鋼鐵粉塵處置及資源化利用的研究進展

彭 犇，田 瑋，吳朝昀，岳昌盛

（1.中冶節能環保有限責任公司，北京 100088；2.中國冶金科工股份有限公司，北京 100028）

鋼鐵粉塵來源于鋼鐵行業生產車間，一般是指在燒結、煉鐵、煉鋼等生產工序中利用除塵設施對高溫煙氣進行除塵后得到的產物。粉塵產量巨大，是鋼廠中除冶煉渣外產量最大的固廢。據統計，粉塵產生比例按工序分別為：燒結占燒結礦2%～4%，煉鐵約占鐵水3%～4%，煉鋼約占鋼產量3%～4%，軋鋼約占軋材0.8%～1.5%，因此每生產1 t鋼鐵能產生88～135 kg的粉塵，按照我國鋼鐵產量8億t統計，目前鋼鐵粉塵年產量高達數千萬噸。

2016年12月25日，《中華人民共和國環境保護稅法》獲得通過，并于2018年1月1日起施行。鋼鐵粉塵屬于大氣污染物經除塵得到的固體廢物，無污染無害化處理是企業環境保護的重要責任。有別于煤矸石或冶煉渣等大宗固廢，粉塵種類繁多，組分差異較大，且不同企業同種工序的粉塵也有可能隨原料狀況、環保設備配置、管理水平差異而有所不同，因此粉塵利用要充分結合粉塵組成綜合考慮，粉塵中的鐵、鈣和碳成分可以在鋼鐵流程中回收利用，是有價有益組分，但粉塵中還含有堿金屬鉀、鈉和重金屬鉛、鋅等成分，這些是對鋼鐵生產有害的組分，在粉塵利用中要盡量避免有害成分進入鋼鐵生產流程中[1-2]。

目前，國內外對粉塵處置及資源化利用的技術開展了深入研究，取得了較大進展，但大多針對資源化利用，對利用過程中的環境保護關注較少，如部分粉塵在利用過程中有可能造成對環境的二次污染，或對生產帶來負面影響，這些都是粉塵利用要解決的關鍵問題。隨著我國在大氣污染防治和工業節能環保方面的重視，未來粉塵處置及資源化利用要兼顧環境保護和資源利用。

鋼鐵粉塵處置及資源化利用可分為鋼鐵工序內部利用、無害化處置、除雜加工利用和高附加值利用技術等。一般來說，對于雜質含量較低的粉塵利用較為簡單，可以采用直接利用或簡單加工再利用方式；對于雜質含量較高的粉塵，直接利用容易對生產和環境保護造成負面影響，需要進行除雜后再利用。

1 鋼鐵工序內部利用

鋼鐵工序直接利用處置規模大，成本較低，是目前粉塵利用的重要方式。

1.1 直接資源化回用

由于粉塵中含有大量的Fe、Ca、C成分，它們是鋼鐵原料的主要組分，因此上述成分含量較高的粉塵可在生產中直接利用，例如，粉塵直接作為原料配加到燒結配料中。但粉塵配入燒結配料中不能過高，否則容易造成燒結污染物排放增大，降低燒結礦性能。

1.2 加工后資源化回用

1.2.1 粉塵造粒

粉塵直接配如對燒結透氣性等有負面影響，因此將粉塵進行造粒，如采用圓盤造粒方式，再作為燒結球團配料，可以避免上述問題。

1.2.2 冷固結造球

以精礦粉、塵泥等為原料進行造球，然后應用于高爐、轉爐等工序，冷固結成本較低，過程較環保，但對冶煉有影響，如導致出渣量增大。

1.2.3 回收精粉

針對瓦斯泥，采用二段重選、浮選-磁選、重選-磁選、重選-浮選-磁選等工藝回收瓦斯泥中的鐵精粉和碳精粉，其優點在于提高了鐵品位、碳品位，有利于燒結回用[3]。

一般來說，粉塵直接利用可以解決部分粉塵的處置及資源化難題，但由于缺乏粉塵除雜過程，其在直接利用過程中影響鋼鐵生產，如粉塵中的鉀在高溫燒結過程中揮發再凝結將影響電除塵效果，降低除塵效率，或是在循環中進入高爐，引起高爐結瘤，破壞焦炭強度等。粉塵中的鉛鋅元素將隨燒結礦進入高爐，在高爐內揮發和循環富集，致使高爐結瘤，影響高爐正常生產[4-5]。

2 無害化處置

1980年，美國環保機構（EPA）將含鋅鉛等重金屬的鋼鐵廠粉塵，劃歸為K061類物質（有毒的固體廢物）。有毒固廢的無害化處置也成為粉塵的處置技術之一，分為玻璃化和固化。玻璃化通過改變粉塵中重金屬形態，使有毒物可溶性、流動性和毒性降低；固化是改變粉塵物理形態，使其形成固化結構。固化或玻璃化的特點是工藝比較簡單，運行成本較低，但缺點是粉塵中的金屬如鐵、鋅、鉛、碳等有價組成沒有回收[6]。

3 除雜技術

由于鋼鐵原料如礦粉、熔劑、燃料等本身含有雜質K、Zn等，這些雜質形成的化合物一般熔、沸點低，在高溫條件下容易揮發，在鋼鐵工序中利用會導致雜質在粉塵中的持續富集。除雜是解決含雜質粉塵問題的關鍵。

3.1 濕法除雜處置和資源化利用

3.1.1 燒結除塵灰濕法除雜處置和資源化利用

燒結機頭除塵灰中含有大量的K、Na元素，多以水溶氯化物形式存在，因此可采用水溶分離、結晶提純技術，將可溶氯化物在水中分離，然后可以將分離后的不同物質再分別進行利用[7-8]。

3.1.2 含鋅粉塵濕法除雜處置和資源化利用

對于中鋅和高鋅粉塵，利用氧化鋅不溶于水或乙醇但可溶于酸、氫氧化鈉或氯化銨的特性，通過酸浸、堿浸以及氨聯合浸出將鋅從混合物中分離出來[9]。一般來說，濕法工藝由于需要大量水和藥劑，容易產生大量難處理泥漿，且對設備磨損和腐蝕大。

3.2 火法除雜處置及資源化利用

火法工藝主要用于鉛鋅粉塵，其除雜和資源化利用效果最好，可分為隧道窯、回轉窯、轉底爐等技術。其中，隧道窯由于能耗高、還原效率低，對環保壓力大，不屬于目前主要發展方向。

3.2.1 回轉窯技術

回轉窯技術又稱為威爾茲法，有兩段威爾茲法和一段威爾茲窯法，是指粉塵通過與焦粉、無煙煤等其他物質混合制團，在回轉窯中得到粗的氧化鋅粉塵。提純后的鋅精粉品位在40%以上，回收率能達到80%。其缺點在于回轉窯體填充率低和金屬化率較低，且高溫容易產生結圈現象，另外，一般要求粉塵中鉛+鋅的質量分數在20%以上才有較好的經濟效益[10]。

3.2.2 轉底爐技術

目前，實際應用的轉底爐工藝有FASTMET、INMETCO、Redsmelt等[11-12]。其主體設備和工藝比較類似，區別在于處置原料（如冶金塵泥、釩鈦磁鐵礦、細精礦粉等）、后續產品加工類型（DRI、燒結配料、電爐熔融原料）以及后續尾氣處置（Zn回收、余熱回收）等方式。轉底爐技術的優勢體現在：工藝流程短、設備少、對原料適應性強；有別于傳統長流程高爐-轉爐煉鋼工藝，轉底爐屬于典型短流程工藝，設備較少；對原料品位、強度要求低，可使用粉料、無需配加焦炭，可以處置含雜質塵泥。未來應進一步提升轉底爐單體設備產能，加大對降低運行能耗技術的研究和推廣。

4 粉塵高附加值加工再利用

4.1 制備磁性材料

氧化鐵皮（鱗）和氧化鐵紅的鐵含量均較高，可以生產磁性材料，其附加值顯著較高，可以用于制備鐵氧體磁性材料，經過深加工后可以生產永磁材料和軟磁材料[13]。

4.2 制備氧化鐵顏料

高爐除塵灰中含有較多的氧化鐵和氧化亞鐵，采用濕式磁選與焙燒的方式可以制備氧化鐵紅顏料[14]。將電爐粉塵通過酸溶沉淀和煅燒方式制備顏料，通過控制中和滴定速度，可以生產不同顏色的顏料，制備出的ɑ-Fe2O3粉體純度高達99.5%[15]。

4.3 制備氧化鋅

將含鋅電爐粉塵與氧化鈣充分混勻后高溫下焙燒，制備出的ZnO、Ca2Fe2O5、ZnFe2O4三種物質分別呈現無磁性、順磁性和強磁性，可以利用磁性技術達到分離回收提取ZnO的目的。

5 結語

鋼鐵行業粉塵產量巨大，其處置和資源化利用已經成為我國固廢處置的重要組成部分，但在其利用過程中要注意避免對生產和環境保護造成負面影響。人們應當從資源利用、環境保護和降低處置成本等多方面綜合考慮粉塵的處置及資源化利用，例如，對于其中雜質含量較少的粉塵，應當在避免對生產和環保造成負面影響的前提下利用；對于雜質含量較多的粉塵，應當進行雜質有效去除后進行利用。另外，應該鼓勵鋼鐵粉塵利用的創新技術研發，從而進一步提升粉塵的高附加值利用。