鋼鐵行業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎產業(yè)，是建設現(xiàn)代化強國的重要支撐，也是我國制造業(yè)二氧化碳排放的重點行業(yè)。綠色低碳鋼鐵冶金全國重點實驗室前身為鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，依托北京科技大學于2011年經(jīng)科學技術部批準成立。2022年，以國家戰(zhàn)略需求為導向，圓滿完成國家重點實驗室重組任務，更名為綠色低碳鋼鐵冶金全國重點實驗室，成為首批進入新序列運行的全國重點實驗室。為此，世界金屬導報系統(tǒng)梳理了實驗室的最新技術進展，組織系列專題，加大成果宣傳、服務成果轉化，助力我國鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉型發(fā)展。
我國工業(yè)固廢年排放量約為40億噸，其中冶金、煤炭等行業(yè)排放的大宗固廢在全球占比超過一半。在人類工業(yè)發(fā)展史上，從未出現(xiàn)過如此大規(guī)模且高度集中的工業(yè)固廢排放現(xiàn)象。西方工業(yè)發(fā)達國家現(xiàn)有的相關技術難以滿足我國工業(yè)固廢利用的需求。因此，我國大宗工業(yè)固廢規(guī)?；贸蔀榱艘粋€既具有國內重大需求又具有世界性難度的課題，亟需通過自主創(chuàng)新尋求解決方案。 砂石骨料作為使用量最大的建材產品，在我國年使用量高達160億-200億噸。燒結陶粒作為一種替代天然砂石的人工骨料，其應用歷史已超過百年。在我國，諸如南京長江大橋、宜昌濱江國際花園住宅樓等重大工程中，燒結陶粒已得到廣泛應用。 現(xiàn)有陶粒主要采用回轉窯制備工藝，其產品以輕質保溫陶粒為主。然而，該工藝存在諸多不足：單線產能較低（年產能不足15萬噸）、燃耗較高（每噸產品需消耗60-100m3天然氣）以及成本高昂（每噸超過300元）。相比之下，天然砂石的價格僅為每立方米60-180元，遠低于人造陶粒的生產成本。因此，當前陶粒市場面臨市場容量有限（年需求量約1500萬噸）的困境。砂石骨料作為具有海量市場的建筑材料，是消納固廢潛力最大的領域?；剞D窯生產的輕質保溫陶粒遠不能滿足建材砂石骨料的需求。為避免繼續(xù)大規(guī)模開采天然砂石，從而保護綠水青山，中國迫切需要開發(fā)能夠大規(guī)模利用固廢、低成本生產人造砂石骨料的技術和裝備，以減少固廢對環(huán)境和社會的危害。 針對固廢陶粒在砂石市場應用中存在的焙燒成本高這一關鍵共性問題，北京科技大學綠色低碳鋼鐵冶金新技術全國重點實驗室的李宇教授團隊，在蒼大強教授和郭占成教授的指導下，創(chuàng)新性地將冶金行業(yè)成熟的高產能、低能耗球團帶式焙燒工藝（球團直徑8-16mm，單線產能達百萬噸級，噸產品燃耗低于20m3天然氣）應用于建材行業(yè)固廢陶粒的制備過程（如圖1所示）。該團隊在固廢陶粒移動靜料層焙燒技術理論、固廢陶粒帶式焙燒新工藝和新裝備，以及與產廢工業(yè)生產過程耦合聯(lián)產等方面進行了系統(tǒng)研究，并成功實現(xiàn)了技術轉化應用。 01 1.1 構建SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3高鈣高鐵新型陶粒組分體系，實現(xiàn)冶金固廢大摻量利用 針對冶金固廢如鋼渣、銅渣、赤泥、提鋅窯渣和污泥等，其含有50%-80%的CaO+Fe2O3+MgO組分，而傳統(tǒng)陶粒Reily相圖設計準則要求陶粒原料中的CaO、MgO、Fe2O3之和僅為20%，這顯著限制了高鈣高鐵冶金固廢在陶粒中的摻入量。為滿足大摻量利用冶金固廢的需求，技術團隊突破了傳統(tǒng)限制，構建了新型SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3的陶粒組分體系。研究結果表明，即使采用與傳統(tǒng)陶粒組分要求相差甚遠的配方，也能生產出符合標準的陶粒產品，實現(xiàn)了高鈣高鐵冶金固廢在陶粒中的大摻量應用。在工業(yè)化生產或中試試驗中，成功制備出力學性能和環(huán)境性能均合格的大摻量固廢陶粒。具體摻入量如下：鋼渣陶粒原料中鋼渣摻入量為40%-55%，赤泥陶粒原料中赤泥摻入量為50%-65%，銅渣陶粒原料中銅渣摻入量為70%-80%，提鋅窯渣陶粒原料中窯渣摻入量為60%-65%。 固廢陶粒料層在焙燒過程中僅隨臺車平動，不會出現(xiàn)回轉窯中的往復跌落現(xiàn)象，因此對陶粒生球強度的要求較低?；谶@一特點，研究團隊構建了協(xié)同利用多類固廢的全固廢或近全固廢陶粒配比設計原則，成功制備了全煤矸石陶粒、鋼渣-煤矸石-尾礦陶粒、鋼渣-污泥-尾礦陶粒、赤泥-氣化渣-渣土陶粒、赤泥-煤矸石陶粒、窯渣-粉煤灰-渣土陶粒等產品。 1.2 提出利用含熱值固廢的內熱陶粒制備及余熱梯級高效利用的節(jié)能降碳技術和理論 為了降低固廢陶粒帶式焙燒機的天然氣消耗量，結合冶金燒結礦和建材行業(yè)煤矸石燒結磚的內燃燒結特點，提出了基于含熱值陶粒靜料層內燃與帶式焙燒相結合的思路。具體而言，將帶式焙燒機的預熱帶作為內燃的脫碳燃燒段，從而實現(xiàn)點火后，陶粒自燃升溫至1000℃左右，再通過天然氣外燃提溫至陶粒燒成所需的溫度（1120-1150℃），如圖2所示。 該技術充分利用固廢陶粒自身的熱值，僅需補充少量燃料即可完成焙燒過程，使噸陶粒天然氣消耗降至15m3或更低，顯著降低了固廢陶粒骨料的制備成本。煤矸石燒結磚生坯所需熱值為300-350kcal/kg（以滿足自身內燃升溫至1000-1100℃的需求），而本技術應用帶式焙燒機靈活的風流調節(jié)系統(tǒng)，在燒結過程中能將陶粒中多余的熱量抽風排出，實現(xiàn)大量高溫煙氣的余熱回收和利用，突破了傳統(tǒng)高熱值固廢（400-1500kCal）難以大摻量制備建材的技術瓶頸。本技術使得進入焙燒機的生球熱值可提升至800kcal/kg甚至更高，拓展了對煤矸石、氣化渣、污泥等高熱值固廢原料的大摻量協(xié)同應用；同時，輸出的余熱可用于生產蒸汽和發(fā)電（屬于零碳產品），有效提高了系統(tǒng)熱效率，降低了成本，并減少了碳排放。 本技術研究和應用開創(chuàng)了大宗固廢利用的新模式，如圖3所示。該模式充分挖掘固廢陶粒制備過程中的多維價值，包括材料屬性（采用帶焙工藝）、能量屬性（梯級余熱利用）以及環(huán)保和降碳屬性（固廢處置利用等）。通過這一模式，不僅能獲得陶粒和余熱蒸汽/電力銷售的雙重收入，還能享受固廢處置等補貼。這使得固廢陶粒的成本得以降低至每立方米60元以下，從而確保了大宗固廢規(guī)模化利用在技術和經(jīng)濟上的可行性。 02 本研究團隊與企業(yè)合作，成功開發(fā)了固廢陶粒焙燒新裝備，并在山東煙臺建成了以當?shù)攸S金尾礦為主要原料的年產量10萬噸固廢陶粒焙燒生產線，如圖4所示。該生產線在利用黃金尾礦的同時，還摻入了含熱值的煤矸石或生物質，工序燃耗為每噸陶粒產品18m3天然氣。利用該工業(yè)化生產線，還開展了百噸級赤泥-煤矸石陶粒、煤矸石陶粒和銅渣陶粒的工業(yè)化生產試驗。試驗結果顯示，工序燃耗為每噸產品15-19m3天然氣，制備的固廢陶粒為高強陶粒，其堆積密度為900-1100kg/m3，筒壓強度為8.7-10.8MPa。 在陶粒的工程應用中，通過第三方測試數(shù)據(jù)表明，分別使用尾礦陶粒、赤泥陶粒和煤矸石陶粒替代混凝土中的天然石子，當尾礦陶粒替代C30混凝土中的石子比例達到60%-80%時，其力學性能優(yōu)于原混凝土；赤泥陶粒和煤矸石陶粒分別全部替代C30和C50混凝土中的石子，陶?；炷列阅芎细?，部分指標甚至略優(yōu)于原天然石子混凝土，如圖5所示。 03 3.1 將已有球團設備轉型升級為固廢規(guī)模化利用的綠色基地 將面臨淘汰的中小型鏈篦機-回轉窯及豎爐球團設備轉型改造為固廢陶粒生產設備，實現(xiàn)傳統(tǒng)冶金行業(yè)設備轉型進入到了國家鼓勵的綠色低碳領域的新賽道，這不僅避免小型球團設備關停壓力，還有望快速推動鋼鐵企業(yè)綠色轉型升級。 現(xiàn)有球團焙燒系統(tǒng)的混料、造粒、布料等設備均適用于現(xiàn)有陶粒制備，經(jīng)過簡單改造或工藝調整，即可實現(xiàn)固廢陶粒的生產。通過利用現(xiàn)有球團產線噴煤或燃用煤氣的燃耗成本優(yōu)勢，可形成陶粒較大的市場競爭優(yōu)勢。由于現(xiàn)有球團生產設備產能均達到十萬噸級到百萬噸級，因此可以快速構建固廢規(guī)模化低成本利用的有效途徑，形成城市或區(qū)域固廢循環(huán)利用基地，加速鋼鐵企業(yè)的綠色低碳發(fā)展。 3.2 推動實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)固廢不出廠 鋼鐵行業(yè)還存在鋼渣選鐵尾渣、粉煤灰、污泥、尾礦、脫硫灰和難利用塵泥等固廢亟需利用，制備陶粒骨料是實現(xiàn)這些固廢吃干榨凈的有效途徑。比如，在鋼鐵粉塵利用領域，含鋅粉塵采用回轉窯高溫提鋅后，剩余窯渣進一步經(jīng)過選鐵，會形成難以利用的尾渣。針對尾渣含硫較高的特點，借鑒冶金球團帶式焙燒系統(tǒng)，提出并建設了尾渣陶粒制備+煙氣循環(huán)富集氧化硫+次氧化鋅脫硫利用的6萬噸/年尾渣陶粒生產示范線，實現(xiàn)了塵泥中尾渣及其硫元素的全組分利用，如圖6所示。 3.3 促進跨行業(yè)的物質流和能量流耦合發(fā)展 百萬噸級固廢規(guī)模化利用產線將制備人造砂石骨料和副產綠色零碳的余熱蒸汽或電力，而砂石骨料作為最常用的建材產品，可以帶動下游混凝土攪拌站、裝配式建筑、多孔陶粒濾料、建筑陶瓷、生態(tài)修復等產業(yè)的發(fā)展；同時余熱利用帶動能源利用企業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)節(jié)能降碳。 比如，在氧化鋁生產行業(yè)有赤泥規(guī)模化利用以及使用大量蒸汽的需求。技術團隊提出了在赤泥漿體中摻入含熱值固廢輔料進行濕法調質壓濾擠出制備陶粒生球赤泥生球焙燒制備陶粒骨料并副產余熱蒸汽陶粒骨料用于替代砂石且蒸汽返回氧化鋁提取流程的耦合聯(lián)產思路，并已通過技術驗證其可行性。 以上研究成果發(fā)表SCI等科研論文20余篇，形成具有自主知識產權的專利體系（10余件中國授權發(fā)明專利，1件美國授權國際專利），制定相關團體標準2項；已建成兩條工業(yè)化生產線，入選了工信部等四部委《國家工業(yè)資源綜合利用先進適用工藝技術設備目錄》，并應用于年產1000萬噸煤矸石綜合利用項目和年產10萬噸煤化工園區(qū)氣化渣綜合利用項目建設等。研究成果的推廣應用力爭為冶金行業(yè)綠色低碳發(fā)展及工業(yè)固廢規(guī)?；瞄_辟一條新的有效途徑。
