高炉尘泥渣综合利用研究现状

曾丹林，刘胜兰，龚晚君，王光辉，苏 敏，马亚丽

（武汉科技大学 化学工程与技术学院，湖北省煤转化与新型炭材料重点实验室，湖北 武汉 430081）

钢铁生产过程中，每生产1t钢铁会产生300～500kg固体废弃物。据统计，目前我国钢铁厂固体废弃物的年产量约为4．3亿t，但其综合利用率只有18．03%［1］。这些固体废弃物大部分露天堆放或填埋处理，不仅占用大量土地，而且其中的铅、镉、铬等有毒元素容易污染周边环境。

高炉尘泥渣是钢铁冶金行业中的主要固体废弃物，含有大量铁、碳、钙、锌、铅等有价元素。如何高效利用这些高炉尘泥渣并提高其综合附加值，减少环境污染，是钢铁企业面临的重大课题。

1 高炉尘泥

1．1 高炉尘泥性质

高炉尘泥是高炉冶炼过程中随高炉烟气带出的原料粉尘经除尘之后的产物。高炉尘泥粒度较细且不均匀，表面粗糙，有孔隙，有一定腐蚀性和毒性，晶相复杂，有色金属分离较为困难［2］。

1．2 高炉尘泥综合利用现状

1．2．1 作为烧结原料

近年来，很多钢铁厂将高炉尘泥配入烧结原料中循环利用。乔启平等［3］研究了高炉尘泥烧结工艺。将高炉尘泥配入烧结原料中进行烧结，工艺简单，生产成本较低。但是由于粒度细，会大大影响烧结料层的透气性，也会影响矿石的烧结强度；同时，尘泥中的锌、铅等易挥发元素在高炉内循环富集，易造成煤气管道堵塞，影响生产顺行进行。

1．2．2 回收碳精矿和铁精矿

高炉尘泥中的碳和铁含量较高，通过浮、重、磁选等方法进行干式或湿式分离，可以得到合格的碳精矿和铁精矿。武汉钢铁集团采用浮选法从高炉炼铁尘泥中获得含碳65%的碳精矿和铁品位56%的铁精矿。马钢集团采用浮选—重选联合工艺，年生产碳精矿（w（C）＞70%）2 600t，高品位铁精矿（w（Fe）≥ 52%）3 300t［4］。王玮等［5］采用二级磁选—浮选—重选工艺得到高品位碳精矿（w（C）＞75%）和铁精矿（w（Fe）＞55%），提纯后的碳精矿可直接用于高炉喷煤，铁精矿可直接返回烧结，而锌等则残留富集在尾泥中。汪文生等［6］的研究结果表明，采用较简单的浮选工艺可以获得质量较优的碳精矿、铁精矿和少量尾矿。徐柏辉等［7］采用浮选—重选工艺从高炉尘泥中回收碳、铁，获得碳品位80．09%的碳精矿、回收率为88．04%；铁品位61．13%的铁精矿、回收率为56．12%。

回收碳、铁精矿的工艺简单，技术可靠，投资成本低，具有明显的经济效益。但该工艺消耗大量水，后续处理较为困难，而且基本没有考虑重金属回收问题，尘泥中的锌一部分以铁酸锌复合氧化物形式存在，使分选后铁精矿中锌的含量超标。

1．2．3 回收有价金属

从高炉尘泥中回收有价金属主要有湿法和干法。湿法工艺主要处理锌质量分数大于15%的高锌尘泥［8］，而我国目前钢铁厂产出的尘泥大多为低锌尘泥（锌质量分数＜5%），所以火法工艺是目前处理高炉尘泥的最可行的方法。火法主要有直接烧结法和金属化球团法［9］。

李辽沙等［10］研究了从高炉尘泥中回收锌。在高温还原条件下，以尘泥自身的焦炭粉为还原剂，锌氧化物被还原并汽化成锌蒸汽，与固相分离，冷凝后用醋酸转化成醋酸锌产品。结果表明：在1 373．2K温度下还原60 min，高炉尘泥脱锌率可达98%，醋酸锌产品纯度达98．7%。黄志华等［11］对高炉尘泥进行了化学浸出除锌研究，结果表明：用硫酸作浸出剂，在液固体积质量比8∶1、温度20℃、硫酸质量浓度125g／L、浸出时间35min和搅拌速度150r／min最佳条件下，锌浸出率达73．9%，高炉尘泥中的锌质量分数从1．46%降低到0．38%。郭翠香等［12］研究了采用碱浸出—电解工艺综合回收铅和锌。在浸出时间30min、浸出温度70℃、NaOH浓度5 mol／L、液固体积质量比11∶1条件下，铅、锌浸出率均大于90%；浸出液直接电解回收铅，铅纯度≥95%；电解铅后的溶液经净化后电解回收锌，锌纯度≥97%。喻庆华等［13］研究了从尘泥中回收铋。在有Fe3＋存在的HCl体系中浸出铋，然后用铁屑置换海绵铋，铋回收率达92%，品位高达90%。该法工艺流程短，金属回收率高，成本低，具有较好的经济效益。

1．2．4 作为吸附剂

高炉尘泥对Cu2＋、Pb2＋等重金属离子具有较好的吸附效果。罗立群等［14］研究了尘泥对Cu2＋的吸附行为，讨论了尘泥用量、Cu2＋初始浓度、反应时间对Cu2＋吸附的影响。结果表明：在尘泥用量8．0g／L、Cu2＋初始质量浓度20mg／L、反应时间50min条件下，Cu2＋去除率达97．86%。陈晓等［15］用尘泥吸附废水中的Pb2＋，结果表明，影响Pb2＋吸附的主要因素是溶液pH、尘泥投加量、Pb2＋的初始浓度及接触时间，最佳条件下，Pb2＋吸附率可达99．5%。高炉尘泥的多孔性和比表面积决定吸附效果。处理后的尘泥可以循环利用。高炉尘泥在废水处理领域具有很好的应用前景。

2 高炉渣

2．1 高炉渣的性质

高炉炼铁过程中排出的渣为高炉渣，分为炼钢生铁渣、铸造生铁渣、锰铁渣、钒钛渣等，每炼出l t生铁大约产生300～350kg的高炉渣［16］。高炉渣中的主要矿物有黄长石、硅酸二钙、假硅灰石、辉石以及少量硫化物等，锰铁渣中还含有方锰矿等。高炉渣的化学成分主要是SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、FeO、S等，有些渣中还含有微量TiO2、V2O5、Na2O、BaO、P2O5、Cr2O3等，其 中，CaO、SiO2、Al2O3占高炉渣质量的90%以上。

2．2 高炉渣综合利用现状

2．2．1 生产水泥

高炉渣中铁含量较低，且主要以无机盐形式存在。高炉渣属于硅酸盐质材料，是在1 400～1 600℃高温下形成的熔融体，因而便于加工成多种建筑材料，如生产水泥。

2．2．2 制备陶瓷材料

朱喆等［17］研究了以高炉渣为原料制备Ca、Y复合掺杂α-Sialon陶瓷材料。以高炉渣合成的Ca-α-Sialon粉末为原料，以Al2O3（质量分数为5%）、Y2O3（质量分数为4%～14%）为烧结助剂，以聚乙烯醇为成形黏结剂，按组分配置的初始粉料球磨混合，球磨后经干燥、造粒，在一定压力下单向预压成形、静压成形，成形坯体在一定条件下于纯N2气氛中烧结，烧结完成后随炉冷却，即可得到Ca／Y-α-Sialon陶瓷材料。结果表明，试样中的Ca-α-Sialon呈等轴晶粒，Ca／Y-α-Sialon呈柱状晶粒，晶粒形状与Y3＋的固溶量与烧结温度有关。薛向欣等［18］研究了用高炉渣制备复相陶瓷材料，通过破碎、球磨、过筛、配料、湿混、干燥、干混、模压成型、高温烧结等一系列过程合成了 TiN／（Ca，Mg）-α′-Sialon粉末，将粉末与添加剂CaCO3混合，单轴向模压成型后，在一定条件下烧结即可获得 TiN／（Ca，Mg）-α′-Sialon复相陶瓷材料。

用高炉渣制备陶瓷材料工艺简单，生产成本低，环境污染小，是高炉渣综合利用的一条新途径。

2．2．3 作为吸附剂

高炉渣是一种多孔物质，比表面积较大，表面能较高，同时表面存在许多铝、硅等活性点，具有较强的吸附能力。磷是引起水体富营养化的主要元素之一。高炉渣中的铁氧化物能够吸附磷酸根，同时由于钙氧化物的溶解，水的pH增大到10以上，这种条件下钙与吸附的磷酸根形成羟基磷酸钙而沉淀下来［19］，因此，可用高炉渣作为磷酸盐吸附剂从废水中去除磷。Yamada H．［20］等研究了高炉渣对磷酸盐的吸附作用，结果表明，磷酸盐的吸附量与溶液pH、高炉渣孔隙度、温度以及电解质浓度有关。

Lena Johansson等［21］认为，磷的去除与较强的碱性条件（pH＞9）和存在的大量可溶钙有关，其机制主要是形成羟基磷酸钙沉淀，但高炉渣吸附的磷能否被植物吸收仍有待于研究。黄玲［22］对高炉渣吸附除磷性能进行了试验将一定配比的吸附剂与标准溶液混合置于锥形瓶中，再将锥形瓶置于恒温振荡器中振荡吸附，一定时间后过滤，用分光光度法测定滤液中残留的磷酸根浓度，结果表明，高炉渣对水中的磷有良好的吸附去除效果。

高炉渣在水溶液中形成硅酸胶体，可以吸附阳离子，对 Cu2＋、Pb2＋、Zn2＋、Cd2＋、Ni2＋、Cr6＋等重金属离子都有很好的吸附去除效果。S．V．Dimitrova［23］研究了用高炉渣从废水中吸附 Cu2＋、Zn2＋、Ni2＋，结果表明，Cu2＋、Zn2＋、Ni2＋的去除效果与接触时间、初始离子浓度、pH和溶液温度等条件有关。S．K．Srivastava等［24］研究了用高炉渣吸附pb2＋和Cr6＋，结果表明，高炉渣在很宽的浓度范围内对pb2＋、Cr6＋有很好的去除效果。

3 结语

目前，我国高炉尘泥渣的资源化综合利用研究已取得一些成绩，但距离实际应用仍有一定差距。加大高炉尘泥渣综合利用研发力度，大力开发新技术、新产品，提高经济效益，降低资源消耗率，减少环境污染，实现跨越式发展仍是今后的主要发展方向。

［1］刘军．冶金固体废弃物资源化处理与综合利用［J］．中国环保产业，2009（8）：35-40．

［2］佘雪峰，薛庆国，王静松，等．钢铁厂含锌粉尘综合利用及相关处理工艺比较［J］．炼铁，2010，29（4）：56-62．

［3］乔启平，张皓．尘泥回收利用烧结工艺研究［J］．河北冶金，1997（1）：13-19．

［4］常云海．高炉炼铁尘泥综合利用技术研究［J］．太原科技，2009（11）：79-83．

［5］王玮，孟令和．除尘灰综合利用技术的开发与应用［J］．中国资源综合利用，2011，9（2）：23-26．

［6］汪文生，冯莲君，潘旭方，等．用浮选法综合回收高炉瓦斯泥中碳、铁试验研究［J］．金属矿山，2004（增刊）：498-500．

［7］徐柏辉，王二军，杨剧文．高炉瓦斯灰提铁提碳研究［J］．矿产保护与利用，2007（3）：51-54．

［8］Zeydabadi B A，Mowla D，Shaniat M H，et al．Zinc Recovery From Blast Furnace Flue Dust［J］．Hydrometallurgy，1997，47（1）：113-125．

［9］王东彦，陈伟庆，周荣章，等．钢铁厂含锌铅粉尘配碳球团的直接还原工艺［J］．北京科技大学学报，1997，4（2）：130-133．

［10］李辽沙，李开元．回收高炉尘泥中的铁与锌［J］．过程工程学报，2009，9（3）：468-473．

［11］黄志华，伍喜庆，彭冠兰．高炉尘泥化学除锌［J］．中国有色金属学报，2007，17（7）：1207-1212．

［12］郭翠香，赵由才．从含铅锌烟尘中综合回收铅和锌［J］．化工环保，2008，28（1）：77-80．

［13］喻庆华，雷浩．从高炉尘泥中回收铋［J］．有色冶炼，1991（3）：42-45．

［14］罗立群，李明辉，王韬，等．转炉尘泥磁选尾矿吸附铜离子试验研究［J］．金属矿山，2012（10）：165-168．

［15］陈晓，唐艳葵，童张法，等．厌氧颗粒污泥对水中铅离子的吸附与解吸附［J］．过程工程学报，2009，9（3）：492-497．

［16］胡俊鸽．国内外高炉渣综合利用技术的发展及对鞍钢的建议［J］．鞍钢技术，2003（3）：8-11．

［17］朱喆，茹红强，常青，等．高炉水淬渣制备（Ca／Y）-α-Sialon陶瓷材料及其微组织［J］．材料与冶金学报，2007，6（3）：220-223．

［18］薛向欣，姜涛，段培宁，等．利用含钛高炉渣制备TiN／（Ca，Mg）-α′-Sialon 复 相 陶 瓷 材 料 的 方 法：中 国，CN200510047292．5［P］．2006-5-17．

［19］Baker M J，Blowes D W，Ptacek C J．Laboratory Development of Permeable Reactive Mixtures for the Removal of Phosphorus from Onsite Wastewater Disposal Systems［J］．Environmental Science ＆ Technology，1998，32（15）：2308-2316．

［20］Yamada H，Kayama M，Saito K，et al．A Fundamental Research on Phosphorus Removal Using Slag［J］．Water Research，1986，20（5）：547-557．

［21］Johansson Lena，Gustafsson Jon Petter．Phosphate Removal Using Furnace Slags and Opaka-mechanisms［J］．Water Research，2000，34（1）：259-265．

［22］黄玲．处理含磷废水吸附剂的实验研究［J］．华北科技学院学报，2004，1（2）：25-26．

［23］Dimitrova S V．Metal Sorption on Blast-furnace Slag［J］．Water Research，1996，30（1）：228-232．

［24］Srivastava S K，Gupta V K，Mohan D．Removal of lead and chromium by activated slag-a blast furnace waste［J］．Journal of Environmental Engineering，1997，123（5）：461-468．