張偉，趙德勝,劉寶奎,張磊,李建軍,范振夫,張海明

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山114021）

鋼鐵企業(yè)在煉鐵、煉鋼以及軋鋼等各工序會產(chǎn)生大量粉塵，約占到總鋼產(chǎn)量的10%左右。隨著近年來霧霾天氣頻發(fā)，保護環(huán)境成為全社會共識，國家針對工業(yè)粉塵排放的管控日趨嚴格，尤其重點涉及的鋼鐵企業(yè)壓力加大，各工序除塵設施不斷增加升級，使粉塵的數(shù)量也持續(xù)增加，這些粉塵往往含有大量鐵和碳而具有很高的利用價值，傳統(tǒng)方式一般將其作為配料返回燒結，實現(xiàn)企業(yè)內部回收。但其中部分粉塵含有較高的鋅等有害元素，直接回配將使鋅不斷循環(huán)富集，導致高爐鋅負荷超標，對生產(chǎn)順行和安全長壽造成危害，而另一方面由于含鋅粉塵質量遠不及傳統(tǒng)煉鋅原料，提鋅價值有限，通常也無法直接給煉鋅企業(yè)使用，因此如何有效處置含鋅粉塵一直是業(yè)界的重要課題。目前國內外已有諸多工業(yè)化成熟技術，本文對相關工藝進行了闡述和分析，以期為企業(yè)采用適宜的處置方式提供參考。

1 鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)中鋅的來源

鋼鐵企業(yè)從高爐順行及安全長壽考慮，應嚴格限制原燃料鋅含量，通常要求高爐鋅負荷不超過0.15 kg/t（鐵水），但由于經(jīng)營形勢、原料條件或主觀上不重視，很多企業(yè)的高爐鋅負荷都超出以上標準。以鞍鋼為例，鞍鋼鲅魚圈分公司4038 m3高爐鋅負荷曾達到1.5 kg/t左右，通過進行高爐鋅平衡分析發(fā)現(xiàn)，90%以上的鋅都是由燒結礦帶入，表1為進一步對燒結部分原料檢驗鋅含量后的對比結果。由表1可知，粉塵類物料的鋅含量普遍較高，尤其高爐干法布袋灰含鋅最高，而各精礦的鋅含量都較低（均未超過0.01%），因此含鋅粉塵回配燒結是導致高爐鋅負荷過高的直接原因，經(jīng)過減少和暫?；嘏涓煞ɑ业雀咪\粉塵料后，高爐鋅負荷隨之明顯降低。

表1 含鐵原料鋅含量對比（質量百分數(shù)） %

鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)中的鋅初始主要來源于鐵礦原料，雖然鐵礦中伴生的鋅含量都極低，但由于鋅的循環(huán)富集特點使其在系統(tǒng)中會不斷累積，而迫于成本壓力使用低價料比例增大，入爐品位降低，也促使進入系統(tǒng)的鋅量增加。另一方面，隨著鍍鋅產(chǎn)品增長，煉鋼中使用的含鋅廢鋼也成為鋼鐵系統(tǒng)中鋅的一大來源，含鋅廢鋼的使用使轉爐粉塵的鋅含量明顯提高，電爐煉鋼粉塵的鋅含量通常會更高。

在傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)過程中，含鋅粉塵回配燒結模式導致鋅的循環(huán)幾乎沒有出口，從而造成系統(tǒng)中的鋅量只增不減，尤其對高爐造成諸多危害影響，減少粉塵回配量或短期停用并不能從根本上解決問題，關鍵還是要脫除鋅等有害元素，國外在此領域的研究較早，開發(fā)了眾多的含鋅粉塵處理工藝，尤其一些已工業(yè)化的成熟技術值得借鑒。

2 工業(yè)化含鋅粉塵處理技術概況

2.1 選礦法處理技術

選礦法即采用常規(guī)選礦技術實現(xiàn)粉塵中Zn、C、Fe元素的分離和富集，根據(jù)鋅具有富集在粒度較小和磁性較弱粒子上的特性，可利用水力旋流器使含鋅高的較細粉塵溢流［1］，含鋅低的較粗粉塵底流，進而通過重選浮選選碳、磁選選鐵。選礦法相對工藝簡單、運行成本低、易于實施，但脫鋅率相對不高，能達到70%左右，從提鋅考慮一般作為濕法或火法工藝的預處理工藝。

2.2 濕法處理技術

濕法技術一般用于較高鋅含量（＞15%）的粉塵處理，主要有酸浸法和堿浸法。酸浸法主要是用硫酸、鹽酸、醋酸等作浸出劑，粉塵中的鋅化合物在酸中溶解，對浸出液過濾除雜后電積回收鋅，部分化學反應如下：

采用強酸（硫酸、鹽酸等）浸出工藝鋅的浸出率較高，在常溫常壓下為80%以上，在高溫、加壓條件下可提高到90%以上，但大量鐵及其他硅、鋁等雜質也易被浸出，加重了后序凈化負擔，影響產(chǎn)品質量［2］。弱酸（碳酸、醋酸等）浸出工藝能耗較低，氧化鋅產(chǎn)品質量較高，但鋅浸出率低，特別是當其主要以鐵酸鋅形式存在時，鋅浸出率更低。

堿浸法主要是用氫氧化鈉等強堿作浸出劑，還有用氨溶液或氨與銨鹽的混合溶液作浸出劑，鋅氧化物溶于堿中轉入溶液，部分化學反應如下：

堿浸法相對選擇性好，得到的浸出液更純，可制取純度較高的氧化鋅產(chǎn)品，但鋅浸出率相對較低，鐵酸鋅形式的鋅難被浸出。

總體而言，濕法工藝相對能耗小、設備投資少，但浸出劑消耗多，生產(chǎn)效率較低，除雜工藝步驟繁瑣，而且普遍存在設備腐蝕嚴重、浸渣易造成二次污染等問題。由于濕法工藝更適用于較高鋅含量的粉塵處理，通常國外用其處理電爐粉塵方面研究的較多。

2.3 火法處理技術

目前鋼鐵企業(yè)普遍流行的處理方法仍是火法工藝，對相關設備和配套技術也更加熟悉?；鸱ㄌ幚砉に嚨幕驹矶际抢娩\沸點較低、高溫易揮發(fā)的性質，通過還原使粉塵中的鋅揮發(fā)再富集回收。主要化學反應為：

火法工藝的典型工業(yè)化代表是回轉窯、轉底爐、豎爐和小高爐幾種技術，此外還有一些利用微波、等離子等手段的新技術，下面對幾種典型的火法脫鋅工藝進行介紹。

2.3.1 回轉窯工藝

回轉窯工藝是用固體燃料作還原劑，以回轉窯為反應器，能處理較廣的原料，目前已發(fā)展出多種類型，有威爾茲法（Waelz）、川崎法、SL/RN法、SDR法等。其中以Waelz回轉窯工藝應用最為廣泛，該工藝是20世紀20年代德國克虜伯公司為處理鋅精煉渣而開發(fā)，其基本流程見圖1［3］。具體將含鋅粉塵和還原劑（煤、焦粉或含碳粉塵）輔以石灰等，經(jīng)配料、混合造球（也可不造球）送入回轉窯，在1 100～1 300℃高溫處理，物料中的金屬氧化物與碳質還原劑發(fā)生反應，還原的鋅揮發(fā)進入煙氣并二次氧化，煙氣經(jīng)冷卻（或余熱鍋爐換熱）后集塵，其中氧化鋅含量約55%～60%，可作為鋅冶煉廠粗氧化鋅原料；還原后的窯渣經(jīng)破碎、磁選等，金屬化鐵料可作為煉鐵高爐或燒結原料，殘留的炭粒也被回收。另外還設置有吸附過濾裝置，用吸附劑 （活性炭等）過濾氯化物及二噁英等污染物，使廢氣達到排放標準。

圖1 Waelz回轉窯工藝流程

回轉窯工藝脫鋅率較高，普遍能達到90%以上， 歐美 Horsehead Resources Development、B.U.S AG、Global Steel Dust Ltd等，以及日本住友金屬、中國臺灣鋼聯(lián)等都廣泛采用（表2），處理能力從數(shù)萬到數(shù)十萬噸，大都用于處理含鋅＞15%的電爐粉塵，否則經(jīng)濟效益不佳，不過日本開發(fā)的回轉窯傾向處理低鋅粉塵。國內同類型回轉窯多是Waelz工藝，大都是煉鋅企業(yè)用來處理浸出渣，而處理鋼鐵粉塵的較少，文獻介紹過的有云南紅河鋅聯(lián)公司、昆鋼等采用過其技術［4］。

回轉窯工藝具有工藝成熟、投資低、運行簡單的顯著優(yōu)點，但處置低鋅物料不太適宜，鐵料金屬化率也低，生產(chǎn)過程中常發(fā)生結圈現(xiàn)象，寶鋼曾進行回轉窯處理高鐵含鋅塵泥工業(yè)試驗，發(fā)現(xiàn)窯內結圈相當嚴重，認為不可行。

2.3.2 轉底爐工藝

轉底爐是目前鋼鐵企業(yè)應用最廣泛的處理工藝，該技術最早可以追溯到1965年由Midland Ross公司（Midrex公司前身）開發(fā)的Heat-Fast工藝，轉底爐不僅僅局限于處理鋼廠內含鋅固廢，后來也作為一項非高爐煉鐵工藝得以不斷改進和發(fā)展，至今已開發(fā)出多種類型，例如Fastmet、INMETCO、ITmk3等工藝。比較典型的如Fastmet工藝（圖2）［5］，其工藝過程主要是將含鋅粉塵（或鐵礦）與其它碳質還原劑混合造球（或壓塊），干燥后送入轉底爐，爐料隨著爐底旋轉1周約10～30 min，料層高度約l～3層球團，在1 250℃以上高溫快速還原處理，鋅等元素還原揮發(fā)進入煙氣，普遍可實現(xiàn)脫鋅90%以上，同時獲得金屬化率70%以上的金屬化球團。

轉底爐工藝很受日本鋼鐵企業(yè)青睞，新日鐵、神戶制鋼等先后投產(chǎn)多座并對其展開深入研究，我國也有很多鋼鐵企業(yè)投產(chǎn)，如馬鋼、沙鋼、日照、榮程、萊鋼、臺灣中鋼等（表 3）［6］，大都用于處理企業(yè)內部產(chǎn)生的煉鐵及煉鋼含鋅粉塵固廢，也有企業(yè)直接使用鐵礦生產(chǎn)DRI或粒鐵。

表2 部分回轉窯工藝應用情況

圖2 轉底爐工藝流程

轉底爐工藝經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)很成熟，脫鋅率普遍較高，與其它方法相比，轉底爐的優(yōu)點在于對原燃料的要求比較靈活，工藝設備簡單易于制造，轉底爐本體類似于軋鋼環(huán)形加熱爐，一些輔助設施也與傳統(tǒng)球團廠相似，投資較低，污染也相對較小。缺點是由于轉底爐主要依靠輻射傳熱，爐底只鋪l～3層球團，普遍存在能耗高、生產(chǎn)率低的問題；另外由于處理的粉塵成分復雜，煙氣中易凝結物質較多，使余熱回收系統(tǒng)容易出現(xiàn)堵塞黏結；出料設備、耐材等損耗較快也需進一步優(yōu)化。

2.3.3 富氧豎爐工藝

傳統(tǒng)沖天爐用于熔煉鑄造鐵已有多年歷史，爐料包括生鐵、廢鋼等，燃料采用鑄造焦和氣體燃料等，德國Kuttner公司開發(fā)的Oxycup富氧豎爐工藝即源自傳統(tǒng)沖天爐的改良技術。該工藝基本流程如圖3［7］。將燒結、高爐、轉爐及軋鋼等工序產(chǎn)生的各類粉塵配以焦粉等還原劑，以水泥為黏結劑，混合壓制成大小約100～150 mm的六棱柱型磚塊，養(yǎng)護約3天即可入爐使用。Oxycup爐為富氧熱風豎爐，從爐頂裝入型磚、廢鋼、渣鋼、焦炭、礫石等爐料，從下部風口吹入富氧熱風，爐料經(jīng)過預熱、還原、熔化、渣鐵分離等冶金過程，最終生成鐵水、爐渣和煤氣。煤氣凈化后可預熱熱風或并入煤氣管網(wǎng)，濕法除塵收集的富鋅粉塵污泥外銷給煉鋅廠，脫鋅率達到95%以上。

Oxycup工藝在墨西哥Sicartsa、德國TKS、日本新日鐵、JFE和我國太鋼都有采用，部分豎爐工藝應用情況見表4所示。

表3 部分轉底爐工藝應用情況

圖3 Oxycup富氧豎爐工藝流程

表4 部分豎爐工藝應用情況

德國蒂森克虜伯公司所用的豎爐高約10 m，爐缸直徑2.6 m，處理能力25～50 t/h，其熱風流量30 000 m3/h，溫度約650℃，鼓風壓力40 kPa，同時噴入3 500 m3/h氧氣，焦比為200～350 kg/t。采取連續(xù)出鐵制度，鐵水產(chǎn)量 15～65 t/h，渣量 15～30 t/h，爐頂煤氣量約50 000 m3/h，熱值約4 200 kJ/m3，煤氣除塵污泥可以壓塊回用，一般使含鋅量富集到30%以上再外銷。每6周左右要停爐維修一次，主要是修補耐材，檢修需約6天時間。

Oxycup工藝具有傳統(tǒng)沖天爐的優(yōu)點，對爐料種類適應性廣、爐料強度要求低、生產(chǎn)靈活，能夠處理鋼鐵企業(yè)含鋅粉塵以及渣鋼類的大塊廢料。缺點是燃料比較高、設備運行周期短、維修量大，此外壓塊工序也投資較高、流程較復雜。

2.3.4 小高爐工藝

德國DK公司專門利用580 m3小高爐處理各類鋼鐵粉塵和廢舊電池，每年處理歐洲各鋼廠的45萬t含鋅粉塵，可回收28萬t生鐵和1.7萬t富鋅粉，同時處理廢舊電池達到2 000 t/a左右。

工藝過程即傳統(tǒng)高爐煉鐵模式，配套60 m2燒結機，燒結所用原料為轉爐塵泥、高爐塵泥、軋鋼鐵皮、電池等固體廢料及部分正常鐵礦，高爐主要冶煉鑄造鐵，焦比為630 kg/t，煤比為70 kg/t，燃料比在700 kg/t以上，煤氣利用率約為30%，高爐風口12個，風量65 000 m3/h，日產(chǎn)鐵量約1 000 t。由于DK小高爐主要以各種固廢為原料，入爐堿金屬負荷約為 8.5 kg/t，鋅負荷則達到 38 kg/t［8］，高爐煤氣除塵可回收富鋅粉塵，其鋅含量高達65%～68%，具有很高市場價值。

DK小高爐工藝完全基于傳統(tǒng)煉鐵模式，各種設備及技術相當成熟，除了鋼鐵粉塵還能有效處理廢舊電池。缺點是由于專門處理各類固廢，高爐堿金屬、鋅等負荷極高，對長壽及順行的危害影響也更嚴重。

3 含鋅粉塵處理工藝對比

表5對鋼鐵含鋅粉塵處理技術進行簡要對比。

表5 含鋅粉塵處理工藝對比

綜合來看，火法工藝相對更契合我國鋼鐵企業(yè)，其中回轉窯較適于處理高鋅的電爐粉塵，否則經(jīng)濟上可能不劃算，小高爐雖是鋼鐵企業(yè)最熟悉的工藝，但目前國家限制其發(fā)展，這也使國內含鋅粉塵的處理主要集中在轉底爐與豎爐工藝上。

需要注意的是，幾種火法工藝在國外都取得了較好的經(jīng)濟和環(huán)境效益，這與其自身各方面條件以及國外嚴格的環(huán)保法規(guī)是分不開的。此外鋼鐵企業(yè)含鋅粉塵具有循環(huán)累積的特點，隨著開路處理會使系統(tǒng)循環(huán)的鋅量減少，粉塵含鋅量也會降低，脫鋅意義下降，因此選擇處理工藝還應綜合其它功能，例如轉底爐能生產(chǎn)金屬化球團，富氧豎爐可以熔煉廢鋼鐵等，各有特點，企業(yè)應結合自身需求慎重考慮。

4 結語

隨著入爐原燃料質量下降、含鋅廢鋼用量增加，同時環(huán)保壓力不斷加大，含鋅粉塵的有效處理已成為鋼鐵企業(yè)一項重要工作。由于傳統(tǒng)工藝模式下無法避免鋅的循環(huán)和危害，采用新的專門處置工藝成為可行措施之一，對比目前已工業(yè)化的幾類處置技術，綜合來看火法工藝更適合鋼鐵企業(yè)，Waelz回轉窯、轉底爐、Oxycup豎爐、DK小高爐等各具特點，都取得了比較成功的經(jīng)驗，目前國內投產(chǎn)轉底爐較多，其次是富氧豎爐，經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐已日趨成熟，企業(yè)可結合自身各方面條件選擇適宜的工藝路線，或參考其運行經(jīng)驗，繼續(xù)深入研究，探尋更高效、更經(jīng)濟的處理方法。

［1］曹克，胡利光.水力旋流分離技術在瓦斯泥脫鋅工程中的應用與研究［J］.寶鋼技術， 2006（5）:16-24.

［2］張榮良，李鳳連.從鋼鐵廠含鋅煙塵中濕法回收鋅的研究現(xiàn)狀及存在的問題［J］.濕法冶金， 2014， 33（3）:165-167.

［3］K.Mager,U.Meurer,J.Wirling.Minimizing Dioxin and Furan Emissions during Zinc Dust Recycle by the Waelz Process［J］.JOM， 2003（8）:20-25.

［4］劉平，曹克.鋼鐵廠含鋅含鐵塵泥資源化利用途徑探討［J］.世界鋼鐵， 2013（4）:20-26.

［5］張偉，王再義，王相力，等.粒鐵法煉鐵技術進展及應用前景［J］.鞍鋼技術,2013（1）:6-9.

［6］全榮.鋼鐵廠塵泥的回收利用 ［N］.世界金屬導報，2012-10-9（B08）.

［7］Christian Bartels-von Varnbüler，李晟.環(huán)境技術投資不僅僅有利于環(huán)境保護［J］.世界鋼鐵，2014（1）:57-63.

［8］C Hillmann，K J Sassen， 周澍.高爐處理轉爐含鋅粉塵［J］.世界鋼鐵， 2013（5）:8-9.