工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 王静松李岩冯怀萱薛庆国佘雪峰王广左海滨 Progress in treating difficult-to-handle dust and sludge and full-scale resource utilization in an iron and steel industry cluster WANG Jing-song.LI Yan,FENG Huai-xuan.XUE Qing-guo,SHE Xue-feng.WANG Guang.ZUO Hai-bin 引用本文： 王静松，李岩，冯怀萱，薛庆国，佘雪峰，王广，左海滨.钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展.工程科学 学报，2021.43(12：1737-1749.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.09.15.004 WANG Jing-song,LI Yan,FENG Huai-xuan,XUE Qing-guo,SHE Xue-feng.WANG Guang,ZUO Hai-bin.Progress in treating difficult-to-handle dust and sludge and full-scale resource utilization in an iron and steel industry cluster[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(12:1737-1749.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.09.15.004 在线阅读View online::htps/ldoi.org/10.13374/.issn2095-9389.2021.09.15.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 难处理金矿非氰浸金研究进展 Research progress on non-cyanide leaching of refractory gold ores 工程科学学报.2019,41(3：307htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.03.003 硫酸渣脱硫制备高品质铁精矿研究进展 Review of research progress on preparation of high-quality iron concentrate from pyrite cinder by desulphurization 工程科学学报.2018,40(1)：1htps:ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.001 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展 A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry 工程科学学报.2018.40(7)：767 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.07.001 锌浸出渣有价金属回收及全质化利用研究进展 Research progress in the recovery of valuable metals from zinc leaching residue and its total material utilization 工程科学学报.2020.42(11：1400htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.16.004 中国钢铁行业超低排放之路 Research of ultra-low emission technologies of the iron and steel industry in China 工程科学学报.2021,43(1：1 https:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.06.18.003 磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中PM)5性能影响 Performance of single fiber collection PM under different magnetic field forms in the iron and steel industry 工程科学学报.2020,422：154htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.24.004
钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 王静松 李岩 冯怀萱 薛庆国 佘雪峰 王广 左海滨 Progress in treating difficult-to-handle dust and sludge and full-scale resource utilization in an iron and steel industry cluster WANG Jing-song, LI Yan, FENG Huai-xuan, XUE Qing-guo, SHE Xue-feng, WANG Guang, ZUO Hai-bin 引用本文: 王静松, 李岩, 冯怀萱, 薛庆国, 佘雪峰, 王广, 左海滨. 钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展[J]. 工程科学 学报, 2021, 43(12): 1737-1749. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.004 WANG Jing-song, LI Yan, FENG Huai-xuan, XUE Qing-guo, SHE Xue-feng, WANG Guang, ZUO Hai-bin. Progress in treating difficult-to-handle dust and sludge and full-scale resource utilization in an iron and steel industry cluster[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1737-1749. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 难处理金矿非氰浸金研究进展 Research progress on non-cyanide leaching of refractory gold ores 工程科学学报. 2019, 41(3): 307 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.003 硫酸渣脱硫制备高品质铁精矿研究进展 Review of research progress on preparation of high-quality iron concentrate from pyrite cinder by desulphurization 工程科学学报. 2018, 40(1): 1 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.001 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展 A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry 工程科学学报. 2018, 40(7): 767 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.001 锌浸出渣有价金属回收及全质化利用研究进展 Research progress in the recovery of valuable metals from zinc leaching residue and its total material utilization 工程科学学报. 2020, 42(11): 1400 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.16.004 中国钢铁行业超低排放之路 Research of ultra-low emission technologies of the iron and steel industry in China 工程科学学报. 2021, 43(1): 1 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.18.003 磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中PM2.5性能影响 Performance of single fiber collection PM2.5 under different magnetic field forms in the iron and steel industry 工程科学学报. 2020, 42(2): 154 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.24.004
工程科学学报.第43卷，第12期：1737-1749.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1737-1749,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.004;http://cje.ustb.edu.cn 钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 王静松，李岩，冯怀萱，薛庆国⑧，佘雪峰，王广，左海滨 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:xueqingguo@ustb.edu.cn 摘要简述了钢铁治金尘泥现有的处理工艺，具体介绍了回转窑工艺、Oxycup工艺、转底炉工艺.钢铁治金尘泥目前的处 理工艺主要停留在尘泥资源化回收利用的前3个阶段，往往只针对含量较高的部分元素进行分离回收.钢铁产业集聚区的尘 泥除了含有Fe、Zn、Pb、K、Na等元素，还富集了大量In、Bi、Sn、Cd等具有高附加值的稀散元素，是宝贵的有价资源.随着 国家环保法规和产业政策的要求，钢铁治金尘泥已经到了必须100%全部回收利用的新阶段.鉴于此，提出了根据各自的成 分特征进行基于产品设计的各种尘泥间的协同搭配、单元技术间的科学耦合和系统集成，实现多组分梯级分离和全量利用 的技术方案，希望能够为钢铁企业治金尘泥的全量资源化利用提供参考. 关键词钢铁产业集聚区：钢铁冶金尘泥：全量资源化利用：稀散元素：联合工艺 分类号X757 Progress in treating difficult-to-handle dust and sludge and full-scale resource utilization in an iron and steel industry cluster WANG Jing-song.LI Yan,FENG Huai-xuan,XUE Qing-guo.SHE Xue-feng,WANG Guang,ZUO Hai-bin State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:xueqingguo@ustb.edu.cn ABSTRACT Iron and steel metallurgical dust is a solid waste produced in the production process of the iron and steel industry.It has the characteristics of many types,large quantities,complex components,and many valuable elements.Japan and Germany have realized the centralized treatment and comprehensive utilization of metallurgical solid wastes,and China's current technological level is still far behind them.This paper briefly described the existing treatment processes of iron and steel metallurgical dust and mud and specifically introduced the most widely used pyrotechnic processes in enterprises,including the rotary kiln,Oxycup,and rotary hearth furnace processes.The current treatment process of iron and steel metallurgical dust and sludge mainly stays in the first three stages of dust and sludge resource recycling and often only separates and recovers some elements with high contents.In addition to elements such as Fe, Zn,Pb,K,and Na,dust and mud in an iron and steel industry agglomeration area are also enriched with large amounts of valuable and rare elements with high added values such as In,Bi,Sn,and Cd,which are precious materials.The ineffective treatment and recycling of a huge volume of iron and steel metallurgical dust and mud will cause serious air,water,and soil pollutions;affect the ecological environment,and endanger human life.Moreover,it will cause a considerable loss of valuable resources,which is not conducive to the rapid development of China's industries.With the requirements of the national environmental protection regulations and industrial policies,steel metallurgical dust and sludge have reached a new stage where 100%of all dust and sludge must be recycled.In response to this,a technical solution established on the product design based on the coordination of various types of dust and mud,scientific coupling,and system integration among unit technologies was proposed according to their respective composition characteristics to 收稿日期：2021-09-15 基金项目：国家重点研发计划专项基金资助项目(2019YFC1905705):广东省省级科技计划资助项目(GDKJ2020002)
钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 王静松，李 岩，冯怀萱，薛庆国苣，佘雪峰，王 广，左海滨 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: xueqingguo@ustb.edu.cn 摘 要 简述了钢铁冶金尘泥现有的处理工艺，具体介绍了回转窑工艺、Oxycup 工艺、转底炉工艺. 钢铁冶金尘泥目前的处 理工艺主要停留在尘泥资源化回收利用的前 3 个阶段，往往只针对含量较高的部分元素进行分离回收. 钢铁产业集聚区的尘 泥除了含有 Fe、Zn、Pb、K、Na 等元素，还富集了大量 In、Bi、Sn、Cd 等具有高附加值的稀散元素，是宝贵的有价资源. 随着 国家环保法规和产业政策的要求，钢铁冶金尘泥已经到了必须 100% 全部回收利用的新阶段. 鉴于此，提出了根据各自的成 分特征进行基于产品设计的各种尘泥间的协同搭配、单元技术间的科学耦合和系统集成，实现多组分梯级分离和全量利用 的技术方案，希望能够为钢铁企业冶金尘泥的全量资源化利用提供参考. 关键词 钢铁产业集聚区；钢铁冶金尘泥；全量资源化利用；稀散元素；联合工艺 分类号 X757 Progress in treating difficult-to-handle dust and sludge and full-scale resource utilization in an iron and steel industry cluster WANG Jing-song，LI Yan，FENG Huai-xuan，XUE Qing-guo苣 ，SHE Xue-feng，WANG Guang，ZUO Hai-bin State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: xueqingguo@ustb.edu.cn ABSTRACT Iron and steel metallurgical dust is a solid waste produced in the production process of the iron and steel industry. It has the characteristics of many types, large quantities, complex components, and many valuable elements. Japan and Germany have realized the centralized treatment and comprehensive utilization of metallurgical solid wastes, and China’s current technological level is still far behind them. This paper briefly described the existing treatment processes of iron and steel metallurgical dust and mud and specifically introduced the most widely used pyrotechnic processes in enterprises, including the rotary kiln, Oxycup, and rotary hearth furnace processes. The current treatment process of iron and steel metallurgical dust and sludge mainly stays in the first three stages of dust and sludge resource recycling and often only separates and recovers some elements with high contents. In addition to elements such as Fe, Zn, Pb, K, and Na, dust and mud in an iron and steel industry agglomeration area are also enriched with large amounts of valuable and rare elements with high added values such as In, Bi, Sn, and Cd, which are precious materials. The ineffective treatment and recycling of a huge volume of iron and steel metallurgical dust and mud will cause serious air, water, and soil pollutions; affect the ecological environment; and endanger human life. Moreover, it will cause a considerable loss of valuable resources, which is not conducive to the rapid development of China ’s industries. With the requirements of the national environmental protection regulations and industrial policies, steel metallurgical dust and sludge have reached a new stage where 100% of all dust and sludge must be recycled. In response to this, a technical solution established on the product design based on the coordination of various types of dust and mud, scientific coupling, and system integration among unit technologies was proposed according to their respective composition characteristics to 收稿日期: 2021−09−15 基金项目: 国家重点研发计划专项基金资助项目（2019YFC1905705）；广东省省级科技计划资助项目（GDKJ2020002） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1737−1749，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1737−1749, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.004; http://cje.ustb.edu.cn
·1738 工程科学学报，第43卷，第12期 achieve multicomponent cascade separation and full utilization.The full resource utilization of metallurgical dust and sludge in iron and steel enterprises provides a reference. KEY WORDS iron and steel industry agglomeration area;iron and steel metallurgical dust and sludge;full-scale resource utilization; rarefied elements:combined process 钢铁冶金尘泥是钢铁工业生产过程中产生的 响.第3个阶段是利用尘泥中的C元素，对Fe、Zn 固体废弃物，它的产量一般为粗钢产量的8%~ 等元素回收.随着国家环保法规和产业政策的要 12%-],如果不加以处理利用，会造成严重的环境 求，尘泥中In、Bi等有价元素在第4个阶段也要进 污染和资源浪费据国家统计局公布的数据， 行回收.钢铁冶金尘泥直接堆放或者填埋会污染 中国粗钢产量在2020年达到10.65亿吨，那么钢 环境，并且造成资源浪费，使用烧结法虽然投入 铁冶金尘泥的产量为1亿吨左右6刀钢铁治金尘 少、见效快，但存在处理量不大、影响高炉顺行等 泥不仅体量庞大，而且含有丰富的Fe、C、Zn、Pb、 弊端.物理法工艺处理钢铁冶金尘泥效率较低，一 K、Na等有价成分和Ca、Mg、Si、Al等可重复利 般只能作为火法工艺与湿法工艺的预处理工序4- 用的碱金属物质，部分尘泥还含有可以提取的I、 湿法工艺存在单元流程多，成本较高等问题火 Bi、Sb、Cd、Sn及其他稀有金属⑧-ッ尘泥的无害化 法处理工艺一定程度上可以实现F、C、有价元素 处理虽然能减少对环境的污染，但尘泥中有价元 的资源化利用.但存在回转窑结圈、转底炉能源 素没有回收利用，造成严重的资源浪费 利用率不高、前期投资大等问题8-9火法-湿法 在工业发达国家，强势产业通常都采用集聚 联合处理工艺虽然有优势，但回转窑结圈、转底炉 发展的模式，如IT巨头聚集地的美国硅谷、5G产 金属化球团强度波动，湿法工艺的单个有价元素 业聚集地的粤港澳大湾区都是相互关联的企业在 的回收率不高等问题依然存在202)] 特定区域集聚发展的结果.钢铁产业的集聚主要 多种有价组分联合提取已具备一定的技术水 依赖于原料指向，具备节约土地、综合利用资源等 平，但还需完善提高.在此基础上，提出根据各自 优势-)钢铁产业集聚区固废是由于钢铁产业 成分特征进行各种尘泥间的协同搭配、单元技术 在特定区域空间上集聚，使得其具备体量大，规模 间的科学耦合和系统集成，实现多组分梯级分离 化协同处理回收效益高等特征.同一钢铁产业集 和全量利用的方案.北京科技大学获得了国家十 聚区的原料品质相对稳定，产业集聚区固废的成 三五重点研发计划固废资源化项目的支持，开展 分等指标在一个可控的范围内波动.这为产业集 钢铁冶炼难处理渣尘泥协同处理利用与生态链接 聚区固废的产业化处理及全量化回收创造了较好 技术集成开发及工程示范建设 的前提 1 钢铁冶金尘泥理化特性 钢铁产业集聚区固废同样具备不同物料之间 协同处理，降碳增效的优势.比如，集聚区含碳较 1.1尘泥来源与种类 高的尘泥和含碳废渣可以作为“能源”物料，尘泥 钢铁冶金尘泥按产生工艺环节的不同可分为 处理后得到的重金属粉尘可以交由附近的制锌厂 烧结灰、高炉尘泥、转炉尘泥、电炉粉尘、轧钢污 等治金企业再利用，含碱金属物质的废渣让建材 泥等。由于生产工序的不同，这些尘泥表现出来的 企业进行再利用.一方面，钢铁产业集聚区尘泥具 性质差异有较大差别，具体表现在化学成分、物相 备相对集中、总量巨大、综合经济效益更好、社会 组成、粒度分布等方面.不同工序产生的钢铁冶 效益更高、处理的污染更少的优点，这是分散处理 金尘泥应该根据自身的特性选择合适的回收处理 无法比拟的优势：另一方面，钢铁产业集聚区尘泥 工艺，这样才能达到尘泥高效资源化利用的目标 种类多样、成分复杂，需要回收的元素种类较多且 需要注意的是，电炉粉尘中含铬的不锈钢粉尘被 元素相态组成差异较大，这是处理该类尘泥的 列人《国家危险废弃物名录》，需要严格按照国家 难点 危险废弃物处理流程和相关章程依法处理，不能 钢铁尘泥资源化处理大致分为4个阶段.第 按照一般工业固体废弃物处理方式处理.不同尘 1个阶段主要针对Fe元素进行回收.第2个阶段 泥的化学成分如表1所示24-2 是回收铁兼顾消除Z、Pb对钢铁冶炼主流程的影 从表1可以看出：①含铁粉尘中铁含量较高
achieve multicomponent cascade separation and full utilization. The full resource utilization of metallurgical dust and sludge in iron and steel enterprises provides a reference. KEY WORDS iron and steel industry agglomeration area；iron and steel metallurgical dust and sludge；full-scale resource utilization； rarefied elements；combined process 钢铁冶金尘泥是钢铁工业生产过程中产生的 固体废弃物，它的产量一般为粗钢产量的 8%～ 12% [1−2] ，如果不加以处理利用，会造成严重的环境 污染和资源浪费[3−5] . 据国家统计局公布的数据， 中国粗钢产量在 2020 年达到 10.65 亿吨，那么钢 铁冶金尘泥的产量为 1 亿吨左右[6−7] . 钢铁冶金尘 泥不仅体量庞大，而且含有丰富的 Fe、C、Zn、Pb、 K、Na 等有价成分和 Ca、Mg、Si、Al 等可重复利 用的碱金属物质，部分尘泥还含有可以提取的 In、 Bi、Sb、Cd、Sn 及其他稀有金属[8−9] . 尘泥的无害化 处理虽然能减少对环境的污染，但尘泥中有价元 素没有回收利用，造成严重的资源浪费[10] . 在工业发达国家，强势产业通常都采用集聚 发展的模式，如 IT 巨头聚集地的美国硅谷、5G 产 业聚集地的粤港澳大湾区都是相互关联的企业在 特定区域集聚发展的结果. 钢铁产业的集聚主要 依赖于原料指向，具备节约土地、综合利用资源等 优势[11−13] . 钢铁产业集聚区固废是由于钢铁产业 在特定区域空间上集聚，使得其具备体量大，规模 化协同处理回收效益高等特征. 同一钢铁产业集 聚区的原料品质相对稳定，产业集聚区固废的成 分等指标在一个可控的范围内波动. 这为产业集 聚区固废的产业化处理及全量化回收创造了较好 的前提. 钢铁产业集聚区固废同样具备不同物料之间 协同处理，降碳增效的优势. 比如，集聚区含碳较 高的尘泥和含碳废渣可以作为“能源”物料，尘泥 处理后得到的重金属粉尘可以交由附近的制锌厂 等冶金企业再利用，含碱金属物质的废渣让建材 企业进行再利用. 一方面，钢铁产业集聚区尘泥具 备相对集中、总量巨大、综合经济效益更好、社会 效益更高、处理的污染更少的优点，这是分散处理 无法比拟的优势；另一方面，钢铁产业集聚区尘泥 种类多样、成分复杂，需要回收的元素种类较多且 元素相态组成差异较大，这是处理该类尘泥的 难点. 钢铁尘泥资源化处理大致分为 4 个阶段. 第 1 个阶段主要针对 Fe 元素进行回收. 第 2 个阶段 是回收铁兼顾消除 Zn、Pb 对钢铁冶炼主流程的影 响. 第 3 个阶段是利用尘泥中的 C 元素，对 Fe、Zn 等元素回收. 随着国家环保法规和产业政策的要 求，尘泥中 In、Bi 等有价元素在第 4 个阶段也要进 行回收. 钢铁冶金尘泥直接堆放或者填埋会污染 环境，并且造成资源浪费. 使用烧结法虽然投入 少、见效快，但存在处理量不大、影响高炉顺行等 弊端. 物理法工艺处理钢铁冶金尘泥效率较低，一 般只能作为火法工艺与湿法工艺的预处理工序[14−16] . 湿法工艺存在单元流程多，成本较高等问题[17] . 火 法处理工艺一定程度上可以实现 Fe、C、有价元素 的资源化利用. 但存在回转窑结圈、转底炉能源 利用率不高、前期投资大等问题[18−19] . 火法‒湿法 联合处理工艺虽然有优势，但回转窑结圈、转底炉 金属化球团强度波动，湿法工艺的单个有价元素 的回收率不高等问题依然存在[20−23] . 多种有价组分联合提取已具备一定的技术水 平，但还需完善提高. 在此基础上，提出根据各自 成分特征进行各种尘泥间的协同搭配、单元技术 间的科学耦合和系统集成，实现多组分梯级分离 和全量利用的方案. 北京科技大学获得了国家十 三五重点研发计划固废资源化项目的支持，开展 钢铁冶炼难处理渣尘泥协同处理利用与生态链接 技术集成开发及工程示范建设. 1 钢铁冶金尘泥理化特性 1.1 尘泥来源与种类 钢铁冶金尘泥按产生工艺环节的不同可分为 烧结灰、高炉尘泥、转炉尘泥、电炉粉尘、轧钢污 泥等. 由于生产工序的不同，这些尘泥表现出来的 性质差异有较大差别，具体表现在化学成分、物相 组成、粒度分布等方面. 不同工序产生的钢铁冶 金尘泥应该根据自身的特性选择合适的回收处理 工艺，这样才能达到尘泥高效资源化利用的目标. 需要注意的是，电炉粉尘中含铬的不锈钢粉尘被 列入《国家危险废弃物名录》，需要严格按照国家 危险废弃物处理流程和相关章程依法处理，不能 按照一般工业固体废弃物处理方式处理. 不同尘 泥的化学成分如表 1 所示[24−25] . 从表 1 可以看出: ① 含铁粉尘中铁含量较高， · 1738 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期
王静松等：钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 1739 表1某钢铁厂典型粉尘的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of typical dust in a steel plant % Type TFe SiO, Cao Mgo Al203 K Na C Zn Sintering head ash 28.50 3.00 5.20 1.00 1.70 26.20 1.36 2.25 1.12 Blast furnace dry ash 17.03 2.87 2.18 0.70 2.49 0.76 0.28 34.00 16.60 Converter OG mud 58.19 1.98 10.28 3.47 1.83 0.19 0.21 1.65 0.25 Rolling line sludge 71.73 1.39 0.02 0.03 1.19 0.14 0.36 1.12 0.13 Electric furnace ash 44.73 2.06 2.92 1.38 0.56 1.32 1.32 1.14 2.61 平均质量分数为46.79%，具有很高的利用价值，处 些差异，在粒径分布上也有很大不同，表328-9显 理这类粉尘时应该主要考虑Fe元素的回收，再兼 示了某钢铁厂典型粉尘的粒度分布和比表面积 顾考虑其他元素的回收.②高炉干灰中的锌质量 分数高达16.60%，属于中高锌粉尘，这与生产用的 表3某钢铁厂典型粉尘的粒度组成和比表面积 矿种和生产循环富集的时间有关.这类粉尘应该考 Table 3 Particle size composition and specific surface area of typical dust from a steel plant 虑使用回转窑等火法工艺进行Zn元素的回收利用 Specific 由表1可知，钢铁厂产生的一次尘泥中Fe、 Type Xidum Xsoum Xgo/μm surface area/(m2.g) C、Zn、K、Na和碱性金属的含量较高，In、Bi、Sn、 Blast furnace dry ash 3.940 17.041 58.550 0.730 Cd等有价元素和稀散元素的含量很低，不容易检 Converter OG Mud 0.631 1.207 2.508 6.521 测到.随着处理工艺的发展，以回转窑、转底炉为 Rolling line sludge 3.772 27.846 84.268 0.667 代表的火法工艺可以完成对In、Bi、Sn、Cd等有 Electric furace ash 0.8881.941 4.068 4.350 价元素的进一步富集，这使得尘泥的全量资源化 Notes:Xio is the particle size corresponding to a cumulative particle size 利用成为可能.尘泥中Zn、Pb等有价元素在回转 distribution of 10%of the sample;Xso is the particle size corresponding to a cumulative particle size distribution of 50%of the sample;Xo is the 窑或转底炉中经过反应后会在烟尘中富集，烟尘 particle size corresponding to a cumulative particle size distribution of 处理后得到的粉尘，称之为二次灰26-刃通过对河 90%of the sample. 北某厂的回转窑二次灰取样检测，得到二次灰中 从表3中可以看出：①钢铁冶金尘泥的粒径 有价元素的含量如表2所示 很细，在1~90m之间.②这些粉尘粒度小，流动 表2某厂二次灰的化学成分（质量分数） 性好，会造成空气污染，危害一线工作人员健康0 Table 2 Chemical composition of secondary ash from a factory % ③转炉灰、转炉OG泥、电炉灰粒度相对更细，平 Zn Pb Bi n Sn Cd 均粒度中值直径为3.166um.转炉OG泥的颗粒粒 49.150 6.4100.2400.042 0.3500.073 度最细，比表面积最大，达到6.521m2g 13尘泥物相组成特性 由表2可知，尘泥经过以回转窑为代表的火法 资料研究表明0-3训，钢铁治金尘泥中的主要物 工艺处理后，Zn、Pb、In、Bi等有价元素和稀散元 相为Fe、碱金属和碱土、C以及一些Zn、Pb、In、 素得到了大幅度的富集.众所周知，In、Bi等有价 Bi等有色金属.其中铁主要以氧化亚铁(FCO)、氧 元素在自然界储量有限，属于战略资源，对于国家 化铁(Fe,O3)、四氧化三铁(Fe,O4)和单质金属铁 的发展非常重要.这些有价元素和稀散元素在自然 的形式存在；碱金属和碱土主要以氯化钙、氯化 界中含量极低，它们在钢铁产业流程的尘泥中进 钠、氯化钾和氧化钙、氧化镁形式存在；碳则主要 行了一次富集，但不足以规模化和经济化回收利 为焦炭粉末和部分未燃煤粉；一些Zn、Pb、In、Bi、 用.尘泥的火法处理使它们二次富集，并且钢铁尘 Sn、Cd等有色和稀有金属除了以氧化物形式存在 泥体量巨大，这为尘泥的有价组分全量资源化利用 外，还以复杂含铁氧化物的形式出现，如Fe,O,Zn 创造了有利条件.尘泥的全量化利用使提取的有 2火法处理工艺 价元素和稀散元素成为国家战略资源的重要支撑 12尘泥粒度特性 2.1火法工艺中有价元素脱除的基本原理 不同工序产生的钢铁冶金尘泥在成分上存在 钢铁企业回收利用钢铁冶金尘泥应用最广泛
平均质量分数为 46.79%，具有很高的利用价值，处 理这类粉尘时应该主要考虑 Fe 元素的回收，再兼 顾考虑其他元素的回收. ② 高炉干灰中的锌质量 分数高达 16.60%，属于中高锌粉尘，这与生产用的 矿种和生产循环富集的时间有关. 这类粉尘应该考 虑使用回转窑等火法工艺进行 Zn 元素的回收利用. 由表 1 可知 ，钢铁厂产生的一次尘泥中 Fe、 C、Zn、K、Na 和碱性金属的含量较高，In、Bi、Sn、 Cd 等有价元素和稀散元素的含量很低，不容易检 测到. 随着处理工艺的发展，以回转窑、转底炉为 代表的火法工艺可以完成对 In、Bi、Sn、Cd 等有 价元素的进一步富集，这使得尘泥的全量资源化 利用成为可能. 尘泥中 Zn、Pb 等有价元素在回转 窑或转底炉中经过反应后会在烟尘中富集，烟尘 处理后得到的粉尘，称之为二次灰[26−27] . 通过对河 北某厂的回转窑二次灰取样检测，得到二次灰中 有价元素的含量如表 2 所示. 表 2 某厂二次灰的化学成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of secondary ash from a factory % Zn Pb Bi In Sn Cd 49.150 6.410 0.240 0.042 0.350 0.073 由表 2 可知，尘泥经过以回转窑为代表的火法 工艺处理后，Zn、Pb、In、Bi 等有价元素和稀散元 素得到了大幅度的富集. 众所周知，In、Bi 等有价 元素在自然界储量有限，属于战略资源，对于国家 的发展非常重要. 这些有价元素和稀散元素在自然 界中含量极低，它们在钢铁产业流程的尘泥中进 行了一次富集，但不足以规模化和经济化回收利 用. 尘泥的火法处理使它们二次富集，并且钢铁尘 泥体量巨大，这为尘泥的有价组分全量资源化利用 创造了有利条件. 尘泥的全量化利用使提取的有 价元素和稀散元素成为国家战略资源的重要支撑. 1.2 尘泥粒度特性 不同工序产生的钢铁冶金尘泥在成分上存在 一些差异，在粒径分布上也有很大不同，表 3 [28−29] 显 示了某钢铁厂典型粉尘的粒度分布和比表面积. 表 3 某钢铁厂典型粉尘的粒度组成和比表面积 Table 3 Particle size composition and specific surface area of typical dust from a steel plant Type X10/μm X50/μm X90/μm Specific surface area/(m2 ·g−1) Blast furnace dry ash 3.940 17.041 58.550 0.730 Converter OG Mud 0.631 1.207 2.508 6.521 Rolling line sludge 3.772 27.846 84.268 0.667 Electric furnace ash 0.888 1.941 4.068 4.350 Notes: X10 is the particle size corresponding to a cumulative particle size distribution of 10% of the sample; X50 is the particle size corresponding to a cumulative particle size distribution of 50% of the sample; X90 is the particle size corresponding to a cumulative particle size distribution of 90% of the sample. 从表 3 中可以看出：① 钢铁冶金尘泥的粒径 很细，在 1～90 μm 之间. ② 这些粉尘粒度小，流动 性好，会造成空气污染，危害一线工作人员健康[30] . ③ 转炉灰、转炉 OG 泥、电炉灰粒度相对更细，平 均粒度中值直径为 3.166 μm. 转炉 OG 泥的颗粒粒 度最细，比表面积最大，达到 6.521 m2 ·g−1 . 1.3 尘泥物相组成特性 资料研究表明[30−31] ，钢铁冶金尘泥中的主要物 相为 Fe、碱金属和碱土、C 以及一些 Zn、Pb、In、 Bi 等有色金属. 其中铁主要以氧化亚铁（FeO）、氧 化铁（Fe2O3）、四氧化三铁（Fe3O4）和单质金属铁 的形式存在；碱金属和碱土主要以氯化钙、氯化 钠、氯化钾和氧化钙、氧化镁形式存在；碳则主要 为焦炭粉末和部分未燃煤粉；一些 Zn、Pb、In、Bi、 Sn、Cd 等有色和稀有金属除了以氧化物形式存在 外，还以复杂含铁氧化物的形式出现，如 Fe2O4Zn. 2 火法处理工艺 2.1 火法工艺中有价元素脱除的基本原理 钢铁企业回收利用钢铁冶金尘泥应用最广泛 表 1 某钢铁厂典型粉尘的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of typical dust in a steel plant % Type TFe SiO2 CaO MgO Al2O3 K Na C Zn Sintering head ash 28.50 3.00 5.20 1.00 1.70 26.20 1.36 2.25 1.12 Blast furnace dry ash 17.03 2.87 2.18 0.70 2.49 0.76 0.28 34.00 16.60 Converter OG mud 58.19 1.98 10.28 3.47 1.83 0.19 0.21 1.65 0.25 Rolling line sludge 71.73 1.39 0.02 0.03 1.19 0.14 0.36 1.12 0.13 Electric furnace ash 44.73 2.06 2.92 1.38 0.56 1.32 1.32 1.14 2.61 王静松等： 钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 · 1739 ·
·1740 工程科学学报，第43卷，第12期 的方法是火法处理工艺.在高温还原条件下，有价 Zinc-bearing dust Reductive agent 元素氧化物被还原生成金属蒸气，有价元素蒸气 被烟气氧化后富集于烟尘中，经收集后就可进一 步加工利用2-3刘典型火法工艺中有价元素发生 Drying,blend 的化学反应如表4所示 Zinc fume Rotary kiln Dust collection Crude zinc device oxide 表4火法工艺中发生的化学反应方程式 Kiln slag Table 4 Chemical reaction equations that occur in the pyrometallurgical Rotary kiln cooling tube process Small particles Reaction equation Direct reduced iron Element Sintering plant Reduction reaction first Oxidation reaction in the second step Large particles Blast furnace Zn ZnO(s)+CO)=Zng)+CO2()2Znk+O2()=2ZnO(g) Pb PbO +CO(=Pb(g)+CO2g) 2Pb(+02(g)=2PbO(g) 图1回转窑工艺流程图 In In2O+3CO(g)=2In(g)+3CO2(g)4In(g)+302(g)=2In2Oxg) Fig.I Process flow chart of a rotary kiln Sn SnO2s+2CO)=Sn)+2C02) Sn)+Og)=SnO2(g) 川崎法9.通过分析得出回转窑工艺的优点：回转 Cd Cdos)+COg=Cd(g+CO2)2Cd(g+02()=2CdO(g) 窑工艺脱锌率较高，一般能达到90%以上，钢铁尘 Bi BizO+3CO(g=2Bi(g)+3CO2()4Bi(g)+302g=2Bi2O 泥利用自带碳，不用加燃料或者添加较少的燃料 Fe FeO)+CO()=Feg+CO2) 就可以直接入窑，运行成本低，且具有工艺成熟、 投资低、运行简单等特点.但是回转窑不适宜处 火法处理工艺中元素脱除的基本原理大致可 置低锌物料，并且窑内物料填充率低，产品金属化 分为2类，第1类是Zn、Pb、In等有价元素先发生 率较低，产品质量较差，占地面积大，生产过程中 还原反应生成金属蒸气，后以氧化物的形式进入 常发生结圈现象o 烟气挥发脱除.第2类是以K、Na为代表的蒸气 压较高的元素，在较低的温度下，以氯化物的形式 2.3 Oxycup工艺 Oxycup工艺最早来源于冲天炉冶炼铸铁工艺， 直接挥发脱除.当然也还有一些其他元素经过物 后来由德国蒂森克虏伯钢铁公司开发，用来处理 理化学反应转化为可挥发的物质 钢铁制造流程中产生的冶金固废.该工艺主要包 火法处理工艺主要有熔融还原法、直接还原 括配料混料、压块、硬化干燥、竖炉熔炼和产品收 法等.熔融还原法的代表性工艺是Oxycup工艺 直接还原法的代表性工艺有回转窑工艺、转底炉 集五大部分组成，工艺流程如图2所示. 工艺等.钢铁企业使用较多的是回转窑工艺和转 为了满足竖炉冶炼对透气性的要求，含锌含 底炉工艺，此外还有一部分企业使用Oxycup工 铁尘泥需要混入还原剂和黏结剂通过冷固结球团 艺，下面将详细介绍一下这3种工艺 法制成六棱柱碳砖.具有一定强度的碳砖与焦炭 2.2回转窑工艺 及造渣剂一起送入Oxycup炉冶炼，完成含铁物料 20世纪20年代德国克虏伯公司为处理锌精 的预热、还原、熔化、渣铁分离等冶金过程，最终 炼渣而开发了回转窑工艺，20世纪70年代日本的 生成铁水、炉渣和煤气.铁水经预处理后送往炼 住友钢铁厂对回转窑工艺进行改进5-驹回转窑 钢车间；炉渣可作为建筑材料：煤气可作为预热燃 工艺先进行配料得到锌含量合适的入窑原料，配 料或并入煤气管网，煤气净化产生的粉尘或污泥 加煤粉，直接将两者混合后送人回转窑。煤粉一部 含锌量较高，可外售给制锌厂或进一步进行高附 分燃烧提供热量，一部分作为还原剂将尘泥还原 加值利用] 成窑渣.窑渣筛分后较大颗粒送入高炉冶炼，小颗 目前，Oxycup工艺在德国、墨西哥、日本和中 粒回用于烧结工序B-.粉尘中的锌、铅等元素富 国都得到了应用.墨西哥的斯卡特萨钢铁公司于 集于烟尘，收集后可进一步加工.回转窑工艺流程 1998年建成了年处理能力80万吨的富氧竖炉生 如图1所示 产线.德国蒂森克虏伯公司于2004年建成年处理 回转窑工艺在原来的基础上又发展出了多种 能力40万吨的富氧热风竖炉生产线.日本的新日 类型，主要有威尔兹工艺、SLRN法、SDR法、 铁公司于2005年建成年处理能力60万吨的富氧
的方法是火法处理工艺. 在高温还原条件下，有价 元素氧化物被还原生成金属蒸气，有价元素蒸气 被烟气氧化后富集于烟尘中，经收集后就可进一 步加工利用[32−34] . 典型火法工艺中有价元素发生 的化学反应如表 4 所示. 表 4 火法工艺中发生的化学反应方程式 Table 4 Chemical reaction equations that occur in the pyrometallurgical process Element Reaction equation Reduction reaction first Oxidation reaction in the second step Zn ZnO(s) + CO(g) = Zn(g) + CO2(g) 2Zn(g) + O2(g) = 2ZnO(g) Pb PbO(s) +CO(g) =Pb(g) +CO2(g) 2Pb(g) +O2(g) =2PbO(g) In In2O3(s) + 3CO(g) = 2In(g) + 3CO2(g) 4In(g) + 3O2(g) = 2In2O3(g) Sn SnO2(s) + 2CO(g) = Sn(g) + 2CO2(g) Sn(l) + O2(g) = SnO2(g) Cd CdO(s) + CO(g) = Cd(g) + CO2(g) 2Cd(g) + O2(g) = 2CdO(g) Bi Bi2O3(s) + 3CO(g) = 2Bi(g) + 3CO2(g) 4Bi(g) + 3O2(g) = 2Bi2O3(g) Fe FeO(s) + CO(g) = Fe(g) + CO2(g) — 火法处理工艺中元素脱除的基本原理大致可 分为 2 类，第 1 类是 Zn、Pb、In 等有价元素先发生 还原反应生成金属蒸气，后以氧化物的形式进入 烟气挥发脱除. 第 2 类是以 K、Na 为代表的蒸气 压较高的元素，在较低的温度下，以氯化物的形式 直接挥发脱除. 当然也还有一些其他元素经过物 理化学反应转化为可挥发的物质. 火法处理工艺主要有熔融还原法、直接还原 法等. 熔融还原法的代表性工艺是 Oxycup 工艺. 直接还原法的代表性工艺有回转窑工艺、转底炉 工艺等. 钢铁企业使用较多的是回转窑工艺和转 底炉工艺，此外还有一部分企业使用 Oxycup 工 艺，下面将详细介绍一下这 3 种工艺. 2.2 回转窑工艺 20 世纪 20 年代德国克虏伯公司为处理锌精 炼渣而开发了回转窑工艺，20 世纪 70 年代日本的 住友钢铁厂对回转窑工艺进行改进[35−36] . 回转窑 工艺先进行配料得到锌含量合适的入窑原料，配 加煤粉，直接将两者混合后送入回转窑. 煤粉一部 分燃烧提供热量，一部分作为还原剂将尘泥还原 成窑渣. 窑渣筛分后较大颗粒送入高炉冶炼，小颗 粒回用于烧结工序[37−38] . 粉尘中的锌、铅等元素富 集于烟尘，收集后可进一步加工. 回转窑工艺流程 如图 1 所示. 回转窑工艺在原来的基础上又发展出了多种 类型，主要有威尔兹工艺、ＳL/RN 法、ＳDR 法、 川崎法[39] . 通过分析得出回转窑工艺的优点：回转 窑工艺脱锌率较高，一般能达到 90% 以上，钢铁尘 泥利用自带碳，不用加燃料或者添加较少的燃料 就可以直接入窑，运行成本低，且具有工艺成熟、 投资低、运行简单等特点. 但是回转窑不适宜处 置低锌物料，并且窑内物料填充率低，产品金属化 率较低，产品质量较差，占地面积大，生产过程中 常发生结圈现象[40] . 2.3 Oxycup 工艺 Oxycup 工艺最早来源于冲天炉冶炼铸铁工艺， 后来由德国蒂森克虏伯钢铁公司开发，用来处理 钢铁制造流程中产生的冶金固废. 该工艺主要包 括配料混料、压块、硬化干燥、竖炉熔炼和产品收 集五大部分组成[41] ，工艺流程如图 2 所示. 为了满足竖炉冶炼对透气性的要求，含锌含 铁尘泥需要混入还原剂和黏结剂通过冷固结球团 法制成六棱柱碳砖. 具有一定强度的碳砖与焦炭 及造渣剂一起送入 Oxycup 炉冶炼，完成含铁物料 的预热、还原、熔化、渣铁分离等冶金过程，最终 生成铁水、炉渣和煤气. 铁水经预处理后送往炼 钢车间；炉渣可作为建筑材料；煤气可作为预热燃 料或并入煤气管网，煤气净化产生的粉尘或污泥 含锌量较高，可外售给制锌厂或进一步进行高附 加值利用[42] . 目前，Oxycup 工艺在德国、墨西哥、日本和中 国都得到了应用. 墨西哥的斯卡特萨钢铁公司于 1998 年建成了年处理能力 80 万吨的富氧竖炉生 产线. 德国蒂森克虏伯公司于 2004 年建成年处理 能力 40 万吨的富氧热风竖炉生产线. 日本的新日 铁公司于 2005 年建成年处理能力 60 万吨的富氧 Zinc-bearing dust Reductive agent Rotary kiln Direct reduced iron Dust collection device Rotary kiln cooling tube Zinc fume Crude zinc oxide Large particles Kiln slag Small particles Sintering plant Blast furnace Drying, blend 图 1 回转窑工艺流程图 Fig.1 Process flow chart of a rotary kiln · 1740 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期
王静松等：钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 1741 Ferrous dust Reductive agent Binder and water 业 Batching,mixing Pressure the ball Hardening of the dry Cold bound pellet Coke Scrap iron Agent of fusion Zinciferous dust Stock gas Dust pelletizing system Coal gas Shaft furnace Slag Hot-blast stove Cold air blast Oxygen Melted iron Slag 图2 Oxycup工艺流程 Fig.2 Oxycup process flow 热风竖炉生产线.太钢于2011年投产了3座Oxycup 2018年北京科技大学发明了一种竖炉法处理钢铁 竖炉，每个炉子设计碳砖及其他含铁物料处理量 厂含锌、铁尘泥工艺方法阿.该方法对鹤兴炉工艺 为45th.用2座竖炉分别对传统碳钢粉尘、污 进行了改进，降低了冶炼成本，减少了环境污染同 泥和不锈钢粉尘进行处理，以回收尘泥中的铬和 时增加了冶炼效率.鹤兴炉工艺的基本工艺流程 镍.第3座竖炉则作为这两座竖炉在维修期间的 如图3所示. 备用4 该工艺具备如下几个优点：①原料品质要求 Oxycup工艺有如下特点，①可以实现多种 低，可协同处理有色金属治冶炼和生活垃圾：②单一 尘泥的集中处理，减少环境污染.②副产品为煤 生产设备处理量大，适宜能力强：③一次性提取的 气、炉渣和除尘灰泥，可以有效回收利用.③该工 金属种类多啊该项技术也有不足之处，原料进炉 艺投资小，基建成本低，生产率高且灵活，当高炉 之前，需要再进行熔融造块，这会产生大量的烟尘 出现故障，此工艺可以用于补充铁水的短缺.但是 和废气，不符合国内的环保政策.由于国内产业政 上述的工艺优点在中国太钢的3座OxyCup竖炉 策的原因，该工艺没有得到很好的推广应用.随着 实际运行中并没有完全体现，目前太钢的3座 工艺的改进和产业政策的改变，“鹤兴炉”技术未 OxyCup竖炉已停止使用.由此可知，国外先进的 来有可能成为一种不错的工艺来处理钢铁冶金 尘泥处理工艺并不一定适合中国的钢铁企业，国 尘泥 内外原料的区别、产业政策的不同、相关配套技 2.4转底炉工艺 术的差异均可能是OxyCup竖炉在国内应用推广 2.4.1转底炉工艺概况 受限的因素 20世纪50年代，美国Ross公司发明了含碳球 2011年唐山鹤兴废料综合利用科技有限公司 团的转底炉直接还原法，取名为Fastmet工艺.日 与北京科技大学合作研发“高温火法在治金废料 本神户制钢与美国Midrex公司联合开发转底炉直 中提取有价元素新工艺”，2014年掌握了利用熔融 接还原新工艺，在20世纪90年代中后期取得了突 炉处理钢铁厂固废这项新工艺，在此基础上， 破性进展，使金属化球团在转底炉中还原时熔化
热风竖炉生产线. 太钢于 2011 年投产了 3 座 Oxycup 竖炉，每个炉子设计碳砖及其他含铁物料处理量 为 45 t·h−1 . 用 2 座竖炉分别对传统碳钢粉尘、污 泥和不锈钢粉尘进行处理，以回收尘泥中的铬和 镍. 第 3 座竖炉则作为这两座竖炉在维修期间的 备用[43] . Oxycup[44] 工艺有如下特点，①可以实现多种 尘泥的集中处理，减少环境污染. ②副产品为煤 气、炉渣和除尘灰泥，可以有效回收利用. ③该工 艺投资小，基建成本低，生产率高且灵活，当高炉 出现故障，此工艺可以用于补充铁水的短缺. 但是 上述的工艺优点在中国太钢的 3 座 OxyCup 竖炉 实际运行中并没有完全体现 ，目前太钢的 3 座 OxyCup 竖炉已停止使用. 由此可知，国外先进的 尘泥处理工艺并不一定适合中国的钢铁企业，国 内外原料的区别、产业政策的不同、相关配套技 术的差异均可能是 OxyCup 竖炉在国内应用推广 受限的因素. 2011 年唐山鹤兴废料综合利用科技有限公司 与北京科技大学合作研发“高温火法在冶金废料 中提取有价元素新工艺”，2014 年掌握了利用熔融 炉处理钢铁厂固废这项新工艺. 在此基础上 ， 2018 年北京科技大学发明了一种竖炉法处理钢铁 厂含锌、铁尘泥工艺方法[45] . 该方法对鹤兴炉工艺 进行了改进，降低了冶炼成本，减少了环境污染同 时增加了冶炼效率. 鹤兴炉工艺的基本工艺流程 如图 3 所示. 该工艺具备如下几个优点：①原料品质要求 低，可协同处理有色金属冶炼和生活垃圾；②单一 生产设备处理量大，适宜能力强；③一次性提取的 金属种类多[46] . 该项技术也有不足之处，原料进炉 之前，需要再进行熔融造块，这会产生大量的烟尘 和废气，不符合国内的环保政策. 由于国内产业政 策的原因，该工艺没有得到很好的推广应用. 随着 工艺的改进和产业政策的改变，“鹤兴炉”技术未 来有可能成为一种不错的工艺来处理钢铁冶金 尘泥. 2.4 转底炉工艺 2.4.1 转底炉工艺概况 20 世纪 50 年代，美国 Ross 公司发明了含碳球 团的转底炉直接还原法，取名为 Fastmet 工艺. 日 本神户制钢与美国 Midrex 公司联合开发转底炉直 接还原新工艺，在 20 世纪 90 年代中后期取得了突 破性进展，使金属化球团在转底炉中还原时熔化， Ferrous dust Reductive agent Binder and water Pressure the ball Hardening of the dry Cold bound pellet Coke Scrap iron Agent of fusion Shaft furnace Melted iron Slag Dust pelletizing system Zinciferous dust Coal gas Slag Cold air blast Oxygen Stock gas Batching, mixing Hot-blast stove 图 2 Oxycup 工艺流程 Fig.2 Oxycup process flow 王静松等： 钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 · 1741 ·
1742 工程科学学报.第43卷，第12期 Solid waste Zinc-containing scrap Mix Maintenance Condensate briquette Stockyard Furnace Silo Top Coke High temperature block bin Dust ash Contains carbon dust Bag dust Furnace gas High-temperature collector Cyclone dust collector furnace gas Fusion coalgas Iron slag Hot blast stove Hot blast furnace coalgas Containing zinc,lead dust Lead slag Dust recyeling High-temperature purification bin Dust ash Zinc and lead refined products 图3鹤兴炉工艺流程 Fig.3 Hexing furnace process flow 生成铁块，同时脉石也熔化，形成渣铁分离，被命 20世纪90年代与舞阳钢铁公司合作建立起转底 名为第三代炼铁法7-5) 炉热模型，试验获得成功.1996年与鞍山市科委合 在我国，转底炉工艺是近30年发展起来的直 作，建成一座工业试验规模的转底炉，试验取得良 接还原工艺，针对钢铁尘泥处理具有自身优势四 好结果.2001年又与山西翼城明亮钢铁公司合作 北京科技大学孔令坛等是我国开发转底炉技术的 建成年产7万吨金属化球团矿的转底炉，后续改 先驱.北京科技大学一直致力于含碳球团还原的 进后达到正常生产水平.2007为了解决莱钢高炉 机理和实验研究，获得了大量的实验数据和工程 锌的危害，北科大与莱钢合作，在国家发改委循环 技术进展，充分证明由含碳球团自还原作用生产 经济示范工程项目的支持下，建成了年处理粉尘 金属铁是完全可以实现的.1997年北科大王东彦 30万吨的大型转底炉，并投入生产5通过多年的 等51通过模拟转底炉直接还原焙烧实验得到含锌 研究开发和生产实践，获得了丰富的经验与技术 铅粉尘配碳球团直接还原的最佳工艺条件为球团 积累，我国已经全面掌握了转底炉的工艺原理、相 碱度0.9，还原温度和时间分别为1250℃和25min. 关的设备设计制造、生产运行等关键技术，已经在 2006年张建良等5通过能谱、差热及热重等分析 国内获得较为广泛的应用. 手段验证了用还原焙烧的方法脱除高炉含锌粉尘 2.4.2转底炉工艺流程及应用 中锌的可行性.2009年佘雪峰等5阿通过多种检测 转底炉工艺全流程来看可以简单概括为配料 方法对莱钢提供的烧结灰、高炉灰、电炉灰等进 造球、直接还原脱锌、二次粉尘收集和成品处理 行了基础物性研究，提出转底炉直接还原工艺处 4个主干单元60其工艺流程如图4所示.转底炉 理粉尘的优势，并在实验室模拟转底炉实验获得 工艺是将含锌碱尘泥作为原料，再加入炭粉、黏结 成功.2013年佘雪峰等56建立了含锌粉尘内配碳 剂等混合造球形成含碳生球团，生球经干燥处理 球团直接还原一维非稳态数学模型.2011年安秀 送入转底炉.球团在1250~1350℃下，10~20min 伟等57，通过实验分析了转底炉直接还原过程中 时间内快速还原，得到直接还原铁6-6)球团中 Zn、Pb、K、Na脱除和烟气形成机理.2013年佘雪 的Zn、Pb等元素富集于烟尘，加工处理提取锌和 峰和孔令坛8建立了转底炉综合数学模型，该综 其他金属元素6例 合模型对研究和开发转底炉直接还原工艺具有重 目前，转底炉处理含锌粉尘工艺已在国内多 要的理论指导意义和广泛的应用前景 家钢厂应用，包括山东莱钢、广东宝钢湛江等多家 北京科技大学在大量实验数据和工程技术 钢厂.国内典型企业转底炉生产工艺情况如表5 进展的基础上，开展了大量的半工业、工业实验 所示65-约
生成铁块，同时脉石也熔化，形成渣铁分离，被命 名为第三代炼铁法[47−51] . 在我国，转底炉工艺是近 30 年发展起来的直 接还原工艺，针对钢铁尘泥处理具有自身优势[52] . 北京科技大学孔令坛等是我国开发转底炉技术的 先驱. 北京科技大学一直致力于含碳球团还原的 机理和实验研究，获得了大量的实验数据和工程 技术进展，充分证明由含碳球团自还原作用生产 金属铁是完全可以实现的. 1997 年北科大王东彦 等[53] 通过模拟转底炉直接还原焙烧实验得到含锌 铅粉尘配碳球团直接还原的最佳工艺条件为球团 碱度 0.9，还原温度和时间分别为 1250 ℃ 和 25 min. 2006 年张建良等[54] 通过能谱、差热及热重等分析 手段验证了用还原焙烧的方法脱除高炉含锌粉尘 中锌的可行性. 2009 年佘雪峰等[55] ，通过多种检测 方法对莱钢提供的烧结灰、高炉灰、电炉灰等进 行了基础物性研究，提出转底炉直接还原工艺处 理粉尘的优势，并在实验室模拟转底炉实验获得 成功. 2013 年佘雪峰等[56] 建立了含锌粉尘内配碳 球团直接还原一维非稳态数学模型. 2011 年安秀 伟等[57] ，通过实验分析了转底炉直接还原过程中 Zn、Pb、K、Na 脱除和烟气形成机理. 2013 年佘雪 峰和孔令坛[58] 建立了转底炉综合数学模型，该综 合模型对研究和开发转底炉直接还原工艺具有重 要的理论指导意义和广泛的应用前景. 北京科技大学在大量实验数据和工程技术 进展的基础上，开展了大量的半工业、工业实验. 20 世纪 90 年代与舞阳钢铁公司合作建立起转底 炉热模型，试验获得成功. 1996 年与鞍山市科委合 作，建成一座工业试验规模的转底炉，试验取得良 好结果. 2001 年又与山西翼城明亮钢铁公司合作 建成年产 7 万吨金属化球团矿的转底炉，后续改 进后达到正常生产水平. 2007 为了解决莱钢高炉 锌的危害，北科大与莱钢合作，在国家发改委循环 经济示范工程项目的支持下，建成了年处理粉尘 30 万吨的大型转底炉，并投入生产[59] . 通过多年的 研究开发和生产实践，获得了丰富的经验与技术 积累，我国已经全面掌握了转底炉的工艺原理、相 关的设备设计制造、生产运行等关键技术，已经在 国内获得较为广泛的应用. 2.4.2 转底炉工艺流程及应用 转底炉工艺全流程来看可以简单概括为配料 造球、直接还原脱锌、二次粉尘收集和成品处理 4 个主干单元[60] . 其工艺流程如图 4 所示. 转底炉 工艺是将含锌碱尘泥作为原料，再加入炭粉、黏结 剂等混合造球形成含碳生球团，生球经干燥处理 送入转底炉. 球团在 1250～1350 ℃ 下，10～20 min 时间内快速还原，得到直接还原铁 [61−63] . 球团中 的 Zn、Pb 等元素富集于烟尘，加工处理提取锌和 其他金属元素[64] . 目前，转底炉处理含锌粉尘工艺已在国内多 家钢厂应用，包括山东莱钢、广东宝钢湛江等多家 钢厂. 国内典型企业转底炉生产工艺情况如表 5 所示[65−66] . Solid waste Silo Condensate briquette Stockyard High temperature block Coke Dust ash Bag dust collector Cyclone dust collector Hot blast stove Dust recycling bin High-temperature purification Dust ash Zinc and lead refined products Fusion furnace Lead slag Furnace gas furnace gas Hot blast coalgas Mix Maintenance Contains carbon dust coalgas Furnace Top bin Iron slag Zinc-containing scrap High-temperature Containing zinc, lead dust 图 3 鹤兴炉工艺流程 Fig.3 Hexing furnace process flow · 1742 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期
王静松等：钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 ·1743 Ferrous dust Binder Breeze 意见》，提出要大力推进大宗固废源头减量、资源 化利用和无害化处置，推动资源综合利用产业实 现新发展.全国钢铁企业积极响应政府的号召，宝 Mixing, pressure the ball 武集团在节能环保领域提前布局，“十三五”期间 Drying Waste heat 共投入128亿元，以“废气超低排、废水零排放、 recovery 固废不出厂”为目标，取得了不错的成果.北京科 Rotary hearth 技大学，北京钢铁研究总院等大专院校与研究机 Heat change Dust remover furnace 构，在钢铁产业固废处理，污水治理等领域开展大 量的基础研究与技术开发，期望为钢铁产业的清 Metallized pellet Crude zinc oxide 洁化、绿色化发展做出更加突出的贡献. 图4转底炉工艺流程 3.2北科大在钢铁冶金粉尘处理领域的研究成果 Fig.4 Process flow of a rotary hearth furnace 近些年，国内多家大专院校和高新技术企业 转底炉工艺的优势在于处理效率高，脱锌率 已经掌握钢铁治金尘泥的处理技术，包括北京科 较高，能处理不同种类的尘泥，对能源要求不是很 技大学，北京钢铁研究总院，神雾科技集团股份有 高，可以直接用钢铁厂的副产煤气作为热源，能够 限公司等.北京科技大学是最早在此领域开展研 很好地回收含铁尘泥中的铁、锌等金属67-68].但转 究的高校之一，北京科技大学依托于国家发改委 底炉工艺也存在着一些技术问题和难以克服的缺 重大产业技术开发循环经济专项、国家发改委循 点，如炉膛高，料层薄，投资大，能源利用效率不高， 环经济示范工程、中央高校基本科研业务费专项 产品强度低等，还有待于进一步研究和完善690 资金资助等多个国家自然基金项目和国家重点研 发计划项目，专注于钢铁冶金尘泥的无害化处理 3钢铁冶金尘泥全量资源化利用的发展 与资源化回收技术的深入研究. 3.1有价组分全量利用的必要性 长期以来，北京科技大学一直致力于钢铁冶 2021-3-18,国家发改委等十部门联合下发了 金粉尘的资源化回收利用的机理和实验研究 《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导 1999年吴铿1等，研究了采用喷吹方法处理钢铁 表5国内典型企业转底炉生产工艺情况 Table 5 Production process of a rotary hearth furnace in typical domestic enterprises Company Technology Source of technology Production time Implementation effect Shanxi Jicheng 7×10°ta1 USTB 2004 Sinosteel Taiwan 1.3x10 ta,driquetting Nippon Steel 2007.12 Initial dissatisfaction,regular maintenance Tianjin Rongcheng 4×103ta SHENWU 2009 Initial dissatisfaction,high energy Ma Steel 2x10ta,disc pelletizing Nippon Steel 2009.6 consumption,currently running stable PANGANG 1×103ta SHENWU 一 一 Rizhao Steel 2x10 ta,briquetting CISRI 2010.5 High operating energy consumption SHAGANG 4.2×10ta,briquetting High equipment failure rate,low SHENWU 2010.10 operation rate Bonding and clogging of the boiler in LAIGANG 3.2x10ta,briquetting USTB 2011.3 the initial flue gas system BAOWU Zhanjiang 2x105ta metalized pellets MCC 2016.6 Dezincification rate>85% BAOWU SHAOGANG 2.5×105ta1 SMDRI 2020 Normal production SHOUGANGJINGTANG 3×105tal MCC 2020.7 Normal production ZHANJIANG Phase II 2x10'ta,metalized pellets MCC 2021.4 Stable operation of system and equipment BAOWU BAOSHAN 5x10'ta,metalized pellets MCC Successful hot test in January 2021 Note:USTB stands for the University of Science and Technology Beijing;SHENWU corresponds to Shenwu Technology Group Corp;CISRI refers to China Iron Steel Research Institute Group;MCC is CISDI Engineering Co.,Ltd;and SMDRI is Shanghai Meishan Industrial and Civil Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd
转底炉工艺的优势在于处理效率高，脱锌率 较高，能处理不同种类的尘泥，对能源要求不是很 高，可以直接用钢铁厂的副产煤气作为热源，能够 很好地回收含铁尘泥中的铁、锌等金属[67−68] . 但转 底炉工艺也存在着一些技术问题和难以克服的缺 点，如炉膛高，料层薄，投资大，能源利用效率不高， 产品强度低等，还有待于进一步研究和完善[69−70] . 3 钢铁冶金尘泥全量资源化利用的发展 3.1 有价组分全量利用的必要性 2021‒3‒18，国家发改委等十部门联合下发了 《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导 意见》，提出要大力推进大宗固废源头减量、资源 化利用和无害化处置，推动资源综合利用产业实 现新发展. 全国钢铁企业积极响应政府的号召，宝 武集团在节能环保领域提前布局，“十三五”期间 共投入 128 亿元，以“废气超低排、废水零排放、 固废不出厂”为目标，取得了不错的成果. 北京科 技大学，北京钢铁研究总院等大专院校与研究机 构，在钢铁产业固废处理，污水治理等领域开展大 量的基础研究与技术开发，期望为钢铁产业的清 洁化、绿色化发展做出更加突出的贡献. 3.2 北科大在钢铁冶金粉尘处理领域的研究成果 近些年，国内多家大专院校和高新技术企业 已经掌握钢铁冶金尘泥的处理技术，包括北京科 技大学，北京钢铁研究总院，神雾科技集团股份有 限公司等. 北京科技大学是最早在此领域开展研 究的高校之一. 北京科技大学依托于国家发改委 重大产业技术开发循环经济专项、国家发改委循 环经济示范工程、中央高校基本科研业务费专项 资金资助等多个国家自然基金项目和国家重点研 发计划项目，专注于钢铁冶金尘泥的无害化处理 与资源化回收技术的深入研究. 长期以来，北京科技大学一直致力于钢铁冶 金粉尘的资源化回收利用的机理和实验研究. 1999 年吴铿[71] 等，研究了采用喷吹方法处理钢铁 表 5 国内典型企业转底炉生产工艺情况 Table 5 Production process of a rotary hearth furnace in typical domestic enterprises Company Technology Source of technology Production time Implementation effect Shanxi Jicheng 7×104 t·a−1 USTB 2004 — Sinosteel Taiwan 1.3×105 t·a−1, driquetting Nippon Steel 2007.12 Initial dissatisfaction, regular maintenance Tianjin Rongcheng 4×105 t·a−1 SHENWU 2009 — Ma Steel 2×105 t·a−1, disc pelletizing Nippon Steel 2009.6 Initial dissatisfaction, high energy consumption, currently running stable PANGANG 1×105 t·a−1 SHENWU — — Rizhao Steel 2×105 t·a−1, briquetting CISRI 2010.5 High operating energy consumption SHAGANG 4.2×105 t·a−1, briquetting SHENWU 2010.10 High equipment failure rate, low operation rate LAIGANG 3.2×105 t·a−1, briquetting USTB 2011.3 Bonding and clogging of the boiler in the initial flue gas system BAOWU Zhanjiang 2×105 t·a−1, metalized pellets MCC 2016.6 Dezincification rate>85% BAOWU SHAOGANG 2.5×105 t·a−1 SMDRI 2020 Normal production SHOUGANGJINGTANG 3×105 t·a−1 MCC 2020.7 Normal production ZHANJIANG Phase II 2×105 t·a−1, metalized pellets MCC 2021.4 Stable operation of system and equipment BAOWU BAOSHAN 5×105 t·a−1, metalized pellets MCC — Successful hot test in January 2021 Note: USTB stands for the University of Science and Technology Beijing; SHENWU corresponds to Shenwu Technology Group Corp; CISRI refers to China Iron & Steel Research Institute Group; MCC is CISDI Engineering Co., Ltd; and SMDRI is Shanghai Meishan Industrial and Civil Engineering Design & Research Institute Co., Ltd. Dust remover Rotary hearth furnace Mixing, pressure the ball Ferrous dust Drying Binder Breeze Waste heat recovery Heat change Metallized pellet Crude zinc oxide 图 4 转底炉工艺流程 Fig.4 Process flow of a rotary hearth furnace 王静松等： 钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 · 1743 ·
1744 工程科学学报.第43卷，第12期 厂细粉尘的处理工艺，提出了采用高炉喷吹普通 等奖 细粉尘和利用带有焦炭充填床的粉尘熔炼炉处理 3.3火法富集-湿法分离-多工序耦合提取的联合 含高锌粉尘技术的优点；2001年采用铁浴熔融方 回收与全量利用工艺 法四处理高炉瓦斯灰粉尘，得到了最佳工艺参数 随着国家对固体废弃物的管控日趋严格，钢 2011年胡晓军]等对含锌粉尘中重要成分ZnFe2O4 铁冶金尘泥已经到了必须100%全部回收利用的 在C0-CO2气体还原过程中的热力学行为进行了 阶段.北京科技大学提出火法富集-湿法分离-多 计算和分析，并介绍了一种基于选择性氯化原理 工序耦合提取的联合回收与全量利用工艺（以下 的含锌粉尘处理新思路.2012年高金涛等采用 简称为联合回收与全量利用工艺).联合回收与全 “非熔态还原-磁选分离-Z的回收、富集”方法对 量利用工艺是在现有火法-湿法联合处理工艺的 典型高炉粉尘进行Fe和Zn非熔态分离研究 基础上，在火法领域开发含锌碱尘泥中Fe、C、 由此可见，北京科技大学在钢铁冶金尘泥的 Zn、In、Sn等组元碳热还原-挥发过程中相态演变 资源化回收利用领域获得了大量的实验数据和工 规律与定向分配机制技术，实现有价组分富集回 程技术进展，在此基础上，开展了大量的实验室和 收.在湿法领域开发基于定向溶出-蒸发结品-相 半工业、工业试验.以2007年北京科技大学对莱 态置换-萃取/反萃过程耦合的多金属梯级分离提 钢提供技术支持，开发的转底炉处理含锌粉尘工 取技术，建立以原料特性为基础的多产品生产过 艺为例，该技术中具有自主知识产权，研究成果已 程协同耦合机制，实现二次烟尘中有价组分的全 授权发明专利11项.薛庆国主持开发的转底炉直 量利用.联合回收与全量利用工艺的简要工艺流 接还原处理钢铁厂含锌尘泥成套工艺产业化获得 程及元素大致走向如图5(a)所示，湿法梯级分离 山东省冶金科技进步一等奖和山东省科技进步二 单元中元素大致走向如图5(b)所示. (a Zn K.Na Zinc sulfate products Dust Wet K.Na Secondary collection separation Salt by-products Zn,Pb,Bi.In dust treatment unit Pb,Bi,In Difficult to Fire Value element products deal with enrichment Sn.Cd.etc Sn,Cd,ete steel dust mit Fe Fe,Ca,Mg,Al,Si 、Fine iron powder Kiln residue Fe,Ca, Preparation of building Ceramsite Mg.Al,Si materials (b) Thick KCI cadmium Liquid waste and waste acid reuse Cd Zn,Pb,Bi,In, Acid Impurity Zn Zn Zinc Secondan Flooding Punnicat山on →dissolving removal sulfate dust process Sn,Cd,etc process process process products Pb,Bi,In,Sn Bi业 业 Sn Lead Crude Crude Coarse NaC concentrate bismuth indium tin 图5联合工艺流程.(a)总流程：(b)湿法梯级分离单元 Fig.5 Combined process flow:(a)general flow chart;(b)wet cascade separation unit 3.3.1联合回收与全量利用工艺有价组分火法富 泥中的Zn以及In、Bi等有价元素进行富集，完成 集技术 二次烟尘与尾渣的分离，实现有价组分初步富集 北京科技大学提出可以先利用火法工艺对尘 回收.第一步分离可以选择技术比较成熟的回转
厂细粉尘的处理工艺，提出了采用高炉喷吹普通 细粉尘和利用带有焦炭充填床的粉尘熔炼炉处理 含高锌粉尘技术的优点；2001 年采用铁浴熔融方 法[72] 处理高炉瓦斯灰粉尘，得到了最佳工艺参数. 2011 年胡晓军[73] 等对含锌粉尘中重要成分 ZnFe2O4 在 CO−CO2 气体还原过程中的热力学行为进行了 计算和分析，并介绍了一种基于选择性氯化原理 的含锌粉尘处理新思路. 2012 年高金涛[74] 等采用 “非熔态还原−磁选分离−Zn 的回收、富集”方法对 典型高炉粉尘进行 Fe 和 Zn 非熔态分离研究. 由此可见，北京科技大学在钢铁冶金尘泥的 资源化回收利用领域获得了大量的实验数据和工 程技术进展，在此基础上，开展了大量的实验室和 半工业、工业试验. 以 2007 年北京科技大学对莱 钢提供技术支持，开发的转底炉处理含锌粉尘工 艺为例，该技术中具有自主知识产权，研究成果已 授权发明专利 11 项. 薛庆国主持开发的转底炉直 接还原处理钢铁厂含锌尘泥成套工艺产业化获得 山东省冶金科技进步一等奖和山东省科技进步二 等奖. 3.3 火法富集‒湿法分离‒多工序耦合提取的联合 回收与全量利用工艺 随着国家对固体废弃物的管控日趋严格，钢 铁冶金尘泥已经到了必须 100% 全部回收利用的 阶段. 北京科技大学提出火法富集‒湿法分离‒多 工序耦合提取的联合回收与全量利用工艺（以下 简称为联合回收与全量利用工艺）. 联合回收与全 量利用工艺是在现有火法‒湿法联合处理工艺的 基础上 ，在火法领域开发含锌碱尘泥中 Fe、 C、 Zn、In、Sn 等组元碳热还原‒挥发过程中相态演变 规律与定向分配机制技术，实现有价组分富集回 收. 在湿法领域开发基于定向溶出‒蒸发结晶‒相 态置换‒萃取/反萃过程耦合的多金属梯级分离提 取技术，建立以原料特性为基础的多产品生产过 程协同耦合机制，实现二次烟尘中有价组分的全 量利用. 联合回收与全量利用工艺的简要工艺流 程及元素大致走向如图 5（a）所示，湿法梯级分离 单元中元素大致走向如图 5（b）所示. Fe Difficult to deal with steel dust Preparation of building materials Fire enrichment unit Fine iron powder Kiln residue K, Na Zn K, Na Secondary dust Wet separation unit Zinc sulfate products Value element products Ceramsite Dust collection treatment (a) Secondary dust Flooding process Zn, Pb, Bi, In, Acid dissolving process Impurity removal process Purification process Zinc sulfate products Zn Zn Liquid waste and waste acid reuse Na KCl K NaCl Cd Thick cadmium Lead concentrate Crude bismuth Crude indium Coarse tin Pb Bi In Sn (b) Fe, Ca, Mg, Al, Si Sn, Cd, etc Zn, Pb, Bi, In, Pb, Bi, In, Sn, Cd, etc Salt by-products Fe, Ca, Mg, Al, Si Pb, Bi, In, Sn Sn, Cd, etc 图 5 联合工艺流程. （a）总流程；（b）湿法梯级分离单元 Fig.5 Combined process flow: (a) general flow chart; (b) wet cascade separation unit 3.3.1 联合回收与全量利用工艺有价组分火法富 集技术 北京科技大学提出可以先利用火法工艺对尘 泥中的 Zn 以及 In、Bi 等有价元素进行富集，完成 二次烟尘与尾渣的分离，实现有价组分初步富集 回收. 第一步分离可以选择技术比较成熟的回转 · 1744 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期
王静松等：钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 ·1745 窑工艺或者转底炉工艺.需要注意的是，虽然回转 学成分、物相组成、粒度分布等方面存在差异.钢 窑工艺和转底炉工艺都可以将有价元素富集于二 铁尘泥具有种类多、数量大、成分复杂且波动较 次烟尘，但是二者处理尘泥有所差别.转底炉工艺 大等特点，如果管理不当，会对生态环境和人类健 适合处理低锌粉尘，它的产品主要是金属化球团， 康造成很大影响，所以其处理问题一直是政府、研 用于供给高炉冶炼工序.回转窑工艺适合处理中 究机构和企业关注的焦点.国家产业政策要求钢 高锌粉尘，许多中小钢企和环保科技公司更倾向 铁行业努力推进大宗固体废弃物的回收利用，实 于用它进行有价元素的回收利用 现自身可持续发展 3.3.2联合回收与全量利用工艺有价组分的湿法 (2)钢铁冶金尘泥现有的处理方法有很多种 分离、提取及综合利用 直接堆放或填埋会污染环境，并造成资源浪费.烧 联合回收与全量利用中的湿法工艺流程必须 结法等方式虽然投入少、见效快，但存在处理量不 实现闭路循环，环保达标.二次灰经过漂洗工序处 大、影响高炉顺行等弊端.物理法处理尘泥效率 理后得到漂洗液与漂洗滤饼.漂洗液经蒸发结 较低，一般作为火法、湿法工艺的预处理工序.湿 晶、离心分离工序后可以得到NaCl、KC1产品s-1: 法工艺存在流程多、成本高等问题.火法工艺应 漂洗滤饼经酸溶工序处理实现锌元素和其他杂 用广泛、处理能力强，但存在耗能较大，不利于节 质元素分离，得到中性浸出液.酸溶工序也会使 能减排等问题.火法-湿法联合处理工艺存在回转 一部分的铁元素进入中性浸出液，中性浸出液经 窑结圈、转底炉金属化球团强度波动、单个有价 过除杂工序处理后可以制取七水硫酸锌网.中 元素的回收率不高等问题，还需要进一步研究与 性浸出滤饼处理后可得到粗铋、粗锡、粗钢和铅 完善 精可矿. (3)随着国家环保法规和产业政策的要求，钢 北京科技大学将基于多元溶液体系中各组分 铁冶金尘泥已经到了必须100%全部回收利用的 的Pourbaix热力学平衡关系，阐明多元复杂水溶 新阶段.鉴于此，提出了根据各自的成分特征进行 液体系中Zn、Pb、Bi等有价组分相态转化规律， 基于产品设计的各种尘泥间的协同搭配、单元技 开发基于定向溶出-蒸发结晶-相态置换-萃取/反 术间的科学耦合和系统集成，实现多组分梯级分 萃过程耦合的梯级分离提取技术，实现尘泥有价 离和全量利用的技术方案.火法富集-湿法分离- 组分全量利用的目标 多工序耦合提取的联合工艺将会成为我国钢铁冶 3.3.3联合工艺中窑渣的综合利用 金尘泥今后全量资源化利用的重要方向，它不仅 火法工艺提取钢铁冶金粉尘中的锌、铅等有 满足国家环保和产业政策的要求，使企业能够推 价元素后，大约还有一半的组分会形成窑渣.在钢 动循环经济，实现自身可持续发展，还能带来更多 铁冶金尘泥资源化处理历程的前三个阶段，窑渣 的经济效益、环境效益和社会效益 都没有得到很好的资源化利用.为了达到尘泥的 (4)联合工艺通过火法单元实现有价元素富 零排放和全量资源化利用的目标，必须要考虑窑 集.尘泥中Zn、Pb、In、Bi、Sn、Cd等稀散元素发 渣的高附加值利用. 生碳热还原反应后挥发进入二次烟尘，K、Na等元 尘泥经过回转窑或转底炉还原焙烧后，得到 素以氯化物的形式直接挥发进入二次烟尘，F、 窑渣和二次灰.窑渣球磨磁选回收，得到副产品精 Ca、Mg、Al、Si等元素以氧化物的形式留在窑渣 铁粉和尾渣.精铁粉可以外售，实现钢铁冶金尘泥 中.窑渣经过球磨磁选后可回收铁元素，Ca、Mg、 中Fe元素的全量回收利用.窑渣经过磁选后，剩 AI、Si等元素则留在尾渣中用于制备陶粒等建材 余尾渣难以直接利用，而制备建材是尾渣高值大 产品.富集Zn、Pb、In、Bi、Sn、Cd等稀散元素的 宗量利用的有效途径.北京科技大学的李宇等在 二次烟尘通过湿法单元实现梯级分离提取.二次 实验室内已经成功制备出掺加质量分数大于60% 烟尘首先经过水浸等工序后可得到氯化钾、氯化 的陶粒，其性能满足国家标准80.尾渣大宗量高值 钠产品，再经过酸溶、除杂等工序后可得到硫酸 利用途径的开发，为实现钢铁冶金尘泥中高钙高 锌、铅精矿、粗铋、粗铟、粗锡、粗镉等产品 铁固废的梯级全组分利用奠定坚实基础 参考文献 4结语与展望 [Oda H,Ibaraki T,Abe Y.Dust recycling system by the rotary (1)钢铁产业产生大量的钢铁冶金尘泥在化 hearth fumace.Nippon Steel Technical Report,2006(94):147
窑工艺或者转底炉工艺. 需要注意的是，虽然回转 窑工艺和转底炉工艺都可以将有价元素富集于二 次烟尘，但是二者处理尘泥有所差别. 转底炉工艺 适合处理低锌粉尘，它的产品主要是金属化球团， 用于供给高炉冶炼工序. 回转窑工艺适合处理中 高锌粉尘，许多中小钢企和环保科技公司更倾向 于用它进行有价元素的回收利用. 3.3.2 联合回收与全量利用工艺有价组分的湿法 分离、提取及综合利用 联合回收与全量利用中的湿法工艺流程必须 实现闭路循环，环保达标. 二次灰经过漂洗工序处 理后得到漂洗液与漂洗滤饼. 漂洗液经蒸发结 晶、离心分离工序后可以得到 NaCl、KCl 产品[75−78] ； 漂洗滤饼经酸溶工序处理实现锌元素和其他杂 质元素分离，得到中性浸出液. 酸溶工序也会使 一部分的铁元素进入中性浸出液，中性浸出液经 过除杂工序处理后可以制取七水硫酸锌[79] . 中 性浸出滤饼处理后可得到粗铋、粗锡、粗铟和铅 精矿. 北京科技大学将基于多元溶液体系中各组分 的 Pourbaix 热力学平衡关系，阐明多元复杂水溶 液体系中 Zn、Pb、Bi 等有价组分相态转化规律， 开发基于定向溶出‒蒸发结晶‒相态置换‒萃取/反 萃过程耦合的梯级分离提取技术，实现尘泥有价 组分全量利用的目标. 3.3.3 联合工艺中窑渣的综合利用 火法工艺提取钢铁冶金粉尘中的锌、铅等有 价元素后，大约还有一半的组分会形成窑渣. 在钢 铁冶金尘泥资源化处理历程的前三个阶段，窑渣 都没有得到很好的资源化利用. 为了达到尘泥的 零排放和全量资源化利用的目标，必须要考虑窑 渣的高附加值利用. 尘泥经过回转窑或转底炉还原焙烧后，得到 窑渣和二次灰. 窑渣球磨磁选回收，得到副产品精 铁粉和尾渣. 精铁粉可以外售，实现钢铁冶金尘泥 中 Fe 元素的全量回收利用. 窑渣经过磁选后，剩 余尾渣难以直接利用，而制备建材是尾渣高值大 宗量利用的有效途径. 北京科技大学的李宇等在 实验室内已经成功制备出掺加质量分数大于 60% 的陶粒，其性能满足国家标准[80] . 尾渣大宗量高值 利用途径的开发，为实现钢铁冶金尘泥中高钙高 铁固废的梯级全组分利用奠定坚实基础. 4 结语与展望 （1）钢铁产业产生大量的钢铁冶金尘泥在化 学成分、物相组成、粒度分布等方面存在差异. 钢 铁尘泥具有种类多、数量大、成分复杂且波动较 大等特点，如果管理不当，会对生态环境和人类健 康造成很大影响，所以其处理问题一直是政府、研 究机构和企业关注的焦点. 国家产业政策要求钢 铁行业努力推进大宗固体废弃物的回收利用，实 现自身可持续发展. （2）钢铁冶金尘泥现有的处理方法有很多种. 直接堆放或填埋会污染环境，并造成资源浪费. 烧 结法等方式虽然投入少、见效快，但存在处理量不 大、影响高炉顺行等弊端. 物理法处理尘泥效率 较低，一般作为火法、湿法工艺的预处理工序. 湿 法工艺存在流程多、成本高等问题. 火法工艺应 用广泛、处理能力强，但存在耗能较大，不利于节 能减排等问题. 火法‒湿法联合处理工艺存在回转 窑结圈、转底炉金属化球团强度波动、单个有价 元素的回收率不高等问题，还需要进一步研究与 完善. （3）随着国家环保法规和产业政策的要求，钢 铁冶金尘泥已经到了必须 100% 全部回收利用的 新阶段. 鉴于此，提出了根据各自的成分特征进行 基于产品设计的各种尘泥间的协同搭配、单元技 术间的科学耦合和系统集成，实现多组分梯级分 离和全量利用的技术方案. 火法富集‒湿法分离‒ 多工序耦合提取的联合工艺将会成为我国钢铁冶 金尘泥今后全量资源化利用的重要方向，它不仅 满足国家环保和产业政策的要求，使企业能够推 动循环经济，实现自身可持续发展，还能带来更多 的经济效益、环境效益和社会效益. （4）联合工艺通过火法单元实现有价元素富 集. 尘泥中 Zn、Pb、In、Bi、Sn、Cd 等稀散元素发 生碳热还原反应后挥发进入二次烟尘，K、Na 等元 素以氯化物的形式直接挥发进入二次烟尘，Fe、 Ca、Mg、Al、Si 等元素以氧化物的形式留在窑渣 中. 窑渣经过球磨磁选后可回收铁元素，Ca、Mg、 Al、Si 等元素则留在尾渣中用于制备陶粒等建材 产品. 富集 Zn、Pb、In、Bi、Sn、Cd 等稀散元素的 二次烟尘通过湿法单元实现梯级分离提取. 二次 烟尘首先经过水浸等工序后可得到氯化钾、氯化 钠产品，再经过酸溶、除杂等工序后可得到硫酸 锌、铅精矿、粗铋、粗铟、粗锡、粗镉等产品. 参 考 文 献 Oda H, Ibaraki T, Abe Y. Dust recycling system by the rotary hearth furnace. Nippon Steel Technical Report, 2006（94）: 147 [1] 王静松等： 钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展 · 1745 ·