冶金尘泥处理技术及资源化利用现状与进展★

雷玉办， 韦 响， 谢玉艳， 韦文业， 王 岩

（广西现代职业技术学院资源工程系， 广西 河池 547000）

冶金生产主过程中不可避免产生各类尘泥，通过干式收集的称为尘，通过湿式收集的称为泥。由于矿产资源紧张及品位的降低，冶炼生产流程中烧结除尘灰、高炉炼铁除尘灰、转炉及电炉炼钢尘泥、轧钢含铁尘泥、铜冶金沉淀污泥等的产量不断提高。庞大数量的尘泥如不进行处理而直接排放，不仅浪费大量有用资源，而且严重污染环境。目前处理冶金尘泥的主要方式有固化处理法、资源化利用、填海法等。固化处理法及填海没有本质上解决冶金尘泥造成的环境问题，已经不能适应当前冶金尘泥的处理趋势。更有部分企业则采用不处理、不排放的处理方式，直接将污泥堆积，该法占用了大量的土地资源，有害元素渗透到地下水，污染地下水资源。因此在我国大力提倡环境友好、循环利用资源的工业大环境下，冶金尘泥资源化循环利用成为了研究的热点[1-2]。本文简述我国冶金尘泥利用现状，着重分析了各冶金尘泥处理技术及资源循环利用方法的优缺点，并指明了未来冶金尘泥资源化循环利用的趋势。

1 冶金尘泥处理利用现状

1.1 冶金尘泥的基本特征及危害

冶金尘泥（灰）包括钢铁冶炼产生的瓦斯灰（泥）、烧结灰、转炉泥、轧钢杂灰等以及有色冶炼产生的铜化学沉淀污泥、锌冶炼污泥等。冶金尘泥主要含有铁的氧化物、氧化钙等氧化物以及有用金属元素，成分含量随着厂家不同各异。冶金尘泥粒度较细，容易扬尘，污染大气。尘泥中含有有害元素如：Pb、Gd、CN-、As等，在堆积场中随着雨水渗透到地下，污染地下水。同时尘泥的堆放不仅占用大量的土地资源，而且有害元素渗透到土壤中，改变土壤成分，污染土壤[3-4]。

1.2 冶金尘泥处理利用现状

目前钢铁冶炼尘泥的利用主要是将其简单处理送入烧结系统进行烧结，接着送到高炉进行冶炼，达到回收利用的目的。但是此利用方法单一粗放，存在如下缺点：由于各种尘泥成分及水分差别较大，造成烧结原料成分不稳定，影响烧结效果；有害元素富集，容易造成高炉内有害元素恶性循环；含有对电除尘不利的有害元素，影响除尘效果[5]；影响烧结矿或球团矿的强度及其他性能的稳定；影响厂区环保，在运输过程中存在扬尘问题。有色冶炼尘泥（渣）由于有用元素含量低，处理成本较高，大部分企业常采取堆放的方式进行处理，占用了宝贵的土地资源，又存在巨大的环境安全隐患，很容易造成有害元素渗透污染环境[6]。

2 冶金尘泥处理利用技术

我国冶炼企业每年产生冶金尘泥数量非常巨大，光钢铁冶炼每年产生的尘泥约占到钢产量的10%左右，2018年我国钢产量按9亿t计算，产生的尘泥的量就达约9000万t。数量巨大的尘泥如得不到妥善处理，不仅会造成资源的巨大浪费，还会造成环境的污染[7]。资源化利用是处理冶金尘泥必然选择，国内外学者对冶金尘泥资源化利用做出了大量的研究与实践，我们对典型处理技术进行综述。

2.1 金属化球团技术

将尘泥与黏结剂及碳粉（如尘泥中本身含有还原剂可不加）进行充分混合制成球团，干燥后放入直接还原设备中（转底炉、回转窑、竖炉）进行直接还原，得到产品金属化球团及粗锌等。金属化球团具有强度较高有害元素少等特点，不仅可以用于高炉冶炼也可作为转炉冶炼中的化渣剂和冷却剂，粗锌经过精炼后可以直接销售或者作为他用。由于转底炉工艺具有构造简单、生产效率高、原料要求低、投资少等特点，所以转底炉工艺比回转窑和竖炉更具优势。2009年7月马钢新引进日本技术建成投产国内首个年处理量为20万t尘泥脱锌转底炉工程。产出金属化球团直接用于炼钢，通过布袋除尘系统回收产品中锌含量达到65%左右，体现出较高的金属回收率[8-9]。

2.2 冷压球团技术

冷固球团法是处理冶金尘泥较为常见的方法。该法将污泥与黏结剂按照一定比列进行混合，通过压球机将污泥压制成为具有一定粒度的球团，然后将其送入堆料场进行养护，养护一段时间后，最后通过运输工具送入炉子进行冶炼。冷固球团法能耗少，工艺流程较为简单，不仅可减少厂区中污泥的堆放面积，而且减少了污泥对环境的污染[10]。罗渝东、郭秀键等人研究认为除尘灰冷压球球团的最优原料配比为转炉一次除尘细灰∶转炉一次除尘粗灰、转炉二三次除尘灰、氧化铁皮的质量比为 20∶10∶45∶25，此条件下得到的冷压球团干球抗压强超过700 N／个，湿球落下强度约7次／个[11]。冷固球团法也存在缺点，由于冷固球团法没有经过热处理，球团强度较低，造成球团在运输过程中破碎较多。其次由破碎形成的粉末入炉后容易发生冒烟现象，加入冷压球团过多会直接影响化渣效果。再次存在冷固时间长、球团堆放占用大量土地面积等问题[12]。

2.3 喷灰技术

喷灰技术是将符合一定粒度要求的冶金粉尘与粉煤按照一定配比在高炉风口同时喷入高炉进行冶炼，达到回收利用粉尘的目的。该技术工艺简单，基本上不需要额外加工工序，投资少，因此该技术得到较多钢铁企业的运用。但是由于粉尘成分波动较大且粒度较细，造成喷入炉内后各项指标不易控制，更为严重的是粉尘中含有对高炉内衬有害的元素，例如Na、K、Zn等元素对炉衬腐蚀严重[12]。姜曦一、白兴全、周东东等人开展干熄焦除尘灰直接喷吹工业试验，将干熄焦除尘灰替代部分高价无烟煤，用于高炉喷吹，认为干熄焦除尘灰可代替部分高炉喷吹无烟煤，降低了喷煤成本，解决了无烟煤短缺的问题[13]。

2.4 湿（火）法技术

湿法处理技术是通过浸出剂将对后续冶炼工序产生影响的有害元素从污泥中分离出来，并进行富集回收。常见的浸出方法一般有酸浸、碱浸、细菌浸出等浸出方法。高炉除尘灰中Zn主要以ZnO形式存在，根据热力学分析，ZnO不仅可以溶解于酸也可以溶解于碱而生成锌离子，但酸浸将Zn浸出的同时，Fe等杂质溶解进入浸出液中，对后续的除杂工序造成不利影响。Fe和C等元素几乎不溶于碱液，因此利用碱液将尘泥中的Zn分离出来，然后通过电积工序将碱液中的Zn富集回收。部分尘泥含有铁酸锌，铁酸锌既不溶于酸也不溶于碱液，极大地降低了锌的浸出率，因此在浸出前先对尘泥进行焙烧处理，将铁酸锌转化为可以溶解于碱液的锌的化合物，可极大提高锌的浸出率[14]。付志刚、张梅、吕娜等人研究以含铅钢铁冶金烧结机头电除尘灰为原料，采用HCl-NaCl混合溶液湿法浸取回收其中的氯化铅，研究显示浸出稳定且高效。盛广宏、刘坤、许开华等人采用二次酸浸法回收冶金尘泥中有用金属，先采用水和硫酸作为浸出剂，浸出镁和钠，再以酸为浸出剂浸出镍、钴等，取得了较好的浸出率。唐复平、于淑娟、钱峰等人利用圆盘造球机制成双层结构（内层为由瓦斯灰、瓦斯泥、转炉泥等，外层为转炉灰或转炉泥及黏结等组成）的复合球团，进行还原实验，取得了良好的脱锌效果[15-18]。

2.5 选矿冶金联合技术

该技术联合了物理、选矿、冶金等处理方法，其基本目的是将冶金尘泥有害元素除掉，富集回收有用元素。利用磁选法回收尘泥中磁性铁，利用浮选法回收碳，利用重选法回收弱磁性或者非磁性铁，同时可将锌富集回收。张晋霞、牛福生等人开发了絮团尘泥高效分散-水利旋流器脱锌-浮选回收碳-重选回收铁成套工艺技术，并进行试验研究，试验结果表明分选各项指标较好。杨大兵、陈萱等采用“酸浸-除杂-电积”工艺流程回收锌的选冶联合工艺处理高炉除尘灰，获得了碳、铁、锌品位和回收率均较高的产品。选矿冶金联合法，一般处理流程较长，对处理颗粒有一定粒度要求，过细或过粗的颗粒均对处理的效果产生不利的影响，对起泡剂、捕收剂浓度的选择也有对应的要求，但可以解决尘泥中有害元素的分离及贵金属的富集回收问题[19-21]。池汝安、石玉磬、余军霞等人采用氨水和铵盐复配对铜冶金污泥中的铜、锌、镉和铅进行选择性浸出的试验研究，试验结果表明基本实现了锌、铜、镉的回收以及铅元素的分离。高志明、周显瑞采用了重选-筛分工艺处理高炉除尘灰，铁产品品位及回收率均超过50%，既可以满足返厂的要求也符合直接销售的要求，并且该工艺体现出了处理成本低、效率高的特点，具有较高的推广、应用价值[22-23]。选矿冶金联合技术体现了较强的工业适应性，处理效果较佳，但也存在工艺流程较长、控制变量多的问题。

2.6 制备技术含量较高的材料

李江、赵乃勤等人采用物理和化学法对除尘灰进行分离和提纯并利用得到的碳粉制备颗粒活性碳研究，实现了冶金尘泥的利用向技术含量较高的材料研究方向迈进[24]。高志芳、苏畅、李娜等人以含铁冶金尘泥为原料，采用共沉淀法制备了钙铁双氧载体（CaS04Fe2O3）材料，体现出较好的活性[26]。制备高附加值产品是拓宽冶金尘泥资源化利用途径的重要方向。

3 资源化利用模式

3.1 小循环利用模式

小循环主要有两种模式。

1）尘泥（灰）-球团-高炉（转炉）-尘泥（灰）循环模式。采用球团法将尘泥制成具有一定强度及一定粒度的球团，将球团及球团矿按照一定配比加入高炉进行冶炼。传统转炉炼钢冷却剂及化渣剂主要有废钢、块状铁块石、萤石等，这些冷却剂及化渣剂存在一定的缺点，经过球团化的尘泥可作为炼钢的冷却剂及助溶剂，并且可缩短返干期及冶炼周期，经济效果较为显著。吾塔、臧疆文等人研究认为电炉除尘灰脱锌制成球团后，用于电炉造渣剂，可以提高脱硫脱磷效果，强化渣的流动性并可以抑制铁水的氧化。冷固球团作为造渣剂、冷却剂返回转炉生产，要求尘泥具有一定的强度并且铁含量要求超过50%以上[26]。为克服尘泥有害元素对炉衬的腐蚀，通常在球团前先进行预处理工序将有害元素除掉。卿家胜、段向东、肖明富等人利用转炉干法除尘灰开发出新型复合造渣剂用于转炉冶炼过程，该造渣剂不仅能够满足转炉冶金各项性能的要求而且体现出了较好的经济性，钢铁料消耗降低0.69 kg／t，吨钢辅料成本降低2.68元[27-28]。该循环利用模式流程短，处理费用较低，效果较为显著，是一种较为主流的冶金尘泥资源化循环利用模式。

2）尘灰-喷灰-高炉-尘灰循环模式。将粉尘与煤粉同时从高炉风口处喷入高炉进行冶炼，实现对尘泥的循环再利用。此循环模式流程简单，额外加工设备少，可以有效分解高炉产生的粉尘，实现自产自销的效果。但是喷灰法容易造成有害元素的积累，对炉衬的腐蚀作用明显，目前还没有较好的办法解决此问题[29]。

3.2 大循环利用模式

大循环主要有两种模式。

1）尘泥-烧结-高炉-转炉-尘泥循环模式。此循环模式是将尘泥经过预处理后送入烧结工序进行烧结，按照一定比列加入高炉中进行冶炼，接着回到转炉中进行炼钢，达到尘泥循环利用的目的。转炉污泥直接用于烧结，由于粒度与其他烧结原料相差较大，造成混合不均、料层透气性变差，最终影响烧结速度。烧结过程中会产生新的粉尘，增加烧结工序中粉尘回收的负荷。此循环模式铁的回收率较低，能源消耗大，处理费用较高。

2）尘泥-球团-高炉-转炉-尘泥循环模式。此循环模式是将尘泥经过球团法制成满足一定强度及含量要求的球团，然后送入高炉中进行冶炼，然后回到转炉中进行炼钢，达到尘泥循环利用的目的。而球团法制成球团有利于改善高炉炉料透气性，促进气流的均匀分布，高炉综合冶炼指标优于烧结矿。因此相比第一个大循环利用模式，此循环模式能耗消耗较低，处理费用较低，处理效果较好。

4 结语

目前，国内外冶金学者对冶金尘泥资源化利用做了大量的研究与实践，涌现出了各类冶金尘泥处理技术，各技术各有优缺点。当前单一的处理方法很难满足效率高、能耗低、效益好冶金尘泥的处理总体要求，联合处理法是汲取各方法的优点而形成的综合处理方法，它能够克服单一方法的缺点，成为冶金尘泥处理不可或缺的新的手段。例如先通过物理选矿冶金法将冶金尘泥中的有害元素富集回收，再通过冷压球团或者金属化球团技术制成球团，返回高炉或转炉中再次利用的物理-选矿-冶金-球团联合处理工艺，不仅消除了有害元素的影响，又富集回收了有用元素，达到了资源化利用冶金尘泥的目的。当前冶金尘泥资源化循环利用主要有尘泥（灰）-球团-高炉（转炉）-尘泥（灰）及尘灰-喷灰-高炉-尘灰两种小循环模式，尘泥-烧结-高炉-转炉-尘泥及尘泥-球团-高炉-转炉-尘泥两种大循环模式。尘泥（灰）-球团-高炉（转炉）-尘泥（灰）小循环模式具有工业适应性强、能耗低、处理费用低、综合效果好的优势。以“自产自销”的资源化循环利用为主，开发冶金尘泥制的高附加值产品为辅的处理技术是今后冶金尘泥资源化利用新的趋势。