高爐塵泥渣綜合利用研究現(xiàn)狀

曾丹林，劉勝蘭，龔晚君，王光輝，蘇 敏，馬亞麗

（武漢科技大學 化學工程與技術學院，湖北省煤轉化與新型炭材料重點實驗室，湖北 武漢 430081）

鋼鐵生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)1t鋼鐵會產(chǎn)生300～500kg固體廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，目前我國鋼鐵廠固體廢棄物的年產(chǎn)量約為4．3億t，但其綜合利用率只有18．03%［1］。這些固體廢棄物大部分露天堆放或填埋處理，不僅占用大量土地，而且其中的鉛、鎘、鉻等有毒元素容易污染周邊環(huán)境。

高爐塵泥渣是鋼鐵冶金行業(yè)中的主要固體廢棄物，含有大量鐵、碳、鈣、鋅、鉛等有價元素。如何高效利用這些高爐塵泥渣并提高其綜合附加值，減少環(huán)境污染，是鋼鐵企業(yè)面臨的重大課題。

1 高爐塵泥

1．1 高爐塵泥性質

高爐塵泥是高爐冶煉過程中隨高爐煙氣帶出的原料粉塵經(jīng)除塵之后的產(chǎn)物。高爐塵泥粒度較細且不均勻，表面粗糙，有孔隙，有一定腐蝕性和毒性，晶相復雜，有色金屬分離較為困難［2］。

1．2 高爐塵泥綜合利用現(xiàn)狀

1．2．1 作為燒結原料

近年來，很多鋼鐵廠將高爐塵泥配入燒結原料中循環(huán)利用。喬啟平等［3］研究了高爐塵泥燒結工藝。將高爐塵泥配入燒結原料中進行燒結，工藝簡單，生產(chǎn)成本較低。但是由于粒度細，會大大影響燒結料層的透氣性，也會影響礦石的燒結強度；同時，塵泥中的鋅、鉛等易揮發(fā)元素在高爐內循環(huán)富集，易造成煤氣管道堵塞，影響生產(chǎn)順行進行。

1．2．2 回收碳精礦和鐵精礦

高爐塵泥中的碳和鐵含量較高，通過浮、重、磁選等方法進行干式或濕式分離，可以得到合格的碳精礦和鐵精礦。武漢鋼鐵集團采用浮選法從高爐煉鐵塵泥中獲得含碳65%的碳精礦和鐵品位56%的鐵精礦。馬鋼集團采用浮選—重選聯(lián)合工藝，年生產(chǎn)碳精礦（w（C）＞70%）2 600t，高品位鐵精礦（w（Fe）≥ 52%）3 300t［4］。王瑋等［5］采用二級磁選—浮選—重選工藝得到高品位碳精礦（w（C）＞75%）和鐵精礦（w（Fe）＞55%），提純后的碳精礦可直接用于高爐噴煤，鐵精礦可直接返回燒結，而鋅等則殘留富集在尾泥中。汪文生等［6］的研究結果表明，采用較簡單的浮選工藝可以獲得質量較優(yōu)的碳精礦、鐵精礦和少量尾礦。徐柏輝等［7］采用浮選—重選工藝從高爐塵泥中回收碳、鐵，獲得碳品位80．09%的碳精礦、回收率為88．04%；鐵品位61．13%的鐵精礦、回收率為56．12%。

回收碳、鐵精礦的工藝簡單，技術可靠，投資成本低，具有明顯的經(jīng)濟效益。但該工藝消耗大量水，后續(xù)處理較為困難，而且基本沒有考慮重金屬回收問題，塵泥中的鋅一部分以鐵酸鋅復合氧化物形式存在，使分選后鐵精礦中鋅的含量超標。

1．2．3 回收有價金屬

從高爐塵泥中回收有價金屬主要有濕法和干法。濕法工藝主要處理鋅質量分數(shù)大于15%的高鋅塵泥［8］，而我國目前鋼鐵廠產(chǎn)出的塵泥大多為低鋅塵泥（鋅質量分數(shù)＜5%），所以火法工藝是目前處理高爐塵泥的最可行的方法?；鸱ㄖ饕兄苯訜Y法和金屬化球團法［9］。

李遼沙等［10］研究了從高爐塵泥中回收鋅。在高溫還原條件下，以塵泥自身的焦炭粉為還原劑，鋅氧化物被還原并汽化成鋅蒸汽，與固相分離，冷凝后用醋酸轉化成醋酸鋅產(chǎn)品。結果表明：在1 373．2K溫度下還原60 min，高爐塵泥脫鋅率可達98%，醋酸鋅產(chǎn)品純度達98．7%。黃志華等［11］對高爐塵泥進行了化學浸出除鋅研究，結果表明：用硫酸作浸出劑，在液固體積質量比8∶1、溫度20℃、硫酸質量濃度125g／L、浸出時間35min和攪拌速度150r／min最佳條件下，鋅浸出率達73．9%，高爐塵泥中的鋅質量分數(shù)從1．46%降低到0．38%。郭翠香等［12］研究了采用堿浸出—電解工藝綜合回收鉛和鋅。在浸出時間30min、浸出溫度70℃、NaOH濃度5 mol／L、液固體積質量比11∶1條件下，鉛、鋅浸出率均大于90%；浸出液直接電解回收鉛，鉛純度≥95%；電解鉛后的溶液經(jīng)凈化后電解回收鋅，鋅純度≥97%。喻慶華等［13］研究了從塵泥中回收鉍。在有Fe3＋存在的HCl體系中浸出鉍，然后用鐵屑置換海綿鉍，鉍回收率達92%，品位高達90%。該法工藝流程短，金屬回收率高，成本低，具有較好的經(jīng)濟效益。

1．2．4 作為吸附劑

高爐塵泥對Cu2＋、Pb2＋等重金屬離子具有較好的吸附效果。羅立群等［14］研究了塵泥對Cu2＋的吸附行為，討論了塵泥用量、Cu2＋初始濃度、反應時間對Cu2＋吸附的影響。結果表明：在塵泥用量8．0g／L、Cu2＋初始質量濃度20mg／L、反應時間50min條件下，Cu2＋去除率達97．86%。陳曉等［15］用塵泥吸附廢水中的Pb2＋，結果表明，影響Pb2＋吸附的主要因素是溶液pH、塵泥投加量、Pb2＋的初始濃度及接觸時間，最佳條件下，Pb2＋吸附率可達99．5%。高爐塵泥的多孔性和比表面積決定吸附效果。處理后的塵泥可以循環(huán)利用。高爐塵泥在廢水處理領域具有很好的應用前景。

2 高爐渣

2．1 高爐渣的性質

高爐煉鐵過程中排出的渣為高爐渣，分為煉鋼生鐵渣、鑄造生鐵渣、錳鐵渣、釩鈦渣等，每煉出l t生鐵大約產(chǎn)生300～350kg的高爐渣［16］。高爐渣中的主要礦物有黃長石、硅酸二鈣、假硅灰石、輝石以及少量硫化物等，錳鐵渣中還含有方錳礦等。高爐渣的化學成分主要是SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、FeO、S等，有些渣中還含有微量TiO2、V2O5、Na2O、BaO、P2O5、Cr2O3等，其 中，CaO、SiO2、Al2O3占高爐渣質量的90%以上。

2．2 高爐渣綜合利用現(xiàn)狀

2．2．1 生產(chǎn)水泥

高爐渣中鐵含量較低，且主要以無機鹽形式存在。高爐渣屬于硅酸鹽質材料，是在1 400～1 600℃高溫下形成的熔融體，因而便于加工成多種建筑材料，如生產(chǎn)水泥。

2．2．2 制備陶瓷材料

朱喆等［17］研究了以高爐渣為原料制備Ca、Y復合摻雜α-Sialon陶瓷材料。以高爐渣合成的Ca-α-Sialon粉末為原料，以Al2O3（質量分數(shù)為5%）、Y2O3（質量分數(shù)為4%～14%）為燒結助劑，以聚乙烯醇為成形黏結劑，按組分配置的初始粉料球磨混合，球磨后經(jīng)干燥、造粒，在一定壓力下單向預壓成形、靜壓成形，成形坯體在一定條件下于純N2氣氛中燒結，燒結完成后隨爐冷卻，即可得到Ca／Y-α-Sialon陶瓷材料。結果表明，試樣中的Ca-α-Sialon呈等軸晶粒，Ca／Y-α-Sialon呈柱狀晶粒，晶粒形狀與Y3＋的固溶量與燒結溫度有關。薛向欣等［18］研究了用高爐渣制備復相陶瓷材料，通過破碎、球磨、過篩、配料、濕混、干燥、干混、模壓成型、高溫燒結等一系列過程合成了 TiN／（Ca，Mg）-α′-Sialon粉末，將粉末與添加劑CaCO3混合，單軸向模壓成型后，在一定條件下燒結即可獲得 TiN／（Ca，Mg）-α′-Sialon復相陶瓷材料。

用高爐渣制備陶瓷材料工藝簡單，生產(chǎn)成本低，環(huán)境污染小，是高爐渣綜合利用的一條新途徑。

2．2．3 作為吸附劑

高爐渣是一種多孔物質，比表面積較大，表面能較高，同時表面存在許多鋁、硅等活性點，具有較強的吸附能力。磷是引起水體富營養(yǎng)化的主要元素之一。高爐渣中的鐵氧化物能夠吸附磷酸根，同時由于鈣氧化物的溶解，水的pH增大到10以上，這種條件下鈣與吸附的磷酸根形成羥基磷酸鈣而沉淀下來［19］，因此，可用高爐渣作為磷酸鹽吸附劑從廢水中去除磷。Yamada H．［20］等研究了高爐渣對磷酸鹽的吸附作用，結果表明，磷酸鹽的吸附量與溶液pH、高爐渣孔隙度、溫度以及電解質濃度有關。

Lena Johansson等［21］認為，磷的去除與較強的堿性條件（pH＞9）和存在的大量可溶鈣有關，其機制主要是形成羥基磷酸鈣沉淀，但高爐渣吸附的磷能否被植物吸收仍有待于研究。黃玲［22］對高爐渣吸附除磷性能進行了試驗將一定配比的吸附劑與標準溶液混合置于錐形瓶中，再將錐形瓶置于恒溫振蕩器中振蕩吸附，一定時間后過濾，用分光光度法測定濾液中殘留的磷酸根濃度，結果表明，高爐渣對水中的磷有良好的吸附去除效果。

高爐渣在水溶液中形成硅酸膠體，可以吸附陽離子，對 Cu2＋、Pb2＋、Zn2＋、Cd2＋、Ni2＋、Cr6＋等重金屬離子都有很好的吸附去除效果。S．V．Dimitrova［23］研究了用高爐渣從廢水中吸附 Cu2＋、Zn2＋、Ni2＋，結果表明，Cu2＋、Zn2＋、Ni2＋的去除效果與接觸時間、初始離子濃度、pH和溶液溫度等條件有關。S．K．Srivastava等［24］研究了用高爐渣吸附pb2＋和Cr6＋，結果表明，高爐渣在很寬的濃度范圍內對pb2＋、Cr6＋有很好的去除效果。

3 結語

目前，我國高爐塵泥渣的資源化綜合利用研究已取得一些成績，但距離實際應用仍有一定差距。加大高爐塵泥渣綜合利用研發(fā)力度，大力開發(fā)新技術、新產(chǎn)品，提高經(jīng)濟效益，降低資源消耗率，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)跨越式發(fā)展仍是今后的主要發(fā)展方向。

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