钢铁粉尘处置及资源化利用的研究进展

彭 犇，田 玮，吴朝昀，岳昌盛

（1.中冶节能环保有限责任公司，北京 100088；2.中国冶金科工股份有限公司，北京 100028）

钢铁粉尘来源于钢铁行业生产车间，一般是指在烧结、炼铁、炼钢等生产工序中利用除尘设施对高温烟气进行除尘后得到的产物。粉尘产量巨大，是钢厂中除冶炼渣外产量最大的固废。据统计，粉尘产生比例按工序分别为：烧结占烧结矿2%～4%，炼铁约占铁水3%～4%，炼钢约占钢产量3%～4%，轧钢约占轧材0.8%～1.5%，因此每生产1 t钢铁能产生88～135 kg的粉尘，按照我国钢铁产量8亿t统计，目前钢铁粉尘年产量高达数千万吨。

2016年12月25日，《中华人民共和国环境保护税法》获得通过，并于2018年1月1日起施行。钢铁粉尘属于大气污染物经除尘得到的固体废物，无污染无害化处理是企业环境保护的重要责任。有别于煤矸石或冶炼渣等大宗固废，粉尘种类繁多，组分差异较大，且不同企业同种工序的粉尘也有可能随原料状况、环保设备配置、管理水平差异而有所不同，因此粉尘利用要充分结合粉尘组成综合考虑，粉尘中的铁、钙和碳成分可以在钢铁流程中回收利用，是有价有益组分，但粉尘中还含有碱金属钾、钠和重金属铅、锌等成分，这些是对钢铁生产有害的组分，在粉尘利用中要尽量避免有害成分进入钢铁生产流程中[1-2]。

目前，国内外对粉尘处置及资源化利用的技术开展了深入研究，取得了较大进展，但大多针对资源化利用，对利用过程中的环境保护关注较少，如部分粉尘在利用过程中有可能造成对环境的二次污染，或对生产带来负面影响，这些都是粉尘利用要解决的关键问题。随着我国在大气污染防治和工业节能环保方面的重视，未来粉尘处置及资源化利用要兼顾环境保护和资源利用。

钢铁粉尘处置及资源化利用可分为钢铁工序内部利用、无害化处置、除杂加工利用和高附加值利用技术等。一般来说，对于杂质含量较低的粉尘利用较为简单，可以采用直接利用或简单加工再利用方式；对于杂质含量较高的粉尘，直接利用容易对生产和环境保护造成负面影响，需要进行除杂后再利用。

1 钢铁工序内部利用

钢铁工序直接利用处置规模大，成本较低，是目前粉尘利用的重要方式。

1.1 直接资源化回用

由于粉尘中含有大量的Fe、Ca、C成分，它们是钢铁原料的主要组分，因此上述成分含量较高的粉尘可在生产中直接利用，例如，粉尘直接作为原料配加到烧结配料中。但粉尘配入烧结配料中不能过高，否则容易造成烧结污染物排放增大，降低烧结矿性能。

1.2 加工后资源化回用

1.2.1 粉尘造粒

粉尘直接配如对烧结透气性等有负面影响，因此将粉尘进行造粒，如采用圆盘造粒方式，再作为烧结球团配料，可以避免上述问题。

1.2.2 冷固结造球

以精矿粉、尘泥等为原料进行造球，然后应用于高炉、转炉等工序，冷固结成本较低，过程较环保，但对冶炼有影响，如导致出渣量增大。

1.2.3 回收精粉

针对瓦斯泥，采用二段重选、浮选-磁选、重选-磁选、重选-浮选-磁选等工艺回收瓦斯泥中的铁精粉和碳精粉，其优点在于提高了铁品位、碳品位，有利于烧结回用[3]。

一般来说，粉尘直接利用可以解决部分粉尘的处置及资源化难题，但由于缺乏粉尘除杂过程，其在直接利用过程中影响钢铁生产，如粉尘中的钾在高温烧结过程中挥发再凝结将影响电除尘效果，降低除尘效率，或是在循环中进入高炉，引起高炉结瘤，破坏焦炭强度等。粉尘中的铅锌元素将随烧结矿进入高炉，在高炉内挥发和循环富集，致使高炉结瘤，影响高炉正常生产[4-5]。

2 无害化处置

1980年，美国环保机构（EPA）将含锌铅等重金属的钢铁厂粉尘，划归为K061类物质（有毒的固体废物）。有毒固废的无害化处置也成为粉尘的处置技术之一，分为玻璃化和固化。玻璃化通过改变粉尘中重金属形态，使有毒物可溶性、流动性和毒性降低；固化是改变粉尘物理形态，使其形成固化结构。固化或玻璃化的特点是工艺比较简单，运行成本较低，但缺点是粉尘中的金属如铁、锌、铅、碳等有价组成没有回收[6]。

3 除杂技术

由于钢铁原料如矿粉、熔剂、燃料等本身含有杂质K、Zn等，这些杂质形成的化合物一般熔、沸点低，在高温条件下容易挥发，在钢铁工序中利用会导致杂质在粉尘中的持续富集。除杂是解决含杂质粉尘问题的关键。

3.1 湿法除杂处置和资源化利用

3.1.1 烧结除尘灰湿法除杂处置和资源化利用

烧结机头除尘灰中含有大量的K、Na元素，多以水溶氯化物形式存在，因此可采用水溶分离、结晶提纯技术，将可溶氯化物在水中分离，然后可以将分离后的不同物质再分别进行利用[7-8]。

3.1.2 含锌粉尘湿法除杂处置和资源化利用

对于中锌和高锌粉尘，利用氧化锌不溶于水或乙醇但可溶于酸、氢氧化钠或氯化铵的特性，通过酸浸、碱浸以及氨联合浸出将锌从混合物中分离出来[9]。一般来说，湿法工艺由于需要大量水和药剂，容易产生大量难处理泥浆，且对设备磨损和腐蚀大。

3.2 火法除杂处置及资源化利用

火法工艺主要用于铅锌粉尘，其除杂和资源化利用效果最好，可分为隧道窑、回转窑、转底炉等技术。其中，隧道窑由于能耗高、还原效率低，对环保压力大，不属于目前主要发展方向。

3.2.1 回转窑技术

回转窑技术又称为威尔兹法，有两段威尔兹法和一段威尔兹窑法，是指粉尘通过与焦粉、无烟煤等其他物质混合制团，在回转窑中得到粗的氧化锌粉尘。提纯后的锌精粉品位在40%以上，回收率能达到80%。其缺点在于回转窑体填充率低和金属化率较低，且高温容易产生结圈现象，另外，一般要求粉尘中铅+锌的质量分数在20%以上才有较好的经济效益[10]。

3.2.2 转底炉技术

目前，实际应用的转底炉工艺有FASTMET、INMETCO、Redsmelt等[11-12]。其主体设备和工艺比较类似，区别在于处置原料（如冶金尘泥、钒钛磁铁矿、细精矿粉等）、后续产品加工类型（DRI、烧结配料、电炉熔融原料）以及后续尾气处置（Zn回收、余热回收）等方式。转底炉技术的优势体现在：工艺流程短、设备少、对原料适应性强；有别于传统长流程高炉-转炉炼钢工艺，转底炉属于典型短流程工艺，设备较少；对原料品位、强度要求低，可使用粉料、无需配加焦炭，可以处置含杂质尘泥。未来应进一步提升转底炉单体设备产能，加大对降低运行能耗技术的研究和推广。

4 粉尘高附加值加工再利用

4.1 制备磁性材料

氧化铁皮（鳞）和氧化铁红的铁含量均较高，可以生产磁性材料，其附加值显著较高，可以用于制备铁氧体磁性材料，经过深加工后可以生产永磁材料和软磁材料[13]。

4.2 制备氧化铁颜料

高炉除尘灰中含有较多的氧化铁和氧化亚铁，采用湿式磁选与焙烧的方式可以制备氧化铁红颜料[14]。将电炉粉尘通过酸溶沉淀和煅烧方式制备颜料，通过控制中和滴定速度，可以生产不同颜色的颜料，制备出的ɑ-Fe2O3粉体纯度高达99.5%[15]。

4.3 制备氧化锌

将含锌电炉粉尘与氧化钙充分混匀后高温下焙烧，制备出的ZnO、Ca2Fe2O5、ZnFe2O4三种物质分别呈现无磁性、顺磁性和强磁性，可以利用磁性技术达到分离回收提取ZnO的目的。

5 结语

钢铁行业粉尘产量巨大，其处置和资源化利用已经成为我国固废处置的重要组成部分，但在其利用过程中要注意避免对生产和环境保护造成负面影响。人们应当从资源利用、环境保护和降低处置成本等多方面综合考虑粉尘的处置及资源化利用，例如，对于其中杂质含量较少的粉尘，应当在避免对生产和环保造成负面影响的前提下利用；对于杂质含量较多的粉尘，应当进行杂质有效去除后进行利用。另外，应该鼓励钢铁粉尘利用的创新技术研发，从而进一步提升粉尘的高附加值利用。