冶金固廢資源化利用現狀及發展

張建平

(中國光大綠色環保有限公司，江蘇蘇州215000)

冶金工業是我國國民經濟和國防建設的重要基礎性產業。 我國從20 世紀70 年代開始引進國外先進技術和裝備，經過幾十年的發展，中國冶金行業整體技術已經處于世界先進水平， 不論是鋼鐵還是有色金屬，產量均連續多年位居世界第一。 然而，隨著我國冶金工業的飛速發展， 大量的冶金固體廢物也隨之產生。目前，我國冶金行業年產固體廢物超過千萬噸，而加上歷年的堆存量則達數億噸。冶金行業已經成為我國固廢產生量最大的行業之一[1]。數目如此龐大的冶金固廢如果不及時處理會占用大量的土地資源，而且由于其中含有砷、鉻、鉛、鎘等重金屬有毒元素，還會對土壤和水體造成極大的污染和潛在的威脅[2]。 另一方面，隨著人類對礦產資源不斷地開采和利用，高品位的天然礦產資源越來越少，而很多冶金固廢中的有價金屬含量達到甚至超過了天然礦中的金屬含量。因此，冶金固體廢物的無害化處置和資源化利用是解決冶金行業環境污染和資源短缺的關鍵，也是工業綠色化的必然趨勢。

1 冶金固廢的來源及種類

冶金固廢的來源和種類眾多， 這些固廢有的可以在冶煉過程中返回系統進行處理， 有的則需要外排， 另外進行處理。 冶金固廢大體上可分為冶金廢渣、冶金塵泥和廢水處理污泥三類。

1）冶金廢渣是礦石提煉金屬后產生的廢渣，根據冶煉方式的不同，可分為火法冶煉渣和濕法浸出渣。火法冶煉渣是火法冶煉過程中產生的爐渣， 其成分主要為爐料中的脈石、灰分、雜質以及冶煉過程中加入的熔劑和造渣劑等。常見的火法冶煉渣有高爐渣、鋼渣、銅冶煉渣、煉鉛爐渣、鎳渣、鎂渣等。 濕法浸出渣是濕法提取金屬后產出的廢渣，主要成分為脈石和未浸出的目標金屬礦以及礦石和浸出劑反應后得到的不溶成分。 常見的濕法浸出渣有赤泥、 鋅浸出渣、鎢堿渣、氰化尾渣等。在金屬冶煉過程中，冶金廢渣是產生量最大的固體廢物，如粗鋼生產過程中會產生約15%的鋼渣， 每生產1 t 銅約產生2.2~3 t 銅冶煉爐渣，每生產1 t 氧化鋁約產生0.8~1.5 t 赤泥[3-5]。

2）冶金塵泥是金屬冶煉過程中產生的各種煙塵、灰分和沉泥，其來源和種類很多，如高爐塵泥、煉鋼塵泥、銅冶煉煙塵、酸泥、銅陽極泥、鉛冶煉煙塵、鉛陽極泥等。 一種金屬冶煉過程中一般會產生多種性質各異的塵泥，其成分較復雜，含有各種有價金屬和有害元素。 如銅的冶煉過程中產生的冶金塵泥有熔煉煙塵、吹煉煙塵、精煉煙塵、酸泥（鉛濾餅、砷濾餅）、銅陽極泥等。煙塵中通常含有5%~30%的銅，而陽極泥中一般含有較多的銅、 金、 銀和鉑等有價金屬；同時，煙塵和酸泥中含有較高的鉛、砷等重金屬有害物質，均屬于危險廢物[6-7]。

3）冶金過程中會產生大量含重金屬等有害物質的廢水，廢水處理過程中會產生大量的污泥。廢水處理污泥的成分取決于廢水水質及水處理工藝。 在我國，冶煉廢水多采用生物制劑、石灰中和、鐵鹽沉淀等方法處理。廢水處理污泥主要由硫酸鹽、碳酸鹽及金屬氫氧化物組成，一般屬于危險廢物[1]。

2 冶金固廢資源化利用現狀

2.1 冶金廢渣

在20 世紀90 年代之前，我國冶金廢渣大多是直接丟棄或掩埋，容易造成環境的污染和資源的浪費。20 世紀90 年代以后，開始對冶金渣進行初步的開發利用，如鋪設道路等。 21 世紀以后，我國對冶金廢渣的處理逐步進入了整體回收、綜合利用的階段，冶金廢渣資源化技術不斷進步，利用水平也不斷提高[8]。

不同的金屬和不同的冶煉工藝產生的冶金廢渣的資源化處理方式和利用程度都不一樣，但由于冶金廢渣中一般都含有一定量的有價金屬，故冶金廢渣的資源化利用基本都是圍繞回收其中的目標有價金屬進行，具體方法主要包括渣選礦、火法提取和濕法提取等。 對于有價金屬含量較低或回收成本較高的廢渣，則用于生產水泥、建材等。如在鋼渣的利用方面，由于鋼渣中含有10%左右的鐵以及鈣、鐵、鎂、猛等氧化物， 目前鋼渣的資源化利用方式有鋼渣磁選除鐵、鋼渣返燒結等，同時也可用于生產鋼渣水泥[9-10]。銅冶煉渣的資源化處理方法主要有選礦分離、濕法提取、火法貧化、高溫氧化、高溫還原等，但因存在回收率低或能耗高等問題，還有待近一步研究完善[11-12]。赤泥的資源化途徑主要有：1）提取鐵、鋁、鈦等有價金屬；2）用于廢水處理和土壤修復；3）用于生產建材；4）赤泥土壤化。 但這些方式都存在成本高或者處理量少的問題，故大部分赤泥還是以堆存處置為主[13-14]。

2.2 冶金塵泥

與冶金廢渣相比，冶金塵泥的產生量相對較少，但其中有價金屬和有害元素含量都相對較高， 故冶金塵泥一般不用作水泥、建材原材料，而是進行資源化處理回收其中的有價金屬。 大部分的冶煉廠會將產生量較少的前端煙塵、灰分等返回熔煉或濕法冶煉系統進行處理。產生量較大的冶金塵泥，全部返回系統會降低冶煉系統處理能力，導致有害成分的累積，最終影響整個系統的運行和產品質量，故一般需要單獨處理。如在鋼鐵冶金中，主要的冶金塵泥是高爐塵泥和煉鋼塵泥，高爐塵泥一般用弱磁選鐵技術回收其中的鐵、用浮選技術回收其中的碳；煉鋼塵泥一般與燒結返礦搭配后作為燒結材料使用， 或是進行金屬化球團后返回回轉窯焙燒[9，15]。

2.3 水處理污泥

冶金廢水處理污泥中含有大量的銅、鉻、砷等重金屬離子， 其主要成分為中和后的鈣鹽和重金屬氫氧化物，且含水量較高，一般難以返回冶煉流程進行處理， 故目前冶金企業大都是將水處理污泥堆存或出售給有資質的企業回收有價資源[1]。水處理污泥處理方法主要有固化處理、火法處理和濕法處理3 種。其中，固化處理包括水泥固化、石灰固化和熔融玻璃體固化等， 是早期應用最廣泛的一種處理污泥的方法[16]，但該法沒有將污泥中的有價資源進行利用，且固化后增加了體積，需要占用更多的土地資源，不符合綠色環保的發展要求。 水處理污泥的火法處理和濕法處理能夠對其中的有價金屬進行回收，是目前研究的熱點方向。 例如，王芬[17]采用多步浸出法處理冶金污泥，能夠對其中的鎘、鋅、銅、鉛等重金屬進行初步分離回收。 柴立元[18-19]等用熱硫化—浮選法回收鉛鋅冶煉廢水化學沉淀處理后得到的金屬硫化物，鋅的回收率能達到66%以上；Janusz[20]等用多層燒結法處理填埋場的冶金污泥，能夠有效回收利用其中的鋅。

3 冶金固廢資源化技術發展

隨著資源的日益短缺和環保要求的日趨嚴格，冶金固廢處理朝著減量化、資源化和無害化方向發展。一些傳統的固化堆存、填埋等處理方式將逐漸被資源化綜合利用的處理方式所替代。 對冶金固廢的資源化處理，也要從單一化的回收工藝朝著聯合（協同）回收工藝方向發展，從全局考慮，通過多種工藝環節的集成， 對其中的有價成分逐一進行回收利用，形成一種綜合化的回收體系，使回收后的尾渣能夠實現無害化處置。由于冶金固廢的種類繁多，成分復雜，尤其是其中一些冶金塵泥、水處理污泥等產生量相對較少，單獨開發工藝進行處理代價較大；且大多屬于危險廢物，需按照危險廢物進行管理，難以實現跨區域集中處理。 因此，開發對原料適應性強、能夠搭配處理多種固廢和危廢的固廢資源化處理工藝具有很好的經濟性和發展前景。 下面介紹幾種目前應用較廣的固廢資源化綜合處理工藝。

3.1 側吹爐處理工藝

側吹爐熔煉是一種強化熔池熔煉技術， 已經廣泛用于銅冶煉和鉛鋅冶煉， 由于其具有原料適應性強、能耗低、污染小等優勢，近年來在危廢資源化回收領域得到了大量推廣應用。目前，側吹爐熔煉在冶金固廢資源化回收方面的應用主要是從各種固廢中回收銅、鉛、鋅等金屬。其能夠處理的冶金固廢包括各種含銅固廢、含銅污泥、煉銅煙灰浸出渣、銅浮渣、鉛銻渣、鉛精煉殘渣和酸泥等，同時還能搭配處理廢線路板、廢活性炭等其他危廢[21-24]。

近年來， 中國瑞林在側吹熔煉工藝及成套裝備上不斷探索，形成了成熟的方案及設備，并向含銅危廢多金屬資源綜合回收領域推廣應用。 中國瑞林開發的側吹爐處理冶金固廢工藝及設備具有以下幾個方面的優點：1）對物料的粒度和含水要求不高，除濕污泥外其他物料都可以入爐；2）爐床面積大、床能率大、反應空間大，物料及煙氣在爐內均能充分反應，可以不設置二燃室；3）可搭配處置有熱值的無害化物料，能夠節約能源，大大提高了處置的經濟、能耗及環保效益；4）側吹爐密閉性好，煙氣逸散少，能夠有效避免二噁英的危害，適應越來越嚴格的環保要求[25]。

3.2 等離子爐處理工藝

等離子氣化技術是利用等離子炬作為氣化爐的熱源，由于其高溫和高熱密度，等離子技術幾乎能夠將碳基廢物中的有機物完全轉化成合成氣（主要為CO 和H），而無機物則可變成無害灰渣（玻璃體）。采用等離子氣化技術處理各類污泥、垃圾、工業廢物等在國內外已有不少研究及應用[26-28]，如Luca[29]等采用等離子體氣化法處理城市固體廢物和化工行業產生的危險含碳廢物。與普通垃圾焚燒技術相比，該技術能夠有效提高廢物中能量的回收效率，且具有更好的靈活性和原料適應性。 采用等離子技術處理冶金固廢時，一方面可以以合金形式回收廢物中的貴重金屬，另一方面可將焚燒廢物產生的灰渣變成玻璃體作為建材使用，還能夠和其他類型的危廢一起進行處理，特別適用于處理高毒性、難處置和含可回收貴金屬的冶金固體廢物，如含鎳電鍍污泥、含鉻污泥、石化行業廢催化劑、危廢焚燒飛灰和爐渣等。 實踐證明，該技術能耗較低，既實現了金屬資源和灰渣玻璃化回收利用，又能夠使煙氣污染物達標排放[30]。

3.3 電爐處理工藝

電爐是利用電極產生的高溫來熔煉礦石和金屬。電爐具有工藝靈活性大、爐溫高且容易控制等優點，在對一些含鋅、鉻鎳和鐵等金屬的冶金固廢進行資源化回收時有一定的優勢。 電爐處理冶金固廢在國內已經有不少研究和應用，能夠處理的冶金固廢有不銹鋼污泥、氧化鐵皮、除塵灰、鋅浮渣、鉻渣等[31-33]。趙沛[34]等發明了利用礦熱電爐冶煉紅土鎳礦共處置鉻渣的方法。 該方法利用紅土鎳礦與鉻渣成分的互補性， 能夠在處理鉻渣的同時產出含鉻高的鎳鐵合金，且熔劑消耗量小，產出的爐渣無害。 青海某項目利用改造后的電爐對當地冶金企業產出的鋅浮渣、熱鍍鋅渣等危廢進行綜合回收。通過電爐改造、冷凝系統的優化和工藝參數的調節，能夠直接產出合格鋅粉，且鋅的回收率達到了98%以上[35]。

4 結論

冶金固體廢物的來源和種類眾多，且其中很多屬于危險廢物， 如果不妥善處置不僅會造成環境污染還會造成資源的浪費。 目前我國冶金固廢資源化處理正處于蓬勃發展階段，但資源化利用率和無害化處置率還有待進一步提高。 企業應該不斷進行技術創新，完善冶煉工藝和廢物處置工藝，提高資源利用率，從源頭上減少冶金固廢的產生和排放，做到減量化的要求。同時，運用信息化的手段構建冶金固廢資源化產業鏈和危廢處置合理布局，對于冶金企業無法內部消化的冶金固廢，通過不同冶金企業間的相互消納和危廢處置企業的集中處置來實現對冶金固廢的高效利用。

未來，冶金固廢資源化利用將朝著多樣化和協同化的方向發展。 對于目前資源化利用率不高的冶金固廢，將出現越來越多的資源化利用途徑，如制成各類建材和工業原料，或利用側吹爐等先進處理工藝實現對多種危廢的協同處理，高效回收其中的金屬資源，產出無害的爐渣。相信隨著政策的推動和技術的進步，我國的冶金固廢資源化利用程度將不斷提高，真正實現資源、環境與經濟的可持續性發展。