高爐瓦斯泥的綜合利用

鄭虹雨，孫 艷，張樹立，王權福

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

高爐瓦斯泥來源于煉鐵過程，細小的塵粒被煤氣帶出，通過干法或者濕法除塵，殘余的一部分廢渣，它包含的組分比較多，其中占比最大的是鐵、鋅、碳等成分。數據表明，生產1 t鋼，大約有20 kg高爐瓦斯泥的副產物，其中鋅含量占比為10%～20%[1]。根據中國2017年的鋼鐵產量來算，一年生產10億t的鋼鐵，則瓦斯泥的產量為2 400萬t左右，其中鋅的產量為240～470萬t，相當于開采3 800萬～7 700萬t的鋅礦石。另外，高爐瓦斯泥含有15%左右的碳，30%～40%的鐵和0.005%的鍺，銦含量最少，約為0.03%，還含有少量的鎵、鈧、鎘等有色金屬，混雜有一定數量的堿土金屬及堿金屬[2]。瓦斯泥歸類于細小顆粒物（顆粒的直徑一般不大于0.074 mm，＞0.074 mm的有20%～50%）、密度特別小（其中堆密度＜0.5 g/cm3），水分蒸發后容易產生灰塵，造成大氣環境污染。

研究表明，高爐瓦斯污泥中，Fe的主要存在形態是Fe2O3或Fe3O4，主要賦存于假赤鐵礦和包埋在里面的磁鐵礦中，總鐵含量占比為30%～40%，它與碳在高溫下反應，并還原為鐵，在轉爐中可促進難熔物質的熔融，進而催生爐渣流動，其中的氧化鈣、氧化鎂等組分也有同等功效。它還含有10%～25%的高密度焦炭；氧化鋅和鐵酸鹽固溶體含量受生產條件的影響，生產原料及工藝的不同都會引起物質含量的不同，一般富集在較細的顆粒中，最高含量至少為15%[3]。

總的來說，高爐瓦斯泥擁有以下幾個特點。一是分選難度大。高爐瓦斯泥屬于一種高溫產品，晶相獨特，細粒礦物易熔化成團，包裹脈石礦物，從而增大了選礦難度。二是容易反應。高爐瓦斯污泥中有不少的堿金屬，一般來說沸點較低、顆粒小，可以與空氣中的O2發生作用，諸如CaO、K2O、Na2O和MgO等物質，與水反應后，會生成氫氧化物，具有強烈的腐蝕性[1]。三是毒性大。高爐瓦斯泥中含有鉻、鉛、銅和砷等有毒重金屬。

對于瓦斯泥處理與處置中，綜合利用已經有一定的研究。隨著我國經濟發展的飛躍，金屬材料的市場逐漸擴大，引發能源、資源等一系列嚴重問題，先發展還是先保護引發爭議，阻礙了我國經濟和社會發展的進程。提出和完善高爐瓦斯灰（泥）的綜合利用技術，不僅可以避免資源的浪費，還能改善環境狀況。

1 高爐瓦斯泥中鐵鋅碳的綜合回收

瓦斯泥中富含Fe、Zn和C等有利用價值的成分，經適當處理，人們不僅可綜合回收里面的有用金屬，還可將其作為良好的冶煉原材料，提高資源的利用率。實踐中有很多富集回收的方法，使得高爐瓦斯灰中有價值的成分重新利用，其中直接還原法、選礦法以及化學浸出法得到了廣泛應用。

1.1 直接還原法

直接還原法是指在還原劑的參與下，高溫焙燒瓦斯泥，使氧化鋅還原為單質鋅。由于鋅的沸點較低，高溫條件下轉化為氣態流入煙氣中，冷卻后形成固態，變成ZnO的形態進入粉塵中。因此，最后的產物高爐瓦斯泥中無鋅，達到了脫鋅的目的。瓦斯泥中的C也能起到還原作用。目前，直接還原法是一種應用廣泛的污泥脫鋅方法，具有脫鋅效率高、處理量大、反應速度快等優點。

佟志芳等使用轉底爐工藝，首先，高爐瓦斯污泥（其中鐵、鋅的含量分別為43.61%、1.28%）經過造粒，然后在馬弗爐中高溫（1 200℃）煅燒20 min。最后得到的產物是金屬化球團，其中鐵含量＞65%、金屬化率可以達到80%、含鋅量＜0.1%[4]。甘肅酒鋼集團下轄的宏興鋼鐵股份有限公司、中冶南方工程技術有限公司等企業還取得了以含鋅高爐瓦斯泥為原料，采用底吹法制備氧化鋅和金屬化球團的相關技術專利[5-7]。

1.2 選礦法

選礦方法是根據污泥中鐵、鋅、碳的特性和分布，選擇性地提取或分離出相應的組分。相較于其他礦物，碳的密度小，為了將碳從其他礦物中分離出來，可以使用合適的重力介質。含鋅礦物在瓦斯泥中的磁力很小，而鐵礦石則擁有相當的磁性，為了分離這兩種礦物，可采用適當的磁選工藝。此外，鋅一般出現于細小顆粒礦物中，采用旋流、搖床分選等方法進行分離，可以從細顆粒礦物中富集鋅[8]。

1.3 化學浸出法

化學浸出是將氣泥中的鋅經化學浸出溶解成溶液，達到脫鋅的一種方法，主要功能是分離高爐瓦斯泥里面的鋅，目標性強，效果很好。按照使用的浸出劑來分類，可分為酸浸、堿浸和氨浸。這幾種方法都具有各自的優勢和缺陷，例如，酸浸工藝由于pH過低，設備會被嚴重腐蝕，還容易帶入其他金屬雜質，如鐵等；成本高，但鋅的產率很高。氨浸過程中的氨溶液易水解揮發，制備環境較差，但可得到純度較高的鋅浸液。堿浸法可以降低對設備的磨損，可是藥劑的需求量多，此外，反應必須在高溫條件下進行，能耗大[9]。另外，化學浸出工藝一次性的處理量有限，需要與其他工藝相結合才能增加鋅富集量，其間會排出大量浸出液廢水，帶來環境污染。

2 高爐瓦斯泥的綜合利用

2.1 作為煉鐵原料

高爐瓦斯污泥作為一種原料，是最簡單、最早的處理方法，可直接高溫加熱熔化，冷卻后成為鐵礦燒結或球團。相較于其他方法，該法具有如下優點：直接將高爐瓦斯泥作為原料，無需購買且節省其他工序進行加工處理，可直接根據已有的煉鐵工序生產，不需要增加設備投入，成本較低且操作方便；生產過程中可短期內提供大量高爐瓦斯泥，可產生大量冶煉爐料，起效快；總原料中瓦斯泥需求量相對較少，在一定范圍內，即使瓦斯泥供不應求，也不會對最終產品的產量產生較大影響。

上海梅山（集團）有限公司、鞍鋼股份有限公司、河北鋼鐵集團宣鋼有限公司等直接將高爐瓦斯灰壓坯加熱制粒，既實現了廢棄物的二次利用，又提高了某些性能指標。在鞍鋼股份有限公司的研究中，采用高爐瓦斯污泥制粒的方法，將燒結的高爐瓦斯污泥均勻地分布在球團礦中，不僅可以杜絕球團在還原過程發生體積異常膨大的現象，還能使球團高度還原，改善球團的高溫回火等特性，降低軟化溫度，加速生產。研究表明，摻入高爐瓦斯污泥，不僅可以提高高爐瓦斯污泥中有價元素的利用率，還能降低一些經濟技術指標（如焦比），提高產量和保持爐內壓力穩定，實現正常運行。但瓦斯泥元素的改變可能打破爐內各因素之間的平衡，使其運行不穩定。高爐瓦斯污泥的物理性質差別較大，運輸困難。因此，瓦斯泥的利用技術還不完善，存在的問題還需進一步探討。另外，在煉鐵爐料制備過程中直接應用高爐瓦斯污泥，容易導致鋅等金屬不能有效去除和連續富集的現象，抬高了高爐的鋅負荷（爐內鋅負荷應不大于130 g/t），干擾生產過程。

2.2 制作水泥

鄒俊甫做了一個試驗：在煉鐵過程中，生料中加入部分高爐瓦斯灰，作為鐵質校正原料，補充Fe2O3。研究表明，此操作減少了對生料磨機的損耗、改善了熟料物理學性能，提高了水泥的生產量，增加了經濟效益[10]。這對促進工業固體廢物的綜合利用、減少污染、治理環境和變廢為寶等有著極為重大的作用。

2.3 制備絮凝劑

李善評等利用高爐瓦斯泥生產曝氣生物濾池的填料，以高爐瓦斯泥為主，Na2SiO3和黏土為輔，利用正交試驗來探究使用高爐瓦斯泥制造生物曝氣過濾機的填料的最佳條件[11]。試驗證明，當反應溫度為600℃時，投加15%的黏土，硅酸鈉和高爐瓦斯灰的用量分別為6%、79%，填料的處理效果最好。在此工藝條件下生產的曝氣生物濾池填料可用于含油廢水的處理。但為了保證較好的去除效果，必須嚴格控制反應條件。例如，當濾層高度達到100 cm時，將水力停留時間控制在4 h，將氣水比控制為6:1，此時COD和氨氮的去除效率至少為70%，還可以去除六成的色度。以高爐瓦斯灰為原料制備絮凝劑，開辟了高爐瓦斯泥綜合利用的又一新領域。

2.4 作為吸附劑

瓦斯泥具有比表面積大、反應活化能低、粒度小等特點，硅酸鹽、活性炭粒和一些氧化物含量豐富，可以高效地吸附高濃度有機廢水中的化合物。A López-Delgado等通過高爐瓦斯泥吸附重金屬離子。最終結果證實：在赤鐵礦相中，更容易發生瓦斯泥吸附鉛離子的現象；高爐瓦斯泥對每種重金屬的吸附量都不同，其中對于鉛的吸附量最大，具體為鉛＞銅＞鉻＞鎘＞鋅；溫度不同，高爐瓦斯泥對金屬的吸附量也不同，溫度和吸附量之間存在正比關系，在80℃時，瓦斯泥對鉛離子的吸附量可以達到79.89 mg/g；瓦斯泥的吸附能力隨Fe2O3和C總的比值的增加而升高[12-13]。

唐光臨利用高爐瓦斯泥和Fe顆粒來處置焦化廢水[14]。實踐證明，在高爐瓦斯泥中添加細小鐵顆粒，可有效去除其中的COD，比傳統的高爐瓦斯泥法效果更好。酸堿度和反應時間等對這種方法的去除效果會產生較大干擾。

2.5 高爐瓦斯泥用于開發新產品

高爐瓦斯泥具有硬度小、表面活性大、顆粒細小等特點。此外，炭粉還有吸附能力，一定程度上可以代替膠凝材料和絮凝劑。黃石水泥廠對高爐瓦斯灰的處理應用中，將作為原材料生產水泥，在提高水泥產量、節約電能消耗的同時，還提高了水泥的質量。有試驗人員將高爐瓦斯泥用來制造墻體材料，在其中加入粉煤灰，再采用蒸汽固化法就可以得到性能良好的墻磚。結果表明，當高爐瓦斯泥含量＜30%時，墻磚的抗折能力、膨脹率和抗壓強度等都能達到國家相關指標。

用高爐瓦斯泥研發的新產品，可以帶來附加價值，不僅可以減少資源的投入，提升企業的經濟效益，而且有助于應對企業在環境問題上的困境。但該領域的研究目前還不多，大規模生產技術還很不成熟，需要進一步發展。

2.6 其他用途

王濤等利用高爐瓦斯泥在電爐中成功地制備出泡沫渣，結合實驗室理論的學術研究和現場試驗的實際研究，最終認定了現場應用工藝和冷壓成型工藝[15]。研究證明，將瓦斯泥漿進行壓實處理能夠促進泡沫渣的形成。當瓦斯泥的投加量為1 t時，炭和全鐵的承載力分別為149.6 kg、351.1 kg。此時，泡沫渣點反應由于高爐瓦斯污泥中的炭和鐵的參與，吹氧噴炭的操作過程被強化，會減少一定數量的金屬消耗和噴炭量。

楊光華將高爐渣、砂、粉煤灰、石灰等摻合到瓦斯泥中，運用蒸汽養護法制備了新型的粉煤灰磚[16]。當高爐瓦斯泥的投加量為30%時，粉煤灰磚可以承受31.2 MPa的強壓，經過25個冷凍循環后，磚的承受能力還有19.4MPa，且質量損失率小于2%，達到了同類磚一等品的標準，抗壓強度為10 MPa。此外，該工藝經濟成本低，操作簡單。

3 結語

近年來，我國經濟高速發展，礦產資源消耗加劇，實行資源循環利用迫在眉睫。提取廢棄物中的有價值成分，變廢為寶，是未來資源利用的趨勢。發展循環利用技術不僅可以解決金屬的短缺問題，還能促進我國金屬資源利用技術的進步，在實現廢棄資源綜合利用的同時，還能推動我國循環經濟的發展。

對于企業而言，發展循環利用技術十分重要。目前，鋼鐵行業競爭激烈，要想減少投入、提高收入，取得良好的經濟效益，必須經濟、有效地利用高爐瓦斯泥。深入地鉆研高爐瓦斯泥的綜合應用技術，可以大范圍地利用資源，降低經濟成本。瓦斯泥中含有大量鋅，實際證明，化學浸出法、直接還原法以及選礦法等處理技術已經逐漸完善，這些措施具有各自不同的特點，適用于不同的條件。因此，在實際運用中，各企業要根據自身狀況選用處置工藝。