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欧洲钢铁行业固体废弃物资源化利用计划（第三部分）

绿色低碳是世界钢铁行业重要发展主题之一，全面脱碳将是世界钢铁行业面临的巨大挑战。近年来，欧美等许多国家都投入大量资金，支持本国钢铁企业“迈向绿色未来”。为了解欧美钢铁行业应对可持续发展的举措，世界金属指南组织了“欧美钢铁行业绿色发展”专题，为国内钢铁行业绿色低碳发展提供参考。

钢铁固体废弃物资源化利用

3.4 矿渣资源化利用

矿渣资源化技术可以有效利用矿渣作为二次资源，这不仅对钢铁行业具有重要意义，而且对建筑或水泥等其他行业也具有重要意义。

湿法和干法造粒技术用于将炼钢渣转化为二次原料。湿法造粒的渣具有快速冷却和高产量的特点，但需要水处理。干法造粒的渣可以消除废水的产生并降低成本，还可以回收热量，但在流速方面有一定的限制。针对电炉 (EAF) 渣或钢包 (LF) 渣的特定造粒需求，存在不同的干法造粒解决方案。为了生产出可以作为水泥行业二次资源的矿产品，渣的冷却和造粒至关重要，因为固化颗粒必须具有一定的玻璃含量，才能在固化过程中引发水泥水化反应。

第一个高炉矿渣干法造粒 (DSG) 概念由放置在带有水冷壁的反应器中的旋转盘操作，见图 7。通过旋转原理实现颗粒形成。空气在造粒机底部形成流化床状态，凝固并冷却其产品。通过 DSG 工艺生产的高炉矿渣颗粒表面光滑，其水泥水化性质（抗压强度和水化热）与湿矿渣颗粒相似。DSG 工艺已在实验条件下进行了测试，矿渣流速高达 1 吨/分钟，并且可以通过蒸汽生成从高炉矿渣中回收热量。该技术处于预商业化状态。

电炉渣和钢包渣干法造粒的第二个概念是基于空气吹扫，以避免热熔渣与需要大量维护的金属或耐火部件接触。FeO（电炉渣）或 CaF2 的存在会干扰非晶相的形成，而快速冷却反而会促进非晶相的形成。二元碱度指数 2 对非晶相的形成影响不大。因此，可以通过冷却速度来控制粒状材料的非晶含量。这对于矿渣的潜在水化特性至关重要，例如，作为水泥生产的二次添加剂。采用强制空气喷射概念的干法造粒厂的布局：在预计矿渣会凝固的距离处设置筛网，并收集产品。产品的最终特性，尤其是非晶含量的比例，可以通过选择合适的气渣比 (GSR) 和鼓风机出口与筛网之间的距离来调整。

根据欧盟成员国的立法，BOF 炉渣有不同的用途。例如，在意大利，正在研究将 BOF 炉渣用于农业用途的土壤。意大利沿海土壤通常富含碱性物质，由于沿海含水层的侵入和盐水灌溉，可能含有过量的钠。使用土柱和渗滤计测试评估了 BOF 炉渣作为土壤改良剂的潜力。结果表明，BOF 炉渣对所研究的土壤有积极影响，通过增加土壤的阳离子交换能力来改善土壤的养分保留。

通过蒸渗仪试验评估了转炉渣对番茄生长的影响。研究表明，由于转炉渣提供的钙离子竞争土壤中的吸附位点，导致钠离子被取代，番茄产量得到提高。与其他化学品（如石膏）相比，在农业中使用转炉渣可以减少自然资源的开采，降低成本，并节省其他能源和资源，如采矿活动中的能源和水消耗。

电弧炉渣还可用作不同应用领域的资源，例如水泥和混凝土骨料或喷砂材料。必须开发新的应用领域，以增加电弧炉在欧洲钢铁生产中的份额。前些年，在研究电弧炉渣在水泥工业中的应用时，由于需要太多能源和大量处理剂，这种可能性受到了限制。基于DRI的电弧炉渣具有与其他电弧炉渣不同的特性，例如铬含量较低，这为在目前仅限于高铬炉渣的领域使用电弧炉渣开辟了机会。未来的研究计划将侧重于开辟新的市场领域，并探索实施具有成本效益的电弧炉渣处理技术所需的标准化措施和经济条件。钢铁行业与其他目标行业（水泥、化肥等）之间的密切合作是不可避免的。

原料灵活性将是未来钢铁生产的重要问题。原料来源的变化（不同等级的烧结矿、球团和废钢、热团块等）将对未来的工厂设计产生影响。值得一提的是，虽然使用绿色氢气是炼钢过程中脱碳的重要方法，但直接还原装置与电炉的结合将面临两大限制：第一，使用高品位的铁矿石球团生产DRI；第二，炉渣成分与目前的电炉炉渣相似，因此销售能力有限。

第一个限制因素是高品位 DRI 球团的利用，这主要是由于电弧炉每炉只能管理和处理有限量的炉渣。这是因为它是一种针对废钢的快速批量熔化而优化的技术，而不是像高炉那样针对连续处理大量金属和炉渣而优化的技术。不同的研究表明，由于可用的矿石类型不同，高品位 DRI 球团稀缺，这些球团等级不足以满足全球生产需求。因此，炼钢工艺的“绿色解决方案”必须能够处理普通高炉品位矿石（脉石含量较高），以生产脉石含量较高的 DRI。

使用OSBF（开放式渣池炉）代替传统的电炉，可以在使用100％氢气作为还原气的情况下生产具有一定碳百分比的铁矿石。OSBF技术在铁合金行业已经应用了很长时间。OSBF具有与高炉相同的长期连续运行能力，但灵活性更高（可以打开和关闭）并可以运行连续工艺。DRI单元和OSBF可以耦合并作为一个单元运行，或者在两个单元之一的维护期间它们可以单独运行。

除了生产 DRI 外，采用 OSBF 工艺的 DRI 装置还生产出质量相当于或优于高炉矿渣的矿渣，这种矿渣可回收用于混凝土、水泥、砂浆或骨料。OSBF 矿渣的硫和磷含量比高炉矿渣低得多（这些元素从冶金焦炭转移到高炉中的矿渣和铁水中，而未在 DRI 装置中使用）。该工艺使 100% DRI 装料的熔炉能够生产出高质量的铁水，以及化学/物理性质与高炉矿渣相同的矿渣，使其完全适用于水泥和混凝土生产。加拿大正在建设带有 DRI 装置的天元废料厂，其他国家也有相关研究项目。

钢包渣是在二次冶炼过程中产生的，是另一种可重复利用以实现 CE 概念的宝贵资源。钢包渣有不同的资源解决方案。它用作钢厂电炉的原料，可以替代外部石灰用于水泥生产和道路建设。目前，欧盟内部也使用填埋场作为最后一步。钢包渣利用面临的挑战涉及立法、技术、生产率、市场和经济方面。例如，技术挑战包括体积不稳定、挥发性成分和开裂，尤其是钢包渣中游离氧化钙含量的不稳定性。考虑到区域视角，提出了基于单个钢铁公司的钢包渣价值链新框架。

例如，钢包渣通过石灰生产工艺进行处理。在石灰生产过程中，钢包渣不能以可接受的状态使用，因此需要预处理阶段。根据钢包渣的最终用途，预处理阶段可以在钢厂、石灰厂或由外部参与者进行。预处理的钢包渣随后可用于现有生产阶段或新产品的生产。石灰厂生产的石灰可用于农业和道路建设；熟石灰可用于建筑和玻璃制造；粒状石灰石可用作骨料和砾石等。

非钢产业二次资源

初级炼钢中替代还原剂和碳替代是非钢行业作为钢铁行业重要合作伙伴的应用领域。废塑料经常被用作高炉工艺中的替代还原剂。废塑料气化生产合成气是一种可行的方法，产生的合成气可以部分替代冶金焦炭和煤粉。

相关研究表明，每标准立方米合成气可替代约0.18公斤（焦炭+煤粉）。也可以将废塑料直接喷入高炉，而无需事先进行气化。来自生活垃圾和汽车粉碎机残渣（ASR）的致密化和预处理废塑料（颗粒、粒度）

非钢铁行业的二次资源也可用于电弧炉。在 RFCS 项目“回收工业和城市废物作为电炉渣发泡剂”的框架内，将压块的 ASR 碎片（长度约为 3-5 毫米）通过篮子装入电弧炉。在电弧炉篮子装料中使用聚合物可以替代碳，但需要在篮子中均匀分布，以避免可能发生的、不受控制的快速反应。在意大利、、i.Blu、Rina-CSM 和之间的合作研究项目 RFCS“用塑料残渣中的聚合物替代电炉中的化石燃料”中，开发并测试了一种工业规模的电弧炉聚合物注入系统，该系统可以有效利用废塑料，实现良好的工艺稳定性和炉渣发泡效果。由于材料密度较低、反应性较高，再加上注入技术和控制系统的发展，在电弧炉中注入聚合物作为煤的替代品需要一种替代传统碳氧枪的方法。 此外，废弃的碳纤维增强聚合物（CFRP）可用作电弧炉工艺中的替代碳质还原剂。

回收非钢铁行业残余物的另一种方法是再利用废弃耐火材料。例如，电炉镁碳砖、钢包高铝砖和连铸等静压砖均可作为耐火材料修复的来源。在欧盟资助的两个项目“5R方法下的耐火材料系统和整体资源化”（；由欧盟LIFE金融工具共同资助）和“钢包废弃耐火砖管理”（E-CO-；由RFCS资助）中，开发了几种潜在应用（基于镁基和氧化铝基废弃耐火材料）；同时，对电炉喷补和钢包环用耐火材料进行了测试，回收率在65%至70%之间。

供应链分析和产业共生的实际应用

“共生”一词通常与自然界中的关系有关，即两个或多个物种以互利的方式交换材料、能量或信息。工业共生是一种中介形式，它将来自不同工业部门的公司聚集在一起，合作创新，利用一家公司的废弃物作为另一家公司的原材料，以改进业务流程。非钢铁行业的资源利用也遵循工业共生（行业耦合）的理念。

工业共生是欧盟资助项目（H2020 SPIRE 计划）的重点。通过促进长期工业共生，将创造新的价值链关系。该项目将研究三个工业应用案例。在意大利布雷西亚的案例中（见图 8），一家钢铁生产商、一家铸造厂和一家铝业合作伙伴正在合作从废物中回收金属部件，同时评估将残渣用作二次原料。此外，还将研究使用生物炭作为碳替代品，并分析废热利用的潜力。

当前技术发展现状及未来挑战

技术就绪水平 (TRL) 是一种常用方法，用于跟踪分阶段项目中技术开发的成熟度状态并相互比较技术。作为欧盟 2020 计划的一部分，TRL 等级是针对资助的研究项目确定的，包括以下阶段：

TRL1 - 应遵循的基本原则；TRL2 - 已开发的技术概念；TRL3 - 概念的实验验证；TRL4 - 实验室验证的技术；TRL5 - 在相关环境中验证的技术（关键使能技术下的工业相关环境）；TRL6 - 在相关环境中展示的技术（关键使能技术下的工业相关环境）；TRL7 - 在系统原型操作环境中的演示；TRL8 - 完整的系统鉴定；TRL9 - 在操作环境中演示的实际系统（关键使能技术下的竞争性制造）。

表2总结了上述技术的发展加拿大对废钢回收的要求，特别强调了技术的成熟度，并指出了未来研究的主要挑战。

欧洲清洁钢铁伙伴关系中的循环经济

钢铁行业在循环经济中扮演着重要的角色。在结构完善的循环经济中，钢铁的竞争优势更加明显。世界钢铁协会用四个R来定义这些优势：减少（）、再利用（Reuse）、再制造（）和再循环（）。

减量是指减少​​炼钢所用的原材料、能源和其他资源的数量，并减轻钢材的重量。再利用是指再次使用物体或材料加拿大对废钢回收的要求，无论是用于原始用途还是用于类似用途，而不显著改变物体或材料的物理形态。再制造是指将耐用的废钢产品恢复到像新品一样的状态的过程。最后，回收是指在废钢使用寿命结束时将其熔化以制造新钢，回收会改变废钢的物理形态以创造全新的用途。

在欧洲钢铁技术平台（ESTEP）“循环经济”焦点小组组织的技术研讨会“钢铁工业废弃物资源化——打造更清洁、更具竞争力的欧洲未来的可持续解决方案”上，介绍了可能的技术解决方案，并讨论了符合循环经济和欧洲绿色协议中规定的总体目标的行动计划。

欧盟正在进行的研究计划与清洁钢铁伙伴关系（CSP）路线图相一致。CSP 是欧洲钢铁行业公私合作伙伴关系，由欧洲钢铁协会（）和 ESTEP 牵头，旨在确定减少二氧化碳排放的技术路径，包括直接碳避免（CDA）、智能碳利用（SCU）和循环经济（CE）。CSP 的目标是开发技术就绪水平（TRL）8 的技术，使欧盟钢铁生产产生的二氧化碳排放量与 1990 年的水平相比减少 80%-95%，最终实现气候中和。在 CSP 路线图中，支持实现 CSP 目标的研发活动分为 2 个级别、6 个干预领域（AoI）和 12 个特定构建模块（BB）。

上述技术路径包括CDA、SCU和CE，代表了6个干预领域中的4个。CDA是指使用氢气或可再生“绿色”电力生产钢铁。SCU分为两个子组件：CCUS（碳捕获、利用和储存）和PI（工艺集成）。CCU（碳捕获、利用）包括使用钢铁厂气体或烟气中的一氧化碳和二氧化碳作为原料生产或集成到有价值产品的技术。PI可以减少用于长流程和短流程钢铁生产的化石燃料（煤炭、天然气等），从而减少二氧化碳排放。除了CE之外，另一个干预领域是推动因素，其中包括将人工智能和数字解决方案等技术集成到工业生产中。开发用于监测和控制钢铁生产过程的新测量技术和数字工具、新的预测和动态模型以及战略调度工具是确保规划、评估和优化钢铁行业向气候中和转型过程的推动因素。 最后一个干预领域（在图 9 中表示为“组合”）确定了不同途径相互作用的研究计划。

对上述干预领域做出贡献的研发活动集中在 12 个技术 BB 和/或它们的组合中，如表 3 所示。

BB 1 是指向高炉和电炉喷吹天然气、焦炉煤气、转炉煤气或富氢气体的技术，这些技术可以显著减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放。除了向高炉、直接还原装置和电炉喷吹的新工艺技术外，BB 1 还包括兼顾工艺要求、安全问题和经济方面的新控制技术。

BB 2 包括与使用氢气、可再生能源或生物质的金属还原工艺相关的研发和创新活动。然而，使用大量氢气的直接还原是关键组成部分。工艺条件对直接还原铁性能和下游工艺的影响也被考虑为 BB 2 的一部分。

BB 3 包括冶炼不同碳含量的含铁原料和金属化技术，包括低品位铁基原料。此外，还展示了新的还原工艺技术，通过预还原或还原冶炼氢气、沼气、低二氧化碳电力和含碳残渣以替代废料，从低价值残渣中回收金属成分。

BB 4 涉及研发和创新活动，以使当今综合钢铁厂的能源和材料循环适应新的和替代的熔炼还原工艺。重点是转向气候中性的钢铁生产，这有助于减少二氧化碳排放量。灵活和模块化的加热概念以及用于立即减少工业层面二氧化碳排放量的技术和工具也是该 BB 的一部分。技术和规划工具也被考虑用于支持工业层面脱碳的下一步行动。

BB 6 涉及钢铁生产最重要的两种原材料，铁矿石和废钢，目标是生产出最优质的钢铁产品，同时减少二氧化碳排放。铁矿石可以使用低碳技术进行升级。废钢可以根据不同的质量标准进行分类，同时优化废钢装料以生产出高质量的钢材。

BB 9 涵盖了有助于实现二氧化碳减排的三个基本主题。第一个主题涉及低价值废料的升级和从废料中回收某些有色金属碎片；第二个主题是材料回收，从金属氧化物中回收金属并提高钢铁产量；第三个主题是残渣回收，重点是残渣在其他工业领域的使用。

BB 10 解决了钢铁生产脱碳中的数字化、循环经济和可持续性要求。这确保了钢铁生产链在新的技术和组织边界条件下的可持续生产。在数字化方面，活动将确保充分利用人工智能和机器学习等最新技术的潜力，还将考虑这些技术所需的系统因素，以确保它们在工业生产中的经济应用。表 4 说明了循环经济相关活动与 CSP 路线图 BB 之间的联系。

世界金属通报

2024年第7期 B14, B15