冶金塵泥處理技術及資源化利用現狀與進展★

雷玉辦， 韋 響， 謝玉艷， 韋文業， 王 巖

（廣西現代職業技術學院資源工程系， 廣西 河池 547000）

冶金生產主過程中不可避免產生各類塵泥，通過干式收集的稱為塵，通過濕式收集的稱為泥。由于礦產資源緊張及品位的降低，冶煉生產流程中燒結除塵灰、高爐煉鐵除塵灰、轉爐及電爐煉鋼塵泥、軋鋼含鐵塵泥、銅冶金沉淀污泥等的產量不斷提高。龐大數量的塵泥如不進行處理而直接排放，不僅浪費大量有用資源，而且嚴重污染環境。目前處理冶金塵泥的主要方式有固化處理法、資源化利用、填海法等。固化處理法及填海沒有本質上解決冶金塵泥造成的環境問題，已經不能適應當前冶金塵泥的處理趨勢。更有部分企業則采用不處理、不排放的處理方式，直接將污泥堆積，該法占用了大量的土地資源，有害元素滲透到地下水，污染地下水資源。因此在我國大力提倡環境友好、循環利用資源的工業大環境下，冶金塵泥資源化循環利用成為了研究的熱點[1-2]。本文簡述我國冶金塵泥利用現狀，著重分析了各冶金塵泥處理技術及資源循環利用方法的優缺點，并指明了未來冶金塵泥資源化循環利用的趨勢。

1 冶金塵泥處理利用現狀

1.1 冶金塵泥的基本特征及危害

冶金塵泥（灰）包括鋼鐵冶煉產生的瓦斯灰（泥）、燒結灰、轉爐泥、軋鋼雜灰等以及有色冶煉產生的銅化學沉淀污泥、鋅冶煉污泥等。冶金塵泥主要含有鐵的氧化物、氧化鈣等氧化物以及有用金屬元素，成分含量隨著廠家不同各異。冶金塵泥粒度較細，容易揚塵，污染大氣。塵泥中含有有害元素如：Pb、Gd、CN-、As等，在堆積場中隨著雨水滲透到地下，污染地下水。同時塵泥的堆放不僅占用大量的土地資源，而且有害元素滲透到土壤中，改變土壤成分，污染土壤[3-4]。

1.2 冶金塵泥處理利用現狀

目前鋼鐵冶煉塵泥的利用主要是將其簡單處理送入燒結系統進行燒結，接著送到高爐進行冶煉，達到回收利用的目的。但是此利用方法單一粗放，存在如下缺點：由于各種塵泥成分及水分差別較大，造成燒結原料成分不穩定，影響燒結效果；有害元素富集，容易造成高爐內有害元素惡性循環；含有對電除塵不利的有害元素，影響除塵效果[5]；影響燒結礦或球團礦的強度及其他性能的穩定；影響廠區環保，在運輸過程中存在揚塵問題。有色冶煉塵泥（渣）由于有用元素含量低，處理成本較高，大部分企業常采取堆放的方式進行處理，占用了寶貴的土地資源，又存在巨大的環境安全隱患，很容易造成有害元素滲透污染環境[6]。

2 冶金塵泥處理利用技術

我國冶煉企業每年產生冶金塵泥數量非常巨大，光鋼鐵冶煉每年產生的塵泥約占到鋼產量的10%左右，2018年我國鋼產量按9億t計算，產生的塵泥的量就達約9000萬t。數量巨大的塵泥如得不到妥善處理，不僅會造成資源的巨大浪費，還會造成環境的污染[7]。資源化利用是處理冶金塵泥必然選擇，國內外學者對冶金塵泥資源化利用做出了大量的研究與實踐，我們對典型處理技術進行綜述。

2.1 金屬化球團技術

將塵泥與黏結劑及碳粉（如塵泥中本身含有還原劑可不加）進行充分混合制成球團，干燥后放入直接還原設備中（轉底爐、回轉窯、豎爐）進行直接還原，得到產品金屬化球團及粗鋅等。金屬化球團具有強度較高有害元素少等特點，不僅可以用于高爐冶煉也可作為轉爐冶煉中的化渣劑和冷卻劑，粗鋅經過精煉后可以直接銷售或者作為他用。由于轉底爐工藝具有構造簡單、生產效率高、原料要求低、投資少等特點，所以轉底爐工藝比回轉窯和豎爐更具優勢。2009年7月馬鋼新引進日本技術建成投產國內首個年處理量為20萬t塵泥脫鋅轉底爐工程。產出金屬化球團直接用于煉鋼，通過布袋除塵系統回收產品中鋅含量達到65%左右，體現出較高的金屬回收率[8-9]。

2.2 冷壓球團技術

冷固球團法是處理冶金塵泥較為常見的方法。該法將污泥與黏結劑按照一定比列進行混合，通過壓球機將污泥壓制成為具有一定粒度的球團，然后將其送入堆料場進行養護，養護一段時間后，最后通過運輸工具送入爐子進行冶煉。冷固球團法能耗少，工藝流程較為簡單，不僅可減少廠區中污泥的堆放面積，而且減少了污泥對環境的污染[10]。羅渝東、郭秀鍵等人研究認為除塵灰冷壓球球團的最優原料配比為轉爐一次除塵細灰∶轉爐一次除塵粗灰、轉爐二三次除塵灰、氧化鐵皮的質量比為 20∶10∶45∶25，此條件下得到的冷壓球團干球抗壓強超過700 N／個，濕球落下強度約7次／個[11]。冷固球團法也存在缺點，由于冷固球團法沒有經過熱處理，球團強度較低，造成球團在運輸過程中破碎較多。其次由破碎形成的粉末入爐后容易發生冒煙現象，加入冷壓球團過多會直接影響化渣效果。再次存在冷固時間長、球團堆放占用大量土地面積等問題[12]。

2.3 噴灰技術

噴灰技術是將符合一定粒度要求的冶金粉塵與粉煤按照一定配比在高爐風口同時噴入高爐進行冶煉，達到回收利用粉塵的目的。該技術工藝簡單，基本上不需要額外加工工序，投資少，因此該技術得到較多鋼鐵企業的運用。但是由于粉塵成分波動較大且粒度較細，造成噴入爐內后各項指標不易控制，更為嚴重的是粉塵中含有對高爐內襯有害的元素，例如Na、K、Zn等元素對爐襯腐蝕嚴重[12]。姜曦一、白興全、周東東等人開展干熄焦除塵灰直接噴吹工業試驗，將干熄焦除塵灰替代部分高價無煙煤，用于高爐噴吹，認為干熄焦除塵灰可代替部分高爐噴吹無煙煤，降低了噴煤成本，解決了無煙煤短缺的問題[13]。

2.4 濕（火）法技術

濕法處理技術是通過浸出劑將對后續冶煉工序產生影響的有害元素從污泥中分離出來，并進行富集回收。常見的浸出方法一般有酸浸、堿浸、細菌浸出等浸出方法。高爐除塵灰中Zn主要以ZnO形式存在，根據熱力學分析，ZnO不僅可以溶解于酸也可以溶解于堿而生成鋅離子，但酸浸將Zn浸出的同時，Fe等雜質溶解進入浸出液中，對后續的除雜工序造成不利影響。Fe和C等元素幾乎不溶于堿液，因此利用堿液將塵泥中的Zn分離出來，然后通過電積工序將堿液中的Zn富集回收。部分塵泥含有鐵酸鋅，鐵酸鋅既不溶于酸也不溶于堿液，極大地降低了鋅的浸出率，因此在浸出前先對塵泥進行焙燒處理，將鐵酸鋅轉化為可以溶解于堿液的鋅的化合物，可極大提高鋅的浸出率[14]。付志剛、張梅、呂娜等人研究以含鉛鋼鐵冶金燒結機頭電除塵灰為原料，采用HCl-NaCl混合溶液濕法浸取回收其中的氯化鉛，研究顯示浸出穩定且高效。盛廣宏、劉坤、許開華等人采用二次酸浸法回收冶金塵泥中有用金屬，先采用水和硫酸作為浸出劑，浸出鎂和鈉，再以酸為浸出劑浸出鎳、鈷等，取得了較好的浸出率。唐復平、于淑娟、錢峰等人利用圓盤造球機制成雙層結構（內層為由瓦斯灰、瓦斯泥、轉爐泥等，外層為轉爐灰或轉爐泥及黏結等組成）的復合球團，進行還原實驗，取得了良好的脫鋅效果[15-18]。

2.5 選礦冶金聯合技術

該技術聯合了物理、選礦、冶金等處理方法，其基本目的是將冶金塵泥有害元素除掉，富集回收有用元素。利用磁選法回收塵泥中磁性鐵，利用浮選法回收碳，利用重選法回收弱磁性或者非磁性鐵，同時可將鋅富集回收。張晉霞、牛福生等人開發了絮團塵泥高效分散-水利旋流器脫鋅-浮選回收碳-重選回收鐵成套工藝技術，并進行試驗研究，試驗結果表明分選各項指標較好。楊大兵、陳萱等采用“酸浸-除雜-電積”工藝流程回收鋅的選冶聯合工藝處理高爐除塵灰，獲得了碳、鐵、鋅品位和回收率均較高的產品。選礦冶金聯合法，一般處理流程較長，對處理顆粒有一定粒度要求，過細或過粗的顆粒均對處理的效果產生不利的影響，對起泡劑、捕收劑濃度的選擇也有對應的要求，但可以解決塵泥中有害元素的分離及貴金屬的富集回收問題[19-21]。池汝安、石玉磬、余軍霞等人采用氨水和銨鹽復配對銅冶金污泥中的銅、鋅、鎘和鉛進行選擇性浸出的試驗研究，試驗結果表明基本實現了鋅、銅、鎘的回收以及鉛元素的分離。高志明、周顯瑞采用了重選-篩分工藝處理高爐除塵灰，鐵產品品位及回收率均超過50%，既可以滿足返廠的要求也符合直接銷售的要求，并且該工藝體現出了處理成本低、效率高的特點，具有較高的推廣、應用價值[22-23]。選礦冶金聯合技術體現了較強的工業適應性，處理效果較佳，但也存在工藝流程較長、控制變量多的問題。

2.6 制備技術含量較高的材料

李江、趙乃勤等人采用物理和化學法對除塵灰進行分離和提純并利用得到的碳粉制備顆粒活性碳研究，實現了冶金塵泥的利用向技術含量較高的材料研究方向邁進[24]。高志芳、蘇暢、李娜等人以含鐵冶金塵泥為原料，采用共沉淀法制備了鈣鐵雙氧載體（CaS04Fe2O3）材料，體現出較好的活性[26]。制備高附加值產品是拓寬冶金塵泥資源化利用途徑的重要方向。

3 資源化利用模式

3.1 小循環利用模式

小循環主要有兩種模式。

1）塵泥（灰）-球團-高爐（轉爐）-塵泥（灰）循環模式。采用球團法將塵泥制成具有一定強度及一定粒度的球團，將球團及球團礦按照一定配比加入高爐進行冶煉。傳統轉爐煉鋼冷卻劑及化渣劑主要有廢鋼、塊狀鐵塊石、螢石等，這些冷卻劑及化渣劑存在一定的缺點，經過球團化的塵泥可作為煉鋼的冷卻劑及助溶劑，并且可縮短返干期及冶煉周期，經濟效果較為顯著。吾塔、臧疆文等人研究認為電爐除塵灰脫鋅制成球團后，用于電爐造渣劑，可以提高脫硫脫磷效果，強化渣的流動性并可以抑制鐵水的氧化。冷固球團作為造渣劑、冷卻劑返回轉爐生產，要求塵泥具有一定的強度并且鐵含量要求超過50%以上[26]。為克服塵泥有害元素對爐襯的腐蝕，通常在球團前先進行預處理工序將有害元素除掉。卿家勝、段向東、肖明富等人利用轉爐干法除塵灰開發出新型復合造渣劑用于轉爐冶煉過程，該造渣劑不僅能夠滿足轉爐冶金各項性能的要求而且體現出了較好的經濟性，鋼鐵料消耗降低0.69 kg／t，噸鋼輔料成本降低2.68元[27-28]。該循環利用模式流程短，處理費用較低，效果較為顯著，是一種較為主流的冶金塵泥資源化循環利用模式。

2）塵灰-噴灰-高爐-塵灰循環模式。將粉塵與煤粉同時從高爐風口處噴入高爐進行冶煉，實現對塵泥的循環再利用。此循環模式流程簡單，額外加工設備少，可以有效分解高爐產生的粉塵，實現自產自銷的效果。但是噴灰法容易造成有害元素的積累，對爐襯的腐蝕作用明顯，目前還沒有較好的辦法解決此問題[29]。

3.2 大循環利用模式

大循環主要有兩種模式。

1）塵泥-燒結-高爐-轉爐-塵泥循環模式。此循環模式是將塵泥經過預處理后送入燒結工序進行燒結，按照一定比列加入高爐中進行冶煉，接著回到轉爐中進行煉鋼，達到塵泥循環利用的目的。轉爐污泥直接用于燒結，由于粒度與其他燒結原料相差較大，造成混合不均、料層透氣性變差，最終影響燒結速度。燒結過程中會產生新的粉塵，增加燒結工序中粉塵回收的負荷。此循環模式鐵的回收率較低，能源消耗大，處理費用較高。

2）塵泥-球團-高爐-轉爐-塵泥循環模式。此循環模式是將塵泥經過球團法制成滿足一定強度及含量要求的球團，然后送入高爐中進行冶煉，然后回到轉爐中進行煉鋼，達到塵泥循環利用的目的。而球團法制成球團有利于改善高爐爐料透氣性，促進氣流的均勻分布，高爐綜合冶煉指標優于燒結礦。因此相比第一個大循環利用模式，此循環模式能耗消耗較低，處理費用較低，處理效果較好。

4 結語

目前，國內外冶金學者對冶金塵泥資源化利用做了大量的研究與實踐，涌現出了各類冶金塵泥處理技術，各技術各有優缺點。當前單一的處理方法很難滿足效率高、能耗低、效益好冶金塵泥的處理總體要求，聯合處理法是汲取各方法的優點而形成的綜合處理方法，它能夠克服單一方法的缺點，成為冶金塵泥處理不可或缺的新的手段。例如先通過物理選礦冶金法將冶金塵泥中的有害元素富集回收，再通過冷壓球團或者金屬化球團技術制成球團，返回高爐或轉爐中再次利用的物理-選礦-冶金-球團聯合處理工藝，不僅消除了有害元素的影響，又富集回收了有用元素，達到了資源化利用冶金塵泥的目的。當前冶金塵泥資源化循環利用主要有塵泥（灰）-球團-高爐（轉爐）-塵泥（灰）及塵灰-噴灰-高爐-塵灰兩種小循環模式，塵泥-燒結-高爐-轉爐-塵泥及塵泥-球團-高爐-轉爐-塵泥兩種大循環模式。塵泥（灰）-球團-高爐（轉爐）-塵泥（灰）小循環模式具有工業適應性強、能耗低、處理費用低、綜合效果好的優勢。以“自產自銷”的資源化循環利用為主，開發冶金塵泥制的高附加值產品為輔的處理技術是今后冶金塵泥資源化利用新的趨勢。