渣农业应用方面研究起步较晚,通过多年的施用实践证明将钢铁渣应用于农业生产能够取得很好的效果。钢铁渣在农业方面的应用,主要作为硅肥、土壤改良剂或微量元素肥料使用。

(1) 硅肥

硅是农作物生长的必需元素,它有增产效果、抗倒伏能力、增强作物抗虫害作用。日本、韩国将高炉渣粉碎磨细到一定粒度即可当作硅肥施入田地 [20-21]。高炉渣施用于多种土质及作物上,均取得良好的效果:例如分别在白浆土、生草棕壤、冲击性草甸土中施入高炉渣,使小麦籽实产量分别增加 15.6% ~ 66.1%,7.0% ~ 34.4%,3.8% ~9.5%[22];水稻应用实践显示 [23-24],施加炉渣硅肥可以使水稻产量增加 12.5% -15.5%;在淤泥中蔗施用炉渣可使其产量及含糖量分别增加 68% 和79%,同时周围的截根植物均大幅增产 [25]。

(2) 土壤改良剂

对于酸性土壤的改良,一般选用施加石灰来调节酸性土壤 pH 值、改善其内部结构等,但长年累月施用石灰会引起土壤中硅、、钙等元素失衡,影响农作物的质量和产量。钢铁渣中富含钙、镁硅等元素,既可以使酸性土壤得到改善,又可以充土壤中的营养元素,有利于作物增产。Geiseler J,Kuehn M 在文献 [26] 中提到,炉渣被用做石灰肥用于酸性较轻的土壤。在文献 [27-28] 中提及高炉渣用作石灰肥,能有效缓解并修复土壤酸化。钢铁渣用于农田重属污染土壤改良的研究较多,例如:Larsson M. A. [29] 用高炉渣降低田地的生物活性;Hassan O. A. B. 和 Allan M. L. 用高炉渣来修复污染的田地 [30-31]。QIU Hao 等通过盆栽试验得到转炉渣能明显降低复合重金属 (Pb,Cd, Cu 和 Zn) 污染的酸性土壤中全部重金属元素的生物活性 [32]。中外许多学者发现在施用转炉渣后土壤中的 Pb, Cd, Cu 和 Zn 的生物活性被明显抑制,污染土壤得到有效改良 [33-37]。

(3) 微量元素肥

现如今制约农作物生长的因素已经由 N、P、K 转为 Zn、Mn、Fe、B、Mo 等微量元素,微量元素肥料的重要性逐渐被人们重视。钢铁渣中含有相当的 Mn、Fe 等有利于作物生长的微量元素,向高温熔融渣中添加作物生长必需的 Zn、Mo、B等矿物粉末,能够合成具有缓释效果的复合微量元素肥料。在缺乏微量元素的土地中施加,可以补充其缺失的营养元素,利于植物生长 [38-39]。

3.2 开发生态修复产品

(1) 污水处理

钢铁渣本身具有较好的多孔结构和较大的比表面积,且其水溶液又具有强碱性,能够与水中的金属阳离子形成氢氧化物沉淀。使用原钢渣或改性钢渣吸附废水中重金属离子的研究成果有很多,例如:处理含铬废水 [40-41],对 Cr6+、Cr3+ 的除率受 Ph 值变化影响较小一直稳定 99% 以上;处理含废水 [41-42],对 Pb2+ 的吸附去除效果显著。

(2) 海洋修复材料

人工鱼礁是人类为改善近海生态环境在海中设置的构造物。利用钢铁渣复合材料制造鱼礁既能满足耐腐蚀、可塑性强的特点,同时能够避免普通混凝土鱼礁原料成本高,内部碱性强不利于藻类附着及鱼类增殖的缺点 [43-45]。我国相关研究起步较国外晚 [43],但鞍钢及北京科技大学等单位的研究已取的良好的效果 [43-44]。

(3) 问题土地修复材料

我国有大面积以 Cl- 为主且含 SO42- 等多种离子的高含盐量盐渍土,工程建设时需对其处理,用固化剂固化盐渍土是重要的处理方法,钢铁粉固化剂既能吸收 Cl-,又能吸引 Na+ 进入硅酸盐骨架,进而减轻 Cl- 和 Na+ 对土壤的危害 [46-48]。

3.3 生产高附加值建材

(1) 矿棉板

矿渣棉是以高炉渣炉渣为主要原料(约 80% ~90%),加入白云石、萤石等成分,与焦炭燃料一起加热熔化后,采用喷吹或离心等方法制成的一种白色棉丝状矿物纤维。这样矿渣棉具有质轻、保温、隔声、隔热和防震等性能。矿渣棉可用作保温材料、吸音材料和防火材料等,用它加工的成品广泛用于冶金、机械、建筑、化工及交通等部门 [49]。

(2) 微晶玻璃

水淬高炉渣是具有很高潜在活性的玻璃体结构材料,且资源丰富,可用于制成炉渣微晶玻璃[50-53]。国外早在 20 世纪初期就开始了高炉渣微晶玻璃的开发研究,以高炉渣为主要原料,添加适当辅助原料,成功生产出性能优良的高炉渣微晶玻璃。近年来,我国加大了对高炉渣微晶玻璃的研究力度,一些高校、钢铁企业也成功试制了高炉渣微晶玻璃,高炉渣加人量达到 50% -95%,利用率较高,提高了高炉渣附加值,开发前景广阔。

(3) 透水砖

透水砖是一种新型的绿色环保建材,它具有良好渗水性及保水性,能有效缓解城市由于地面铺装覆盖不透水的路砖带来的“城市荒漠化”及“热岛效应”,有利于保持城市水平衡。钢铁渣在合的工艺下能够合成透水系数好,抗压强度高的水砖,该类砖既能有效改善城市排水,又有很强的经济性 [54-56]。

4 结 论

近年来我国积极探索钢铁渣综合利用技术,力争开发一些生产流程简单、成本较低、社会需求量大的新产品,使研究成果能得到普遍应用,最终朝着使钢铁渣元素价值最大化,生态效益显著化利用方向发展,综上可见:

(1) 中国、日本、德国、美国四国的钢铁渣主要用作基础建材生产。

(2) 日本、德国、美国均有部分钢铁渣用于农业应用产品,而我国在此方面还没有统计报道,因此钢铁渣应用在农业应用方面将会是我国一大发展方向。

(3) 开发生态修复产品、生产高附加值建材也是很有经济价值及环保意义的方向。钢铁渣在我国是一种尚未完全开发利用的资源,其综合利用不仅可以减轻环境负担,还能够创造可观的经济效益,是循环经济、可持续发展的必由路径,是钢铁企业创收、挖潜的必争环节。

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