從高爐粉塵中回收鋅的工藝現(xiàn)狀

曾丹林， 劉勝蘭， 張 崎， 羅時歡， 王光輝， 蘇 敏

(武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點實驗室， 湖北 武漢 430081)

綜合利用與環(huán)保

從高爐粉塵中回收鋅的工藝現(xiàn)狀

曾丹林， 劉勝蘭， 張 崎， 羅時歡， 王光輝， 蘇 敏

(武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點實驗室， 湖北 武漢 430081)

介紹了高爐粉塵的特性及處理現(xiàn)狀，綜述了物理法、火法、濕法、微波法、等離子法及聯(lián)合法等從高爐粉塵中提鋅的原理及工藝，評述了這些方法的特點。

高爐粉塵； 提鋅； 處理工藝

0 前言

隨著我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展以及特種鋼鐵需求的不斷增加，高爐粉塵的產(chǎn)量也與日俱增[1]，其回收及綜合利用受到了普遍的重視。目前國外對高爐粉塵利用的研究很多，但經(jīng)濟(jì)實用的處理方法研究很少。國內(nèi)對高爐粉塵利用的研究較少，大部分是將這些粉塵露天堆放或填埋處理，也有部分返回鋼鐵廠循環(huán)使用[2]。這些方法污染環(huán)境，影響高爐的正常運行，因此受到一定的限制[3-7]。

高爐粉塵中含有大量鋅、鐵等有價元素，其中鋅的含量較大。因此，對其中的鋅進(jìn)行回收利用，不僅可提高其綜合附加值，變廢為寶，減少環(huán)境污染，而且對企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有很重要的意義。

目前，國內(nèi)外處理高爐粉塵的工藝方法主要有物理法、火法、濕法、化學(xué)萃取法、微波法等，也有將這幾種方法聯(lián)合運用，本文對高爐粉塵中鋅的回收工藝進(jìn)行了綜述。

1 高爐粉塵的特點

1.1 高爐粉塵的性質(zhì)

高爐粉塵是高爐煉鐵過程隨高爐煙氣排出的爐料粉塵，主要含鐵粉、焦粉和煤粉。高爐粉塵粒度較細(xì)且不均勻，表面粗糙，質(zhì)量輕，有孔隙，具有一定的腐蝕性和毒性，由于晶相復(fù)雜，給有價金屬的分離回收帶來一定的困難。國內(nèi)外一些鋼鐵企業(yè)高爐粉塵的產(chǎn)生量和成分如表1所示[8]。

表1 國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)高爐粉塵的產(chǎn)生量和成分

由表1可以看出，高爐粉塵含鋅較高，作為鋼鐵工業(yè)的副產(chǎn)品，每生產(chǎn)1 t鋼將產(chǎn)生約20 kg含鋅10%～20%的高爐粉塵，我國2013年產(chǎn)鋼約7.8億t，則高爐粉塵的產(chǎn)出量約1 500萬t， 折合金屬鋅150～300萬t，相當(dāng)于約5 000萬t鋅礦石的開采量。

1.2 高爐粉塵的礦物組成

高爐粉塵主要由赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、鋅、焦炭、脈石等組成。赤鐵礦(Fe2O3)是高爐粉塵中的主要礦物成分，含量約為40%～45%，粒度多在0. 02～0. 1 mm；磁鐵礦(Fe3O4)含量約為10%，主要存在于赤鐵礦顆粒中，很少單獨存在；鋅主要以氧化物和鐵酸鹽固熔體的形式存在；焦炭含量占15%～20%，一般粒度較大；脈石含量占25%～30%，主要為細(xì)粒方解石(CaCO3)、石英(SiO2)等。

2 從高爐粉塵中回收鋅的工藝方法

不同鋼鐵廠回收鋅的工藝不同，目前國內(nèi)外處理高爐粉塵的工藝方法主要有物理法、火法、濕法、微波法、等離子法以及聯(lián)合方法等。

2.1 物理法

物理法主要有磁性分離法[9]和水利旋流器分離法[10]兩種。磁性分離法是利用鋅獨有的特性采用離心或磁選的方式回收鋅的一種方法。該方法簡單易行，但鋅富集率較低，且需要增加浮選除碳工藝來提高分離效率。水利旋流器分離法是通過漩流器使較細(xì)粉塵溢流，較粗粉塵入底流來實現(xiàn)分離的一種方法。該法簡單方便，投資成本低，但屬于低附加值處理，且部分高鋅粉塵不適用。因此，物理法只用于濕法或火法處理工藝的預(yù)處理。

2.2 火法

火法處理工藝是利用鋅沸點低的特點，在高溫還原條件下，鋅氧化物還原并氣化成鋅蒸氣，鋅蒸氣以金屬鋅或氧化鋅的形式回收的一種方法。火法處理的方法較多，下面主要介紹幾種較為成熟的處理工藝。

2.2.1 威爾茲法

威爾茲法[11-13]是目前應(yīng)用最為廣泛的中鋅粉塵處理工藝，在歐洲、美國、日本等國家廣泛使用。威爾茲法有一段威爾茲和二段威爾茲兩種工藝。一段威爾茲工藝主要是將粉塵與一定量的焦粉(或無煙煤)混合制成團(tuán)后加入到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，可得到含鋅55%～60%的粗級氧化鋅產(chǎn)品。二段威爾茲工藝與一段威爾茲工藝相似，第一段工藝主要是將鐵與鋅、鉛等元素分離，隨后將含鋅、鉛等元素的蒸氣通入到二段威爾茲回轉(zhuǎn)窯中再進(jìn)行處理，得到粗級氧化鋅產(chǎn)品。威爾茲法具有處理能力大、技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點，但只適用于大型化生產(chǎn)，且生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)結(jié)圈現(xiàn)象。

2.2.2 轉(zhuǎn)底爐法

轉(zhuǎn)底爐法[14]是將高爐粉塵通過混合制團(tuán)、干燥，在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)快速高溫還原得到鐵和鋅、鉛、鉀、鈉等煙氣，煙氣經(jīng)收塵器回收，可得到含鋅40%～70%的粗氧化鋅產(chǎn)品。轉(zhuǎn)底爐法具有經(jīng)濟(jì)效益好、成本低、還原速度快、鋅回收率高等優(yōu)點，但粉塵和還原劑帶入了有害元素和雜質(zhì)，將增加冶煉的負(fù)擔(dān)。

2.2.3 熔融還原法

熔融還原法是將低品位含鋅高爐粉塵制成含碳球團(tuán)，球團(tuán)加入到熔融金屬浴中，鋅氧化物快速還原為金屬鋅，鋅以鋅蒸氣揮發(fā)，氧化后可得到較高含量的氧化鋅產(chǎn)品。郭興忠等[15]研究了熔融還原法對鋅回收率的影響，結(jié)果表明，熔融還原法比其他火法處理工藝具有更好的效果，鋅的回收率高達(dá)95%。熔融還原法具有成本低、鋅的回收率高、金屬浴可重復(fù)使用等優(yōu)點，但不適用于中高鋅粉塵。

火法處理方法還有燒結(jié)法、球團(tuán)法、循環(huán)流化床法、蒸餾法、常壓揮發(fā)法等。其具有生產(chǎn)效率較高，流程短，工藝穩(wěn)定，易于優(yōu)化等優(yōu)點。因此，盡管火法處理具有設(shè)備投資較大、能耗較高、污染嚴(yán)重等缺點，但綜合來看仍具有一定的競爭力。

2.3 濕法

氧化鋅是一種兩性氧化物，可溶于酸或堿溶液中。濕法處理是采用酸、堿或氨鹽溶液分離含鐵粉塵中的鋅，再經(jīng)過一系列的處理獲得高質(zhì)量鋅產(chǎn)品的方法。濕法工藝一般用于處理中高鋅粉塵，主要包括浸出、分離、凈化、電解等流程。濕法工藝主要有酸浸和堿浸兩種工藝，其應(yīng)用現(xiàn)狀見表2[16]。

酸浸法工藝過程相對簡單，比較成熟，但原料中的Fe、Si、Al等雜質(zhì)容易被非選擇浸出，從而使整個工藝條件難以控制，技術(shù)難度增大，同時酸浸過程中需采用耐腐蝕材料，設(shè)備投資大，造成產(chǎn)品成本增加，并且鐵、碳等大量元素得不到有效利用。堿浸法對設(shè)備的腐蝕程度相對較低，浸出選擇性較好，但浸出率比酸浸法低，且除雜步驟較繁瑣。

濕法工藝的鋅浸出率較低，浸出渣難以作為鋼廠原料循環(huán)使用，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，生產(chǎn)環(huán)境較差，同時對原料比較嚴(yán)格，難以統(tǒng)一優(yōu)化，并且易造成環(huán)境的二次污染。但與火法工藝比，具有條件溫和、占地面積少、能耗低、設(shè)備投資較低等優(yōu)點。目前濕法工藝研究大多仍停留在實驗室或中間實驗狀態(tài)。

表2 濕法工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

2.4 微波法

微波能是一種清潔能源，微波加熱屬于輻射型加熱方式，具有依靠自身的介電性質(zhì)轉(zhuǎn)換微波能量對物料進(jìn)行快速選擇性加熱的優(yōu)點，消除了傳統(tǒng)加熱方式傳熱不均勻現(xiàn)象。高爐粉塵中鋅和鐵均以其氧化物的形式存在，具有較強(qiáng)的微波吸收能力。因此，高爐粉塵加入碳粉和輔助材料在微波下處理，能夠使物料快速升溫還原提取鋅。周云等[17]進(jìn)行了含鋅粉塵在微波場下脫鋅的試驗研究。結(jié)果表明脫鋅率隨著配煤量、煤粉粒度和微波功率的增加而提高，在無保護(hù)氣氛條件下，脫鋅率可達(dá)到80%左右。

微波法具有脫鋅率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、環(huán)境污染小、成本較低等優(yōu)點。但微波法還不夠成熟，尚處于實驗室研究階段，沒有大規(guī)模投入生產(chǎn)。

2.5 等離子法

目前等離子法在處理高鋅粉塵上得到了廣泛的應(yīng)用。等離子法采用氬氣為等離子氣體，氫氣、甲烷等為還原性氣體，以釷- 鎢為陰極，粉塵為陽極，通過產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體氣電弧使高爐粉塵在高溫下迅速還原，生成金屬蒸氣。金屬蒸氣因沸點不同，在冷凝器中可逐級分離回收。等離子工藝效率較高，處理設(shè)備較小，環(huán)境污染小，但能耗較大，爐襯壽命較短。

2.6 聯(lián)合方法

聯(lián)合方法是根據(jù)高爐粉塵的物理化學(xué)特性，將上述幾種方法綜合運用，以得到最好的提鋅效果。

羅文群等[18]采用火法富集- 濕法提純的方法提取含鋅原料。在最佳溫度、時間下，富集產(chǎn)品中氧化鋅含量可達(dá)82.24%，然后采用NH3-NH4HCO3溶液浸取，浸取率高達(dá)99.9%，最后經(jīng)洗滌、干燥、煅燒，可獲得純度高達(dá)98.4%的活性氧化鋅產(chǎn)品。與傳統(tǒng)工藝相比較，該法具有操作簡單、投資少、鋅回收率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、環(huán)境友好等優(yōu)點。楊大兵等[19]采用聯(lián)合工藝對高爐粉塵中的鐵、鋅、碳進(jìn)行綜合回收。通過浮選- 磁選法回收碳和鐵，然后采用酸浸—除雜—電積回收鋅，在最佳工藝條件下，鋅的總回收率達(dá)87%以上。該法具有綜合回收利用率高，廢液可循環(huán)利用等優(yōu)點。黎維中[20]采用浸出—萃取—電積工藝回收鋅，當(dāng)pH為2時，鋅浸出率可高達(dá) 97.2%，而鐵和硅的浸出率僅為0.84%和13%。采用浸出—萃取—電積工藝回收鋅具有工藝流程簡單、酸耗和雜質(zhì)浸出率較低、成本較低、綜合效益好等優(yōu)點，但該法針對于低品位的含鋅廢料。楊龍[21]采用溶劑萃取- 傳統(tǒng)濕法煉鋅的聯(lián)合工藝對含鋅原料進(jìn)行處理，通過硫酸浸出、溶劑萃取和反萃、除油等制備電解鋅產(chǎn)品。該法具有適用范圍廣、環(huán)境污染小、配置靈活等優(yōu)點。

物理法、火法、濕法、化學(xué)萃取法和微波法、等離子法等各有其優(yōu)缺點，因此開發(fā)聯(lián)合處理工藝處理含鐵粉塵，可達(dá)到資源的最有效利用，同時可減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3 結(jié)語

鋼鐵廠產(chǎn)生的大量高爐粉塵，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費，是鋼鐵廠面臨的嚴(yán)重問題之一，因此對高爐粉塵高效回收利用將是今后企業(yè)發(fā)展的重要研究課題。鋼鐵廠高爐粉塵是一種重要的鋅再生資源，從粉塵中綜合回收二次鋅的研究已受到人們的關(guān)注。開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的鋅回收處理工藝，可有效緩解資源、能源以及環(huán)境的壓力，實現(xiàn)我國短缺金屬的二次循環(huán)利用，促進(jìn)我國冶金工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，對循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)約型社會的建立具有重要意義。

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Statuofzincrecoveryprocessfromblastfurnacedust

ZENG Dan-lin, LIU Sheng-lan, ZHANG Qi, LUO Shi-huan, WANG Guang-hui, SU Min

The property of blast furnace dust and treatment status were introduced, the process principles of recovering zinc from blast furnace dust with physical method, pyrometallury, hydrometallurgy, microwave method, plasma method and combined methods, etc. were summarized, and the characteristics of the above methods were discussed.

blast furnace dust; zinc recovery; treatment process

曾丹林(1977—)，男，湖北十堰人，武漢科技大學(xué)副教授，博士，研究方向為清潔能源與化工環(huán)保。

武漢市科技攻關(guān)計劃(201060723317); 武漢科技大學(xué)校基金(2010XZ012);武漢科技大學(xué)冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室開放基金;武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室開放基金(FMRU201209)。

TF811； X756

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