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(jié)能環(huán)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(yè)生產(chǎn)車間，一般是指在燒結、煉鐵、煉鋼等生產(chǎn)工序中利用除塵設施對高溫煙氣進行除塵后得到的產(chǎn)物。粉塵產(chǎn)量巨大，是鋼廠中除冶煉渣外產(chǎn)量最大的固廢。據(jù)統(tǒng)計，粉塵產(chǎn)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(chǎn)量3%～4%，軋鋼約占軋材0.8%～1.5%，因此每生產(chǎn)1 t鋼鐵能產(chǎn)生88～135 kg的粉塵，按照我國鋼鐵產(chǎn)量8億t統(tǒng)計，目前鋼鐵粉塵年產(chǎn)量高達數(shù)千萬噸。

2016年12月25日，《中華人民共和國環(huán)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(jīng)除塵得到的固體廢物，無污染無害化處理是企業(yè)環(huán)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(yè)同種工序的粉塵也有可能隨原料狀況、環(huán)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(chǎn)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(chǎn)流程中[1-2]。

目前，國內(nèi)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(huán)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(huán)境的二次污染，或?qū)ιa(chǎn)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(yè)節(jié)能環(huán)保方面的重視，未來粉塵處置及資源化利用要兼顧環(huán)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(nèi)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(zhì)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(zhì)含量較高的粉塵，直接利用容易對生產(chǎn)和環(huán)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(nèi)部利用

鋼鐵工序直接利用處置規(guī)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(chǎn)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(zhuǎn)爐等工序，冷固結成本較低，過程較環(huán)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(yōu)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(chǎn)，如粉塵中的鉀在高溫燒結過程中揮發(fā)再凝結將影響電除塵效果，降低除塵效率，或是在循環(huán)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(nèi)揮發(fā)和循環(huán)富集，致使高爐結瘤，影響高爐正常生產(chǎn)[4-5]。

2 無害化處置

1980年，美國環(huán)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(zhì)（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(tài)，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(tài)，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(zhì)K、Zn等，這些雜質(zhì)形成的化合物一般熔、沸點低，在高溫條件下容易揮發(fā)，在鋼鐵工序中利用會導致雜質(zhì)在粉塵中的持續(xù)富集。除雜是解決含雜質(zhì)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(zhì)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(lián)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(chǎn)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(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐等技術。其中，隧道窯由于能耗高、還原效率低，對環(huán)保壓力大，不屬于目前主要發(fā)展方向。

3.2.1 回轉(zhuǎn)窯技術

回轉(zhuǎn)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(zhì)混合制團，在回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)窯體填充率低和金屬化率較低，且高溫容易產(chǎn)生結圈現(xiàn)象，另外，一般要求粉塵中鉛+鋅的質(zhì)量分數(shù)在20%以上才有較好的經(jīng)濟效益[10]。

3.2.2 轉(zhuǎn)底爐技術

目前，實際應用的轉(zhuǎn)底爐工藝有FASTMET、INMETCO、Redsmelt等[11-12]。其主體設備和工藝比較類似，區(qū)別在于處置原料（如冶金塵泥、釩鈦磁鐵礦、細精礦粉等）、后續(xù)產(chǎn)品加工類型（DRI、燒結配料、電爐熔融原料）以及后續(xù)尾氣處置（Zn回收、余熱回收）等方式。轉(zhuǎn)底爐技術的優(yōu)勢體現(xiàn)在：工藝流程短、設備少、對原料適應性強；有別于傳統(tǒng)長流程高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，轉(zhuǎn)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(zhì)塵泥。未來應進一步提升轉(zhuǎn)底爐單體設備產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)過深加工后可以生產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)分別呈現(xiàn)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(yè)粉塵產(chǎn)量巨大，其處置和資源化利用已經(jīng)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(chǎn)和環(huán)境保護造成負面影響。人們應當從資源利用、環(huán)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(zhì)含量較少的粉塵，應當在避免對生產(chǎn)和環(huán)保造成負面影響的前提下利用；對于雜質(zhì)含量較多的粉塵，應當進行雜質(zhì)有效去除后進行利用。另外，應該鼓勵鋼鐵粉塵利用的創(chuàng)新技術研發(fā)，從而進一步提升粉塵的高附加值利用。