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碳中和背景下钢铁固废综合利用发展建议

2023-12-17 52 上传者：管理员

摘要：分析了钢铁行业主要固废产生与利用现状，基于现有钢铁固废综合利用技术路径，对高炉渣、钢渣、含铁尘泥综合利用的加工过程能耗、碳排放及资源化利用节能减碳效果进行详细对比分析，发现不同综合利用技术的能耗和碳排放差异较大。在碳中和背景下，未来钢铁固废综合利用应以低能耗、低资源投入、高产出为目标，研发推广绿色低碳综合利用技术和产品，实现加工过程能耗降低、显热资源回收及资源化产品的下游行业应用，提升钢铁固废综合利用的减污降碳水平。

关键词：
碳中和
综合利用
绿色低碳
资源化
钢铁固废
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为应对全球温室气体排放持续上升形势，2020年9月，习近平总书记提出了“30、60目标”，即2030年前实现碳达峰，力争2060年前实现碳中和。为此，我国将构建目标明确、分工合理、措施有力、衔接有序的碳达峰、碳中和“1+N”政策体系。其中，“循环经济助力降碳行动”成为低碳政策体系中的重要组成部分，也是我国生态文明建设的内在要求。

我国是世界最大产钢国，2021年粗钢产量10.35亿吨，占全球钢产量的53%。钢铁工业属于能源、资源密集型产业，随着钢铁产量持续保持高位，对应主要工业固体废物产生总量达到峰值区间。钢铁生产过程的固废主要包括高炉渣、钢渣、含铁尘泥等，具有明显的资源特性和回收利用价值。开展固废资源化涉及到的加工过程会消耗各类一次、二次能源，但同时各类固废及产品也能够实现减少或替代原生资源消耗、固化二氧化碳和回收二次能源等目标。因此，钢铁固废综合利用对于钢铁行业绿色低碳循环发展、实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。

一、我国钢铁固废产生与利用现状

根据中国钢铁工业协会统计数据，2022年我国重点统计钢铁企业工业固废产生总量约3.59亿吨，比2021年下降0.6%，主要是由于国内钢铁产量下降导致固废产生量的降低。从资源化角度分析，主要工业固体废弃物综合利用率持续保持在较高水平，其中高炉渣利用率、钢渣利用率、含铁尘泥利用率分别为99.3%、98.6%、99.5%。2020年下半年国家出台新《固废法》后，钢铁企业提高了对工业固废资源综合利用的认识，规范化管理水平提高。尤其是重点企业更加积极开展资源综合利用项目建设和实施绿色转型升级发展，综合利用率指标持续保持在较高水平。

二、钢铁固废利用流程分析

从钢铁固废产生来源种类、加工过程及下游资源化利用角度对利用流程进行分析（见图1），固废主要包括高炉渣、钢渣、含铁尘泥三大类，其中高炉渣、钢渣为高温熔融渣，含有大量显热资源可供回收利用，余热回收利用潜力大。对于难以直接利用的固废需加工为符合相关标准的产品才能够资源化，此过程需消耗一定能源，但固废加工产品在下游应用过程中可以替代相关原生资源消耗，进而间接减少原生资源开采加工过程的碳排放。

图1 钢铁固废利用流程分析

基于固废特性及综合利用技术能源消耗特征，钢铁固废综合利用技术研发应考虑二次能源回收减碳、加工过程节能降碳及资源化产品协同降碳3个方面，其核心在于以最低的能源资源消耗实现固废资源化，并且相关资源化产品可以替代相关行业高耗能原料/产品，促进钢铁固废综合利用产业绿色低碳发展，达到减污降碳、协同增效的目标[1]。

三、钢铁固废综合利用技术碳排放比较分析

近年来，在钢铁固废综合利用方面，已开发出针对高炉渣、钢渣、含铁尘泥等固废的多种综合利用技术，并在钢铁行业中得到推广应用，持续提升了钢铁行业固废综合利用水平。由于针对各类固废的综合利用技术路线差异较大，其加工利用过程、资源化利用能源消耗、降碳潜力效果均存在较大差异。

——高炉渣综合利用。国内高炉渣综合利用技术主要有生产矿渣微粉和热熔渣制矿棉两大技术路径。目前，生产矿渣微粉技术已成为主流技术。该技术生产的产品性能好，下游行业认可度较高，可作为良好的胶凝材料广泛应用于建材行业。从碳排放角度分析，矿渣微粉加工过程涉及粉磨电耗、烘干选粉过程燃料消耗等造成的碳排放，但产品可以作为水泥优质混合材，减少高耗能水泥熟料使用，实现与建材产业协同降碳。热熔渣制矿棉技术在宝钢、太钢、南钢等企业得到应用，但由于生产能耗高、矿棉产品质量低，其在建筑领域应用比例较低、产量规模小[2]。从碳排放角度分析，该技术要求熔渣温度高达1 300℃～1 450℃，加热过程消耗电或燃气等能源，生产矿棉板固化过程还需要消耗燃气，能源消耗明显高于生产矿渣微粉，但矿渣棉产品由于利用热态渣显热，相比于冲天炉生产工艺仍更具有低碳优势。高炉渣基本采用水淬渣工艺冷却，未能回收高温熔渣的显热资源，若采用干法粒化及余热回收技术，显热回收率预计可以达到60%，每吨熔渣热回收量达0.96 GJ，对于炼铁工序节能减排具有重要意义[3]。

——钢渣综合利用。钢渣综合利用分为原渣的热焖磁选和尾渣综合利用2个部分，原渣焖渣及破碎磁选回收渣钢铁已在行业中被普遍推广应用，吨渣回收渣钢铁比例为10%～20%，金属铁资源得到高效回收和循环利用。钢渣余热回收主要是在焖渣过程中对其产生的热水或蒸汽进行回收，作为冬季供暖热源或用于生产热水。钢渣尾渣综合利用方向主要是生产钢渣微粉、道路用骨料、免烧砖、水泥熟料用原料等。从碳排放角度分析，钢渣尾渣的深加工过程消耗电力、煤气等能源会产生碳排放，同时，产品可以作为绿色低碳建材至下游行业应用，减少相关产品生产用的原生资源消耗，实现产业链协同降碳。例如，钢渣若替代15%左右的石灰石原料生产水泥，单位水泥二氧化碳排放量将比常规生产减少10%。由于钢渣中氧化钙质量分数高达40%以上，f-Ca O质量分数为0%～10%，具有较大的固碳潜力，成为科研院所研究的热点方向。实验室研究表明，采用冷态钢渣直接固碳技术，碳酸化转化率可达到90%以上，每吨钢渣固碳量可达到290 kg CO2[4]。

——含铁尘泥综合利用。含铁尘泥综合利用包括返烧结循环利用、冷固球团工艺、回转窑火法工艺、转底炉火法工艺等，对于不含有害元素的含铁除尘灰、含铁污泥等采用返烧结循环利用方式和冷固球团工艺能够以最低能源消耗实现循环利用。火法工艺主要针对含锌固废脱除有害元素，并生产金属化含铁物料，从碳排放角度分析，该工艺生产过程消耗大量电力、焦粉或煤、煤气等能源产生碳排放，但回收的锌产品及金属化含铁物料可以分别作为有色冶金、钢铁冶炼用原料，替代含锌矿石、铁矿石资源，减少相关资源的开发和消耗[5,6]。

综上，针对典型钢铁固废利用技术能源消耗及碳排放情况进行分析，结果见表1，可以发现不同技术对应的加工过程能源消耗及碳排放数据不同，且差别较大，主要是由于国内固废综合利用技术的选择是根据市场需求、技术适用性和经济性决定的。

表1 钢铁固废加工过程各工艺类别能源消耗分析

进一步对不同综合利用技术的节能减碳潜力进行分析，结果见表2。在碳中和目标下，固废加工过程中的碳排放和综合利用产品的上下游产业协同降碳，将成为钢铁固废综合利用技术路线选择的重要指标。

表2 钢铁固废综合利用节能减碳效果分析

四、钢铁固废低碳循环利用发展建议

在当前“双碳”背景下，钢铁固废利用不仅要契合“绿水青山就是金山银山”的生态环保理念，还要与“绿色低碳循环”理念相结合，通过节能低碳、技术创新、产品推广、多产业协同创新等推动钢铁固废低碳循环利用，具体建议如下：

第一，推广应用低能耗、低资源消耗的综合利用技术与装备。推动高炉渣深加工绿色生产，提升技术装备水平，开发利用钢厂内高温烟气或生物质资源作为能源来源，降低二氧化碳排放；优化含铁尘泥全厂流向及分配，以“优质优用”为原则，充分利用高炉、炼钢转炉等高温装备消纳功能，减少返烧结冶炼利用的能源消耗，如冷固球团至转炉循环利用等。加大高炉渣高温显热回收利用技术和高附加值的炉渣产品研发，解决余热回收和炉渣综合利用2个难题。

第二，加大钢铁固废绿色产品研发与推广应用。从全生命周期角度考虑固废新型建筑材料与传统水泥材料对环境的影响，大力推广以高炉渣、钢渣、脱硫石膏等为原料生产的新型建材产品的开发，减少原生资源的开发利用和碳排放。加大固废产品推广力度，在政府绿色采购、绿色生活创建、绿色建筑、乡村建设等方面加大综合利用产品的应用和推广，逐步形成综合利用产品安全、可靠、环保和耐用的应用氛围。

第三，钢渣固碳技术属于前沿性研发课题，初步形成冷态钢渣直接固碳、冷态钢铁间接固碳和热态钢渣直接固碳3条技术路径，技术开发应重点考虑固碳过程需投入的能源消耗，避免出现新增能源消耗产生的碳排放大于固碳量问题。未来技术研发任务是以低能源投入实现钢渣高固碳量，并研发新型钢渣固碳产品，实现钢渣低碳化、规模化、高值化利用。

第四，构建钢铁与建材、交通、有色金属冶炼等行业绿色低碳产业生态链，打破行业壁垒，鼓励多产业协同利用，推动钢铁固废及资源化产品在下游行业的高效应用。联合上下游企业、科研院所建立健全相关综合利用标准体系，为跨行业、跨产业循环利用提供标准支撑。

参考文献:

[1]李建永,白亚通,刁书磊,等.全固废胶凝材料在预应力孔道压浆材料中的应用[J].山东化工,2020,49(10).

[2]曲余玲,栾丽平.高炉渣制取矿棉产品工艺及在钢铁企业的应用[J].鞍钢技术,2017(5).

[3]齐渊洪,干磊,王海风,等.高炉熔渣余热回收技术发展过程及趋势[J].钢铁,2012,47(4).

[4]张书繁,程星星,王鲁元,等.碳中和背景下的钢渣碳酸化固碳路径研究[J].华电技术,2021(6).

[5]徐春阳,周军民,徐文婧.回转窑处理高炉瓦斯灰的生产试验和分析[J].中国冶金,2015, 25(11).

[6]彭程,范建峰.宝钢转底炉工艺技术发展[J].钢铁,2019(2).

基金资助:国家重点研发计划资助项目(2020YFC1910005);

文章来源:员晓,孙泽辉,彭锋.碳中和背景下钢铁固废综合利用发展建议[J].冶金经济与管理,2023(06):9-11.