利用钢渣生产透水砖项目的研究

司民峰，郑明明

我国目前累计堆存尾矿600 亿吨以上，年产出量达到了16亿吨，而尾矿综合利用率仅为18.9%，绝大多数尾矿尚未被综合利用。在矿冶领域里，世界上工业发达国家已把无废料矿山作为矿山的开发目标，把尾矿综合利用的程度作为衡量一个国家科技水平和经济发达程度的标志。我国的尾矿综合利用研究起步较晚，近几年发展迅速。国家科技部“十三五”科技支撑计划中“绿色建筑及建筑工业化方向”中专门列出“工业及城市大宗固废制备绿色建材关键技术研究与应用”项目来解决尾矿的综合利用问题

河北燕山钢铁集团有限公司每年因主业生产产生钢渣（1400t/d 棒磨机选后钢渣）和长石尾矿（1000t/d），钢铁冶炼过程中产生的大量钢渣的堆存造成了厂内土地资源的巨大占用，而且堆放部位存在无法绿植等严重环境问题。

《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》中明确要求：产生工业固体废物的单位应当建立健全工业固体废物产生、收集、贮存、运输、利用、处置全过程的污染环境防治责任制度，建立工业固体废物管理台账。国务院工业和信息化主管部门应当会同国务院有关部门组织研究开发、推广减少工业固体废物产生量和降低工业固体废物危害性的生产工艺和设备，公布限期淘汰产生严重污染环境的工业固体废物的落后生产工艺、设备的名录。因此，如果不对尾矿进行有效的利用，不仅给企业带来沉重的负担，给生态环保带来巨大的压力，而且也给尾矿堆场附近的居民生活及安全带来了隐患。

以棒磨机选后钢渣和长石尾矿为主要原料，将其制成具有绿色生态环保意义的透水砖，项目的实施将会为企业带来一定的经济效益和显著的社会效益。

1 能耗分析

本项目主要能源品种有：天然气、电力和水等。达产后实现年营业收入13200.00 万元，全年各类能源消耗总量为11794.08tce。

能耗指标：达到设计生产能力后，实现年产120 万m2透水砖的生产能力，万元产值综合能耗指标为0.893tce，单位产品综合能耗指标为8.935kgce/m2。

各种能源的年需要量及能耗指标见表1。

表1 各种能源的年需要量及能耗指标

2 原料分析

2.1 矿物组成与化学成分

长石尾矿和棒磨尾渣是经磁选工艺后产生的残渣，长石尾矿主要矿物组成是斜长石、石英为主，并含有10%的云母；棒磨尾渣主要矿物组成为斜硅钙石、方铁矿、黑钙铁矿、石灰、蓝晶石和硅线石等。其主要矿物成分见表2 和表3，主要化学成分见表3。

表2 长石尾矿的主要矿物成分（wt%）

表3 棒磨尾渣的主要矿物成分（wt%）

表4 长石尾矿和棒磨尾渣的主要化学成分（wt%）

由上表可以看出，长石尾矿是硅质长石类原料，含铁量为1.54%，稍高；碱金属氧化物含量达5%，较高，是一种很好的熔剂类原料；棒磨尾渣化学成分中铁、钛含量达到20.56%，有害成分很高。氧化钙和氧化镁含量高达46.78%，接近碳酸钙中氧化钙的含量；且氧化硅和氧化铝含量低，限制了配方中的加入量，需要加入其它原料进行调整。

对以上两种尾矿来说，长石尾矿是一种很好的熔剂性原料，其加入量可在18%。

棒磨尾渣作为透水砖的主要原料—骨料，加入量可在70%。棒磨尾渣和长石尾矿两者总用量可达88%。

2.2 放射性

采用FYFS-2002E 型全自动低本底多通道γ 能谱仪进行测试，测试结果如表5 所示。

表5 尾矿的放射性

根据GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》，内照系数IRa ≤1.0，外照系数Ir ≤1.3 的材料为A 类装饰材料，A 类装饰材料使用范围不受限制。这两种材料的内外照指数均小于规定值，因此用长石尾矿和棒磨尾渣烧制的陶瓷制品，其放射性远低于陶瓷砖的标准值，达到A 类装饰材料的要求。

3 产品的组成研究

3.1 原材料选型

根据长石尾矿和棒磨尾渣与透水砖组份的差异，结合项目所在地陶瓷原料的分布情况，选用长石尾矿、棒磨尾渣、粉煤灰、白云石等原料进行调配。

3.2 配方组成研究

以透水砖的样品性能为基础，优选出下列配方，并压制成坯体进行实验室烧成。其配方组成见表6。

表6 产品配方组成表

压制成型的透水砖坯体，干燥收缩率为0.5%。放入试验电炉中烧成。

3.3 最终控制工艺参数

粉料水分：5%。

粉料细度：10 目～40 目。

坯体入窑水分：3%。

烧成温度：1170℃。

生产周期：5.5h。

3.4 产品性能

透水砖产品性能测试结果见表7。

表7 透水砖产品性能指标表

在配方中，以棒磨尾矿、废瓷粉、长石颗粒为骨料，锂尾矿和膨润土为高温粘结剂进行实验，根据棒磨尾渣化学成分含钙量高、矿物成分中有游离钙的特点，在单体烧成时有粉化现象，因此在研制透水砖时，通过高温熔剂包裹法制作透水砖，使包裹料同易粉化的棒磨尾渣充分反映，形成固溶体。可烧制出符合现行国家标准要求的透水砖，其使用范围满足A 类装饰材料的要求.因此，利用棒磨尾渣和长石尾矿生产生态建筑陶瓷透水砖在技术上是可行的。

4 工艺流程

4.1 原料预处理

根据半工业中间试验结果，产品配方组成为棒磨尾渣、长石尾矿、长石颗粒和膨润土，外加粘结剂。棒磨尾渣和长石尾矿均利用燕钢公司的工业固废，长石颗粒、膨润土和粘结剂直接外购商品原料。

受建设场地的限制，棒磨尾渣和长石尾矿在场外进行预均化，并分别过10 目筛进行分级处理，不同细度的物料分别堆放储存，物料预均化周期为40 天～45 天。

4.2 原料粉碎

进场物料细度分10 目以上和10 目以下分别存放于原料库。10 目以上的物料进粉碎系统细碎，10 目以下的物料直接近地面料仓待用。

原料粉碎采用颚式破碎机粗碎和高压辊磨机粉碎系统。生产回收料首先经颚式破碎机粗碎再经皮带运输机输送至加料斗，再进入高压辊磨机粉碎系统。

地面料仓储存的粗颗粒棒磨尾渣和长石尾矿分别直接进入高压辊磨机粉碎系统。由轮式装载机将物料加入到加料斗，再经皮带运输机和斗式提升机输送至静态选粉机，在静态选粉机的入料口前段的皮带机上装有磁选机用以除铁；除铁后的物料进入静态选粉机后分为双支路分出，其中一大部分物料以静态选粉机底流的形式进入高压辊磨机称重料仓，还有一部分物料直接被吸入动态选粉机；进入动态选粉机的物料分为三支路转出，其中细度范围分别控制在10 目～20 目、20 目～40 目和40 目以下的粉料分别直接经皮带机输送进入各自的储料料仓，极细粒度的粉料经风机吸入袋式除尘器，较大粒度的物料经安装有磁选机出铁装置的皮带机输送至高压辊磨机称重料仓。

汇聚在称重料仓中的物料经高压辊磨机层压粉碎后被皮带机输送至斗提机中，通过斗提机将粉料提升至静态选粉机除铁区前段皮带机上，并按上述流程进行循环分选与破碎制粉。

10 目以下的物料、长石颗粒和膨润土直接由皮带运输机输送至储料料仓待用。

4.3 配料、混料

各种不同细度的合格粉料，由皮带运输机倒运到储料仓内，在储料仓内分类存放均化。

储料仓内的不同粉料，由变频流量秤称量计量后，再由皮带运输机分别送至基料和面料配料料仓，

再分别经变频流量秤称量计量后，与粘结剂一起分别加入到基体层和面层混料机内，在倾斜式强力混合机内加水混合（粉料含水率4%～8%），在混料机内进行充分的搅拌混合。

基层料的混料时间为10min，面层料的混料时间为15min（含进、出料时间）。

4.4 成型、干燥和烧成

混合均匀的粉料采用YPT1500 型透水砖压机压制成型，成型布料采用二次布料，基料和面料依次进入模具，然后通过1500t 压力机一次压制成型，以保障产品的强度及结构的稳定。

成型之后的砖坯经过排砖机送到辊道窑烧成。

4.5 检验、包装

烧成后的产品对其尺寸偏差、外观质量（包括长度、宽度、厚度、对角线、平整度、粘皮、缺损、垂直度、直角度、裂纹、缺棱掉角、颜色、花纹）、强度等级和透水系数进行检测；最终对产品进行综合质量评定、分级，再经自动码垛包装后入库。

5 污染控制措施

5.1 噪声治理措施

风机、空压机和各种破碎机等均选用低噪声设备，并安装消声器或局部设立隔音吸声装置。为保证厂区内外噪声水平达标，在设备选型时，选用辐射噪声小、振动小的设备，同时使产生噪声的设备远离办公和员工生活区。通过以上降噪措施使环境噪声达到国家标准。

5.2 粉尘治理措施

5.2.1 原料卸料和倒运粉尘治理措施

原料库内配套设置全覆盖的自动喷淋抑尘设施，并在料库出口设置有车辆自动洗轮机，防止泥土粘带。

5.2.2 工艺粉尘治理措施

皮带机转运等在工作过程中存在一定数量的转料接口，转料过程中较易产生无组织形式的粉尘。在各转料设备受料点和卸料点均设有密封罩，并经排尘口、风管连接引至室外袋式收尘器。厂区内物料运输皮带运输机均采用封闭的皮带通廊。

原料破碎系统、高压粉磨机、料仓等处有粉尘产生，均设有脉冲喷吹袋式除尘器，除尘效率达99%以上；压制成型过程中，有少量粉尘产生，在压机及压机料仓设有脉冲喷吹袋式除尘器，除尘效率达99%以上。

5.2.3 烧成窑炉燃烧废气治理措施

本项目烧成窑炉以高炉煤气+天然气为燃料，通过烟气脱硫脱硝系统处理，其燃烧的废气中烟尘和NOX的排放量均达到《河北省陶瓷工业大气污染物排放标准》（DB13/5214-2020）的要求。

以高炉煤气为燃料燃烧的烟气中，颗粒物浓度50mg/m3～100mg/m3，NOX浓度约为200mg/m3；以天然气作为燃料的窑炉，烟气中颗粒物浓度50mg/m3～100mg/m3，SO2浓度约为50mg/m3～300mg/m3，NOX浓度约为90mg/m3～250mg/m3。为确保颗粒物、SO2和NOX排放达标，本项目的烟气脱硫脱硝拟采用窑尾废气脱硝+脱硫工艺。

脱硝采用SCR 技术是O2和催化剂存在的条件下，在120℃～300℃温度窗口内，用还原剂NH3将烟气中的NOx 还原为N2和H2O。经过脱硝处理的尾气，再进入脱硫塔水洗脱硫后排放，排放口直径约900 mm。

经过综合治理后，其燃烧的废气中烟尘、SO2和NOX的排放浓度均达到现行河北省地方标准《河北省工业窑炉大气污染物排放标准》（DB13/1640-2012）和《河北省陶瓷工业大气污染物排放标准》（DB13/5214-2020）的要求，其出口含颗粒物浓度≤10mg/m3，SO2浓度≤30mg/m3，NOX 浓度≤100mg/m3。

5.3 废水治理措施

（1）各车间工段的生产废水，均分别汇集于沉淀池中，采用沉淀法对废水进行处理，经多级沉淀池处理后，上清液由泵提升循环再用，不外排。

（2）员工生活污水。员工生活污水量较少，其中粪便污水经化粪池处理后和职工其他生活污水一起排至燕钢公司现有的污水处理厂进行统一处理。

5.4 固体废弃物处置

废产品和除尘器收集的粉尘，可以作为骨料加入到泥料中；沉淀池污泥可作原料加入坯体中，使废物得以利用，做到清洁生产。

项目总定员140 人，员工生活垃圾年产生量为50.40t，经收集后委托当地环卫部门及时上门清运，不会对周围环境造成影响。

5.5 主要污染物产生及预计排放量表

主要污染物产生及预计排放量见表8。

表8 主要污染物产生及预计排放量表

6 市场需求分析

6.1 透水砖市场需求分析

2015 年国务院办公厅部署推进海绵城市建设工作以来，全国已有30 个城市被选定为海绵城市建设的试点城市。随着地方相关政策高密度落地，试点项目稳步推进，“十三五”期间海绵城市万亿市场空间已经打开。

国务院办公厅《关于推进海绵城市建设的指导意见》（国办发〔2015〕75 号）指出，通过海绵城市建设，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%的降雨就地消纳和利用。到2020 年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求；到2030年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求。

如何做到将70%的降雨就地消纳和利用？透水砖无疑成为海绵城市建设的一个关键有机体，也由此进入陶瓷企业视野。

相对于数千亿庞大市场，全国透水砖20 几条生产线才算刚刚开始，随着海绵城市试点推进，以及日后的推广普及，透水砖市场将迎来爆发期。因此，地方政府大力支持透水砖环保项目，企业看好其市场前景。

6.2 项目目标市场

首先，满足河北省需求，同时重点可向北京、天津等国际化大都市、雄安新区及新疆、甘肃、青海、宁夏、内蒙、山西、东北各省市销售。我国北方地区需求较南方迫切，正好突出本项目销售的区域优势。

其次，在国际上，与我国毗邻的韩国、日本，受自然资源和环保要求的制约，建筑陶瓷产品基本依赖进口，其需求量也是巨大的。因此，可积极开拓国际市场，运用多种形式树立本产品的国际形象，积极发展海外经销商，到海外投资建立营销中心、配销中心，运用现代技术，开展在线贸易。

7 结语

河北燕山钢铁集团有限公司以实现长石尾矿和棒磨尾渣无害化、资源化利用，促进企业可持续发展为核心目标，充分响应国家发展循环经济的相关政策，以技术创新和制度创新为动力，实施新型建材产业和其它产业联动，共同实施循环经济的发展模式，符合国家产业政策。对当地经济和社会的发展，能够起到明显的带动作用。经可研论证后，结论如下：

（1）项目符合国家有关节能、环保、废弃物综合利用的政策，利用长石尾矿和棒磨尾渣烧制生态建筑陶瓷，不仅可实现企业主业尾矿的无害化、资源化利用，而且促进了钢铁产业链的可持续发展，具有非常重要的现实意义。

（2）根据《产业结构调整指导目录（2019 年本）》和《2017 年工业结构调整指导目录》本项目不属于限制类和淘汰类项目，项目利用尾矿渣进行生态建筑陶瓷生产，为国家鼓励类，项目建设符合国家产业政策。

（3）透水砖建设海绵城市的关键材料，在本省和国内市场上均有广阔的销售空间，发展前景良好，市场潜力巨大。

（4）建厂地质条件优越，交通运输便利，原材料来源丰富，供电、供水、供气等基础条件可已落实到位，具有较好的建设与外部协作条件。

（5）项目针对长石尾矿和棒磨尾渣的性能特点，参照国内成熟先进的生产工艺和装备，融合企业自主研发的先进技术，制定的生产工艺技术方案合理可行，项目采用国内先进生产、节能与环保的技术及设备，可实现节能减排绿色环保。

综上所述，本项目以实现长石尾矿和棒磨尾渣无害化、资源化利用，促进企业可持续发展为核心目标，符合国家有关节能、环保、工业废弃物综合利用政策，所确定的工艺技术方案合理可行，生产线建设的基础条件具备，采用国内先进的生产、环保技术及设备，在生产过程中没有形成再污染，可实现节能减排绿色环保。产品市场前景广阔，项目经营安全度良好，有一定的盈利能力，项目实施可取得较好的社会经济效益。