冶金塵泥處理技術(shù)及資源化利用現(xiàn)狀與進(jìn)展★

雷玉辦， 韋 響， 謝玉艷， 韋文業(yè)， 王 巖

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源工程系， 廣西 河池 547000）

冶金生產(chǎn)主過程中不可避免產(chǎn)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(chǎn)資源緊張及品位的降低，冶煉生產(chǎn)流程中燒結(jié)除塵灰、高爐煉鐵除塵灰、轉(zhuǎn)爐及電爐煉鋼塵泥、軋鋼含鐵塵泥、銅冶金沉淀污泥等的產(chǎn)量不斷提高。龐大數(shù)量的塵泥如不進(jìn)行處理而直接排放，不僅浪費(fèi)大量有用資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)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(zhì)上解決冶金塵泥造成的環(huán)境問題，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前冶金塵泥的處理趨勢。更有部分企業(yè)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(huán)境友好、循環(huán)利用資源的工業(yè)大環(huán)境下，冶金塵泥資源化循環(huán)利用成為了研究的熱點(diǎn)[1-2]。本文簡述我國冶金塵泥利用現(xiàn)狀，著重分析了各冶金塵泥處理技術(shù)及資源循環(huán)利用方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并指明了未來冶金塵泥資源化循環(huán)利用的趨勢。

1 冶金塵泥處理利用現(xiàn)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(chǎn)生的瓦斯灰（泥）、燒結(jié)灰、轉(zhuǎn)爐泥、軋鋼雜灰等以及有色冶煉產(chǎn)生的銅化學(xué)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(xì)，容易揚(yáng)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(xiàn)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(jié)系統(tǒng)進(jìn)行燒結(jié)，接著送到高爐進(jìn)行冶煉，達(dá)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(diǎn)：由于各種塵泥成分及水分差別較大，造成燒結(jié)原料成分不穩(wěn)定，影響燒結(jié)效果；有害元素富集，容易造成高爐內(nèi)有害元素惡性循環(huán)；含有對電除塵不利的有害元素，影響除塵效果[5]；影響燒結(jié)礦或球團(tuán)礦的強(qiáng)度及其他性能的穩(wěn)定；影響廠區(qū)環(huán)保，在運(yùn)輸過程中存在揚(yáng)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(yè)常采取堆放的方式進(jìn)行處理，占用了寶貴的土地資源，又存在巨大的環(huán)境安全隱患，很容易造成有害元素滲透污染環(huán)境[6]。

2 冶金塵泥處理利用技術(shù)

我國冶煉企業(yè)每年產(chǎn)生冶金塵泥數(shù)量非常巨大，光鋼鐵冶煉每年產(chǎn)生的塵泥約占到鋼產(chǎn)量的10%左右，2018年我國鋼產(chǎn)量按9億t計(jì)算，產(chǎn)生的塵泥的量就達(dá)約9000萬t。數(shù)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(fèi)，還會造成環(huán)境的污染[7]。資源化利用是處理冶金塵泥必然選擇，國內(nèi)外學(xué)者對冶金塵泥資源化利用做出了大量的研究與實(shí)踐，我們對典型處理技術(shù)進(jìn)行綜述。

2.1 金屬化球團(tuán)技術(shù)

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

2.2 冷壓球團(tuán)技術(shù)

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

2.3 噴灰技術(shù)

噴灰技術(shù)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(fēng)口同時噴入高爐進(jìn)行冶煉，達(dá)到回收利用粉塵的目的。該技術(shù)工藝簡單，基本上不需要額外加工工序，投資少，因此該技術(shù)得到較多鋼鐵企業(yè)的運(yùn)用。但是由于粉塵成分波動較大且粒度較細(xì)，造成噴入爐內(nèi)后各項(xiàng)指標(biāo)不易控制，更為嚴(yán)重的是粉塵中含有對高爐內(nèi)襯有害的元素，例如Na、K、Zn等元素對爐襯腐蝕嚴(yán)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(yè)試驗(yàn)，將干熄焦除塵灰替代部分高價(jià)無煙煤，用于高爐噴吹，認(rèn)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(shù)

濕法處理技術(shù)是通過浸出劑將對后續(xù)冶煉工序產(chǎn)生影響的有害元素從污泥中分離出來，并進(jìn)行富集回收。常見的浸出方法一般有酸浸、堿浸、細(xì)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(jù)熱力學(xué)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，F(xiàn)e等雜質(zhì)溶解進(jìn)入浸出液中，對后續(xù)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?qū)A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(jìn)行焙燒處理，將鐵酸鋅轉(zhuǎn)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(jié)機(jī)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(wěn)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(fù)平、于淑娟、錢峰等人利用圓盤造球機(jī)制成雙層結(jié)構(gòu)（內(nèi)層為由瓦斯灰、瓦斯泥、轉(zhuǎn)爐泥等，外層為轉(zhuǎn)爐灰或轉(zhuǎn)爐泥及黏結(jié)等組成）的復(fù)合球團(tuán)，進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn)，取得了良好的脫鋅效果[15-18]。

2.5 選礦冶金聯(lián)合技術(shù)

該技術(shù)聯(lián)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(fā)了絮團(tuán)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(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明分選各項(xiàng)指標(biāo)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(lián)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(chǎn)品。選礦冶金聯(lián)合法，一般處理流程較長，對處理顆粒有一定粒度要求，過細(xì)或過粗的顆粒均對處理的效果產(chǎn)生不利的影響，對起泡劑、捕收劑濃度的選擇也有對應(yīng)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(fù)配對銅冶金污泥中的銅、鋅、鎘和鉛進(jìn)行選擇性浸出的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明基本實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)出了處理成本低、效率高的特點(diǎn)，具有較高的推廣、應(yīng)用價(jià)值[22-23]。選礦冶金聯(lián)合技術(shù)體現(xiàn)了較強(qiáng)的工業(yè)適應(yīng)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(shù)含量較高的材料

李江、趙乃勤等人采用物理和化學(xué)法對除塵灰進(jìn)行分離和提純并利用得到的碳粉制備顆?；钚蕴佳芯浚瑢?shí)現(xiàn)了冶金塵泥的利用向技術(shù)含量較高的材料研究方向邁進(jìn)[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(xiàn)出較好的活性[26]。制備高附加值產(chǎn)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(huán)利用模式

小循環(huán)主要有兩種模式。

1）塵泥（灰）-球團(tuán)-高爐（轉(zhuǎn)爐）-塵泥（灰）循環(huán)模式。采用球團(tuán)法將塵泥制成具有一定強(qiáng)度及一定粒度的球團(tuán)，將球團(tuán)及球團(tuán)礦按照一定配比加入高爐進(jìn)行冶煉。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)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(diǎn)，經(jīng)過球團(tuán)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(jīng)濟(jì)效果較為顯著。吾塔、臧疆文等人研究認(rèn)為電爐除塵灰脫鋅制成球團(tuán)后，用于電爐造渣劑，可以提高脫硫脫磷效果，強(qiáng)化渣的流動性并可以抑制鐵水的氧化。冷固球團(tuán)作為造渣劑、冷卻劑返回轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，要求塵泥具有一定的強(qiáng)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(tuán)前先進(jìn)行預(yù)處理工序?qū)⒂泻υ爻?。卿家勝、段向東、肖明富等人利用轉(zhuǎn)爐干法除塵灰開發(fā)出新型復(fù)合造渣劑用于轉(zhuǎn)爐冶煉過程，該造渣劑不僅能夠滿足轉(zhuǎn)爐冶金各項(xiàng)性能的要求而且體現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟(jì)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(huán)利用模式流程短，處理費(fèi)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(huán)利用模式。

2）塵灰-噴灰-高爐-塵灰循環(huán)模式。將粉塵與煤粉同時從高爐風(fēng)口處噴入高爐進(jìn)行冶煉，實(shí)現(xiàn)對塵泥的循環(huán)再利用。此循環(huán)模式流程簡單，額外加工設(shè)備少，可以有效分解高爐產(chǎn)生的粉塵，實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)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(huán)利用模式

大循環(huán)主要有兩種模式。

1）塵泥-燒結(jié)-高爐-轉(zhuǎn)爐-塵泥循環(huán)模式。此循環(huán)模式是將塵泥經(jīng)過預(yù)處理后送入燒結(jié)工序進(jìn)行燒結(jié)，按照一定比列加入高爐中進(jìn)行冶煉，接著回到轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行煉鋼，達(dá)到塵泥循環(huán)利用的目的。轉(zhuǎn)爐污泥直接用于燒結(jié)，由于粒度與其他燒結(jié)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(jié)速度。燒結(jié)過程中會產(chǎn)生新的粉塵，增加燒結(jié)工序中粉塵回收的負(fù)荷。此循環(huán)模式鐵的回收率較低，能源消耗大，處理費(fèi)用較高。

2）塵泥-球團(tuán)-高爐-轉(zhuǎn)爐-塵泥循環(huán)模式。此循環(huán)模式是將塵泥經(jīng)過球團(tuán)法制成滿足一定強(qiáng)度及含量要求的球團(tuán)，然后送入高爐中進(jìn)行冶煉，然后回到轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行煉鋼，達(dá)到塵泥循環(huán)利用的目的。而球團(tuán)法制成球團(tuán)有利于改善高爐爐料透氣性，促進(jìn)氣流的均勻分布，高爐綜合冶煉指標(biāo)優(yōu)于燒結(jié)礦。因此相比第一個大循環(huán)利用模式，此循環(huán)模式能耗消耗較低，處理費(fèi)用較低，處理效果較好。

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)外冶金學(xué)者對冶金塵泥資源化利用做了大量的研究與實(shí)踐，涌現(xiàn)出了各類冶金塵泥處理技術(shù)，各技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)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(lián)合處理法是汲取各方法的優(yōu)點(diǎn)而形成的綜合處理方法，它能夠克服單一方法的缺點(diǎn)，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(tuán)或者金屬化球團(tuán)技術(shù)制成球團(tuán)，返回高爐或轉(zhuǎn)爐中再次利用的物理-選礦-冶金-球團(tuán)聯(lián)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(dá)到了資源化利用冶金塵泥的目的。當(dāng)前冶金塵泥資源化循環(huán)利用主要有塵泥（灰）-球團(tuán)-高爐（轉(zhuǎn)爐）-塵泥（灰）及塵灰-噴灰-高爐-塵灰兩種小循環(huán)模式，塵泥-燒結(jié)-高爐-轉(zhuǎn)爐-塵泥及塵泥-球團(tuán)-高爐-轉(zhuǎn)爐-塵泥兩種大循環(huán)模式。塵泥（灰）-球團(tuán)-高爐（轉(zhuǎn)爐）-塵泥（灰）小循環(huán)模式具有工業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低、處理費(fèi)用低、綜合效果好的優(yōu)勢。以“自產(chǎn)自銷”的資源化循環(huán)利用為主，開發(fā)冶金塵泥制的高附加值產(chǎn)品為輔的處理技術(shù)是今后冶金塵泥資源化利用新的趨勢。