高炉瓦斯泥的综合利用

郑虹雨，孙 艳，张树立，王权福

（攀枝花学院，四川 攀枝花 617000）

高炉瓦斯泥来源于炼铁过程，细小的尘粒被煤气带出，通过干法或者湿法除尘，残余的一部分废渣，它包含的组分比较多，其中占比最大的是铁、锌、碳等成分。数据表明，生产1 t钢，大约有20 kg高炉瓦斯泥的副产物，其中锌含量占比为10%～20%[1]。根据中国2017年的钢铁产量来算，一年生产10亿t的钢铁，则瓦斯泥的产量为2 400万t左右，其中锌的产量为240～470万t，相当于开采3 800万～7 700万t的锌矿石。另外，高炉瓦斯泥含有15%左右的碳，30%～40%的铁和0.005%的锗，铟含量最少，约为0.03%，还含有少量的镓、钪、镉等有色金属，混杂有一定数量的碱土金属及碱金属[2]。瓦斯泥归类于细小颗粒物（颗粒的直径一般不大于0.074 mm，＞0.074 mm的有20%～50%）、密度特别小（其中堆密度＜0.5 g/cm3），水分蒸发后容易产生灰尘，造成大气环境污染。

研究表明，高炉瓦斯污泥中，Fe的主要存在形态是Fe2O3或Fe3O4，主要赋存于假赤铁矿和包埋在里面的磁铁矿中，总铁含量占比为30%～40%，它与碳在高温下反应，并还原为铁，在转炉中可促进难熔物质的熔融，进而催生炉渣流动，其中的氧化钙、氧化镁等组分也有同等功效。它还含有10%～25%的高密度焦炭；氧化锌和铁酸盐固溶体含量受生产条件的影响，生产原料及工艺的不同都会引起物质含量的不同，一般富集在较细的颗粒中，最高含量至少为15%[3]。

总的来说，高炉瓦斯泥拥有以下几个特点。一是分选难度大。高炉瓦斯泥属于一种高温产品，晶相独特，细粒矿物易熔化成团，包裹脉石矿物，从而增大了选矿难度。二是容易反应。高炉瓦斯污泥中有不少的碱金属，一般来说沸点较低、颗粒小，可以与空气中的O2发生作用，诸如CaO、K2O、Na2O和MgO等物质，与水反应后，会生成氢氧化物，具有强烈的腐蚀性[1]。三是毒性大。高炉瓦斯泥中含有铬、铅、铜和砷等有毒重金属。

对于瓦斯泥处理与处置中，综合利用已经有一定的研究。随着我国经济发展的飞跃，金属材料的市场逐渐扩大，引发能源、资源等一系列严重问题，先发展还是先保护引发争议，阻碍了我国经济和社会发展的进程。提出和完善高炉瓦斯灰（泥）的综合利用技术，不仅可以避免资源的浪费，还能改善环境状况。

1 高炉瓦斯泥中铁锌碳的综合回收

瓦斯泥中富含Fe、Zn和C等有利用价值的成分，经适当处理，人们不仅可综合回收里面的有用金属，还可将其作为良好的冶炼原材料，提高资源的利用率。实践中有很多富集回收的方法，使得高炉瓦斯灰中有价值的成分重新利用，其中直接还原法、选矿法以及化学浸出法得到了广泛应用。

1.1 直接还原法

直接还原法是指在还原剂的参与下，高温焙烧瓦斯泥，使氧化锌还原为单质锌。由于锌的沸点较低，高温条件下转化为气态流入烟气中，冷却后形成固态，变成ZnO的形态进入粉尘中。因此，最后的产物高炉瓦斯泥中无锌，达到了脱锌的目的。瓦斯泥中的C也能起到还原作用。目前，直接还原法是一种应用广泛的污泥脱锌方法，具有脱锌效率高、处理量大、反应速度快等优点。

佟志芳等使用转底炉工艺，首先，高炉瓦斯污泥（其中铁、锌的含量分别为43.61%、1.28%）经过造粒，然后在马弗炉中高温（1 200℃）煅烧20 min。最后得到的产物是金属化球团，其中铁含量＞65%、金属化率可以达到80%、含锌量＜0.1%[4]。甘肃酒钢集团下辖的宏兴钢铁股份有限公司、中冶南方工程技术有限公司等企业还取得了以含锌高炉瓦斯泥为原料，采用底吹法制备氧化锌和金属化球团的相关技术专利[5-7]。

1.2 选矿法

选矿方法是根据污泥中铁、锌、碳的特性和分布，选择性地提取或分离出相应的组分。相较于其他矿物，碳的密度小，为了将碳从其他矿物中分离出来，可以使用合适的重力介质。含锌矿物在瓦斯泥中的磁力很小，而铁矿石则拥有相当的磁性，为了分离这两种矿物，可采用适当的磁选工艺。此外，锌一般出现于细小颗粒矿物中，采用旋流、摇床分选等方法进行分离，可以从细颗粒矿物中富集锌[8]。

1.3 化学浸出法

化学浸出是将气泥中的锌经化学浸出溶解成溶液，达到脱锌的一种方法，主要功能是分离高炉瓦斯泥里面的锌，目标性强，效果很好。按照使用的浸出剂来分类，可分为酸浸、碱浸和氨浸。这几种方法都具有各自的优势和缺陷，例如，酸浸工艺由于pH过低，设备会被严重腐蚀，还容易带入其他金属杂质，如铁等；成本高，但锌的产率很高。氨浸过程中的氨溶液易水解挥发，制备环境较差，但可得到纯度较高的锌浸液。碱浸法可以降低对设备的磨损，可是药剂的需求量多，此外，反应必须在高温条件下进行，能耗大[9]。另外，化学浸出工艺一次性的处理量有限，需要与其他工艺相结合才能增加锌富集量，其间会排出大量浸出液废水，带来环境污染。

2 高炉瓦斯泥的综合利用

2.1 作为炼铁原料

高炉瓦斯污泥作为一种原料，是最简单、最早的处理方法，可直接高温加热熔化，冷却后成为铁矿烧结或球团。相较于其他方法，该法具有如下优点：直接将高炉瓦斯泥作为原料，无需购买且节省其他工序进行加工处理，可直接根据已有的炼铁工序生产，不需要增加设备投入，成本较低且操作方便；生产过程中可短期内提供大量高炉瓦斯泥，可产生大量冶炼炉料，起效快；总原料中瓦斯泥需求量相对较少，在一定范围内，即使瓦斯泥供不应求，也不会对最终产品的产量产生较大影响。

上海梅山（集团）有限公司、鞍钢股份有限公司、河北钢铁集团宣钢有限公司等直接将高炉瓦斯灰压坯加热制粒，既实现了废弃物的二次利用，又提高了某些性能指标。在鞍钢股份有限公司的研究中，采用高炉瓦斯污泥制粒的方法，将烧结的高炉瓦斯污泥均匀地分布在球团矿中，不仅可以杜绝球团在还原过程发生体积异常膨大的现象，还能使球团高度还原，改善球团的高温回火等特性，降低软化温度，加速生产。研究表明，掺入高炉瓦斯污泥，不仅可以提高高炉瓦斯污泥中有价元素的利用率，还能降低一些经济技术指标（如焦比），提高产量和保持炉内压力稳定，实现正常运行。但瓦斯泥元素的改变可能打破炉内各因素之间的平衡，使其运行不稳定。高炉瓦斯污泥的物理性质差别较大，运输困难。因此，瓦斯泥的利用技术还不完善，存在的问题还需进一步探讨。另外，在炼铁炉料制备过程中直接应用高炉瓦斯污泥，容易导致锌等金属不能有效去除和连续富集的现象，抬高了高炉的锌负荷（炉内锌负荷应不大于130 g/t），干扰生产过程。

2.2 制作水泥

邹俊甫做了一个试验：在炼铁过程中，生料中加入部分高炉瓦斯灰，作为铁质校正原料，补充Fe2O3。研究表明，此操作减少了对生料磨机的损耗、改善了熟料物理学性能，提高了水泥的生产量，增加了经济效益[10]。这对促进工业固体废物的综合利用、减少污染、治理环境和变废为宝等有着极为重大的作用。

2.3 制备絮凝剂

李善评等利用高炉瓦斯泥生产曝气生物滤池的填料，以高炉瓦斯泥为主，Na2SiO3和黏土为辅，利用正交试验来探究使用高炉瓦斯泥制造生物曝气过滤机的填料的最佳条件[11]。试验证明，当反应温度为600℃时，投加15%的黏土，硅酸钠和高炉瓦斯灰的用量分别为6%、79%，填料的处理效果最好。在此工艺条件下生产的曝气生物滤池填料可用于含油废水的处理。但为了保证较好的去除效果，必须严格控制反应条件。例如，当滤层高度达到100 cm时，将水力停留时间控制在4 h，将气水比控制为6:1，此时COD和氨氮的去除效率至少为70%，还可以去除六成的色度。以高炉瓦斯灰为原料制备絮凝剂，开辟了高炉瓦斯泥综合利用的又一新领域。

2.4 作为吸附剂

瓦斯泥具有比表面积大、反应活化能低、粒度小等特点，硅酸盐、活性炭粒和一些氧化物含量丰富，可以高效地吸附高浓度有机废水中的化合物。A López-Delgado等通过高炉瓦斯泥吸附重金属离子。最终结果证实：在赤铁矿相中，更容易发生瓦斯泥吸附铅离子的现象；高炉瓦斯泥对每种重金属的吸附量都不同，其中对于铅的吸附量最大，具体为铅＞铜＞铬＞镉＞锌；温度不同，高炉瓦斯泥对金属的吸附量也不同，温度和吸附量之间存在正比关系，在80℃时，瓦斯泥对铅离子的吸附量可以达到79.89 mg/g；瓦斯泥的吸附能力随Fe2O3和C总的比值的增加而升高[12-13]。

唐光临利用高炉瓦斯泥和Fe颗粒来处置焦化废水[14]。实践证明，在高炉瓦斯泥中添加细小铁颗粒，可有效去除其中的COD，比传统的高炉瓦斯泥法效果更好。酸碱度和反应时间等对这种方法的去除效果会产生较大干扰。

2.5 高炉瓦斯泥用于开发新产品

高炉瓦斯泥具有硬度小、表面活性大、颗粒细小等特点。此外，炭粉还有吸附能力，一定程度上可以代替胶凝材料和絮凝剂。黄石水泥厂对高炉瓦斯灰的处理应用中，将作为原材料生产水泥，在提高水泥产量、节约电能消耗的同时，还提高了水泥的质量。有试验人员将高炉瓦斯泥用来制造墙体材料，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墙砖。结果表明，当高炉瓦斯泥含量＜30%时，墙砖的抗折能力、膨胀率和抗压强度等都能达到国家相关指标。

用高炉瓦斯泥研发的新产品，可以带来附加价值，不仅可以减少资源的投入，提升企业的经济效益，而且有助于应对企业在环境问题上的困境。但该领域的研究目前还不多，大规模生产技术还很不成熟，需要进一步发展。

2.6 其他用途

王涛等利用高炉瓦斯泥在电炉中成功地制备出泡沫渣，结合实验室理论的学术研究和现场试验的实际研究，最终认定了现场应用工艺和冷压成型工艺[15]。研究证明，将瓦斯泥浆进行压实处理能够促进泡沫渣的形成。当瓦斯泥的投加量为1 t时，炭和全铁的承载力分别为149.6 kg、351.1 kg。此时，泡沫渣点反应由于高炉瓦斯污泥中的炭和铁的参与，吹氧喷炭的操作过程被强化，会减少一定数量的金属消耗和喷炭量。

杨光华将高炉渣、砂、粉煤灰、石灰等掺合到瓦斯泥中，运用蒸汽养护法制备了新型的粉煤灰砖[16]。当高炉瓦斯泥的投加量为30%时，粉煤灰砖可以承受31.2 MPa的强压，经过25个冷冻循环后，砖的承受能力还有19.4MPa，且质量损失率小于2%，达到了同类砖一等品的标准，抗压强度为10 MPa。此外，该工艺经济成本低，操作简单。

3 结语

近年来，我国经济高速发展，矿产资源消耗加剧，实行资源循环利用迫在眉睫。提取废弃物中的有价值成分，变废为宝，是未来资源利用的趋势。发展循环利用技术不仅可以解决金属的短缺问题，还能促进我国金属资源利用技术的进步，在实现废弃资源综合利用的同时，还能推动我国循环经济的发展。

对于企业而言，发展循环利用技术十分重要。目前，钢铁行业竞争激烈，要想减少投入、提高收入，取得良好的经济效益，必须经济、有效地利用高炉瓦斯泥。深入地钻研高炉瓦斯泥的综合应用技术，可以大范围地利用资源，降低经济成本。瓦斯泥中含有大量锌，实际证明，化学浸出法、直接还原法以及选矿法等处理技术已经逐渐完善，这些措施具有各自不同的特点，适用于不同的条件。因此，在实际运用中，各企业要根据自身状况选用处置工艺。