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 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