钢铁行业是国民经济的重要基础产业，是建设现代化强国的重要支撑，也是我国制造业二氧化碳排放的重点行业。绿色低碳钢铁冶金全国重点实验室前身为钢铁冶金新技术国家重点实验室，依托北京科技大学于2011年经科学技术部批准成立。2022年，以国家战略需求为导向，圆满完成国家重点实验室重组任务，更名为绿色低碳钢铁冶金全国重点实验室，成为首批进入新序列运行的全国重点实验室。为此，世界金属导报系统梳理了实验室的最新技术进展，组织系列专题，加大成果宣传、服务成果转化，助力我国钢铁行业绿色低碳转型发展。
我国工业固废年排放量约为40亿吨，其中冶金、煤炭等行业排放的大宗固废在全球占比超过一半。在人类工业发展史上，从未出现过如此大规模且高度集中的工业固废排放现象。西方工业发达国家现有的相关技术难以满足我国工业固废利用的需求。因此，我国大宗工业固废规模化利用成为了一个既具有国内重大需求又具有世界性难度的课题，亟需通过自主创新寻求解决方案。 砂石骨料作为使用量最大的建材产品，在我国年使用量高达160亿-200亿吨。烧结陶粒作为一种替代天然砂石的人工骨料，其应用历史已超过百年。在我国，诸如南京长江大桥、宜昌滨江国际花园住宅楼等重大工程中，烧结陶粒已得到广泛应用。 现有陶粒主要采用回转窑制备工艺，其产品以轻质保温陶粒为主。然而，该工艺存在诸多不足：单线产能较低（年产能不足15万吨）、燃耗较高（每吨产品需消耗60-100m³天然气）以及成本高昂（每吨超过300元）。相比之下，天然砂石的价格仅为每立方米60-180元，远低于人造陶粒的生产成本。因此，当前陶粒市场面临市场容量有限（年需求量约1500万吨）的困境。砂石骨料作为具有海量市场的建筑材料，是消纳固废潜力最大的领域。回转窑生产的轻质保温陶粒远不能满足建材砂石骨料的需求。为避免继续大规模开采天然砂石，从而保护绿水青山，中国迫切需要开发能够大规模利用固废、低成本生产人造砂石骨料的技术和装备，以减少固废对环境和社会的危害。 针对固废陶粒在砂石市场应用中存在的焙烧成本高这一关键共性问题，北京科技大学绿色低碳钢铁冶金新技术全国重点实验室的李宇教授团队，在苍大强教授和郭占成教授的指导下，创新性地将冶金行业成熟的高产能、低能耗球团带式焙烧工艺（球团直径8-16mm，单线产能达百万吨级，吨产品燃耗低于20m3天然气）应用于建材行业固废陶粒的制备过程（如图1所示）。该团队在固废陶粒移动静料层焙烧技术理论、固废陶粒带式焙烧新工艺和新装备，以及与产废工业生产过程耦合联产等方面进行了系统研究，并成功实现了技术转化应用。 01 1.1 构建SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3高钙高铁新型陶粒组分体系，实现冶金固废大掺量利用 针对冶金固废如钢渣、铜渣、赤泥、提锌窑渣和污泥等，其含有50%-80%的CaO+Fe2O3+MgO组分，而传统陶粒Reily相图设计准则要求陶粒原料中的CaO、MgO、Fe2O3之和仅为20%，这显著限制了高钙高铁冶金固废在陶粒中的掺入量。为满足大掺量利用冶金固废的需求，技术团队突破了传统限制，构建了新型SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3的陶粒组分体系。研究结果表明，即使采用与传统陶粒组分要求相差甚远的配方，也能生产出符合标准的陶粒产品，实现了高钙高铁冶金固废在陶粒中的大掺量应用。在工业化生产或中试试验中，成功制备出力学性能和环境性能均合格的大掺量固废陶粒。具体掺入量如下：钢渣陶粒原料中钢渣掺入量为40%-55%，赤泥陶粒原料中赤泥掺入量为50%-65%，铜渣陶粒原料中铜渣掺入量为70%-80%，提锌窑渣陶粒原料中窑渣掺入量为60%-65%。 固废陶粒料层在焙烧过程中仅随台车平动，不会出现回转窑中的往复跌落现象，因此对陶粒生球强度的要求较低。基于这一特点，研究团队构建了协同利用多类固废的全固废或近全固废陶粒配比设计原则，成功制备了全煤矸石陶粒、钢渣-煤矸石-尾矿陶粒、钢渣-污泥-尾矿陶粒、赤泥-气化渣-渣土陶粒、赤泥-煤矸石陶粒、窑渣-粉煤灰-渣土陶粒等产品。 1.2 提出利用含热值固废的内热陶粒制备及余热梯级高效利用的节能降碳技术和理论 为了降低固废陶粒带式焙烧机的天然气消耗量，结合冶金烧结矿和建材行业煤矸石烧结砖的内燃烧结特点，提出了基于含热值陶粒静料层内燃与带式焙烧相结合的思路。具体而言，将带式焙烧机的预热带作为内燃的脱碳燃烧段，从而实现点火后，陶粒自燃升温至1000℃左右，再通过天然气外燃提温至陶粒烧成所需的温度（1120-1150℃），如图2所示。 该技术充分利用固废陶粒自身的热值，仅需补充少量燃料即可完成焙烧过程，使吨陶粒天然气消耗降至15m3或更低，显著降低了固废陶粒骨料的制备成本。煤矸石烧结砖生坯所需热值为300-350kcal/kg（以满足自身内燃升温至1000-1100℃的需求），而本技术应用带式焙烧机灵活的风流调节系统，在烧结过程中能将陶粒中多余的热量抽风排出，实现大量高温烟气的余热回收和利用，突破了传统高热值固废（400-1500kCal）难以大掺量制备建材的技术瓶颈。本技术使得进入焙烧机的生球热值可提升至800kcal/kg甚至更高，拓展了对煤矸石、气化渣、污泥等高热值固废原料的大掺量协同应用；同时，输出的余热可用于生产蒸汽和发电（属于零碳产品），有效提高了系统热效率，降低了成本，并减少了碳排放。 本技术研究和应用开创了大宗固废利用的新模式，如图3所示。该模式充分挖掘固废陶粒制备过程中的多维价值，包括材料属性（采用带焙工艺）、能量属性（梯级余热利用）以及环保和降碳属性（固废处置利用等）。通过这一模式，不仅能获得陶粒和余热蒸汽/电力销售的双重收入，还能享受固废处置等补贴。这使得固废陶粒的成本得以降低至每立方米60元以下，从而确保了大宗固废规模化利用在技术和经济上的可行性。 02 本研究团队与企业合作，成功开发了固废陶粒焙烧新装备，并在山东烟台建成了以当地黄金尾矿为主要原料的年产量10万吨固废陶粒焙烧生产线，如图4所示。该生产线在利用黄金尾矿的同时，还掺入了含热值的煤矸石或生物质，工序燃耗为每吨陶粒产品18m3天然气。利用该工业化生产线，还开展了百吨级赤泥-煤矸石陶粒、煤矸石陶粒和铜渣陶粒的工业化生产试验。试验结果显示，工序燃耗为每吨产品15-19m³天然气，制备的固废陶粒为高强陶粒，其堆积密度为900-1100kg/m3，筒压强度为8.7-10.8MPa。 在陶粒的工程应用中，通过第三方测试数据表明，分别使用尾矿陶粒、赤泥陶粒和煤矸石陶粒替代混凝土中的天然石子，当尾矿陶粒替代C30混凝土中的石子比例达到60%-80%时，其力学性能优于原混凝土；赤泥陶粒和煤矸石陶粒分别全部替代C30和C50混凝土中的石子，陶粒混凝土性能合格，部分指标甚至略优于原天然石子混凝土，如图5所示。 03 3.1 将已有球团设备转型升级为固废规模化利用的绿色基地 将面临淘汰的中小型链篦机-回转窑及竖炉球团设备转型改造为固废陶粒生产设备，实现传统冶金行业设备转型进入到了国家鼓励的绿色低碳领域的新赛道，这不仅避免小型球团设备关停压力，还有望快速推动钢铁企业绿色转型升级。 现有球团焙烧系统的混料、造粒、布料等设备均适用于现有陶粒制备，经过简单改造或工艺调整，即可实现固废陶粒的生产。通过利用现有球团产线喷煤或燃用煤气的燃耗成本优势，可形成陶粒较大的市场竞争优势。由于现有球团生产设备产能均达到十万吨级到百万吨级，因此可以快速构建固废规模化低成本利用的有效途径，形成城市或区域固废循环利用基地，加速钢铁企业的绿色低碳发展。 3.2 推动实现钢铁企业固废不出厂 钢铁行业还存在钢渣选铁尾渣、粉煤灰、污泥、尾矿、脱硫灰和难利用尘泥等固废亟需利用，制备陶粒骨料是实现这些固废吃干榨净的有效途径。比如，在钢铁粉尘利用领域，含锌粉尘采用回转窑高温提锌后，剩余窑渣进一步经过选铁，会形成难以利用的尾渣。针对尾渣含硫较高的特点，借鉴冶金球团带式焙烧系统，提出并建设了尾渣陶粒制备+烟气循环富集氧化硫+次氧化锌脱硫利用的6万吨/年尾渣陶粒生产示范线，实现了尘泥中尾渣及其硫元素的全组分利用，如图6所示。 3.3 促进跨行业的物质流和能量流耦合发展 百万吨级固废规模化利用产线将制备人造砂石骨料和副产绿色零碳的余热蒸汽或电力，而砂石骨料作为最常用的建材产品，可以带动下游混凝土搅拌站、装配式建筑、多孔陶粒滤料、建筑陶瓷、生态修复等产业的发展；同时余热利用带动能源利用企业发展，实现节能降碳。 比如，在氧化铝生产行业有赤泥规模化利用以及使用大量蒸汽的需求。技术团队提出了在赤泥浆体中掺入含热值固废辅料进行湿法调质压滤挤出制备陶粒生球赤泥生球焙烧制备陶粒骨料并副产余热蒸汽陶粒骨料用于替代砂石且蒸汽返回氧化铝提取流程的耦合联产思路，并已通过技术验证其可行性。 以上研究成果发表SCI等科研论文20余篇，形成具有自主知识产权的专利体系（10余件中国授权发明专利，1件美国授权国际专利），制定相关团体标准2项；已建成两条工业化生产线，入选了工信部等四部委《国家工业资源综合利用先进适用工艺技术设备目录》，并应用于年产1000万吨煤矸石综合利用项目和年产10万吨煤化工园区气化渣综合利用项目建设等。研究成果的推广应用力争为冶金行业绿色低碳发展及工业固废规模化利用开辟一条新的有效途径。
