工业化含锌粉尘处理技术现状及分析

张伟，赵德胜,刘宝奎,张磊,李建军,范振夫,张海明

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司炼铁总厂，辽宁 鞍山114021）

钢铁企业在炼铁、炼钢以及轧钢等各工序会产生大量粉尘，约占到总钢产量的10%左右。随着近年来雾霾天气频发，保护环境成为全社会共识，国家针对工业粉尘排放的管控日趋严格，尤其重点涉及的钢铁企业压力加大，各工序除尘设施不断增加升级，使粉尘的数量也持续增加，这些粉尘往往含有大量铁和碳而具有很高的利用价值，传统方式一般将其作为配料返回烧结，实现企业内部回收。但其中部分粉尘含有较高的锌等有害元素，直接回配将使锌不断循环富集，导致高炉锌负荷超标，对生产顺行和安全长寿造成危害，而另一方面由于含锌粉尘质量远不及传统炼锌原料，提锌价值有限，通常也无法直接给炼锌企业使用，因此如何有效处置含锌粉尘一直是业界的重要课题。目前国内外已有诸多工业化成熟技术，本文对相关工艺进行了阐述和分析，以期为企业采用适宜的处置方式提供参考。

1 钢铁生产系统中锌的来源

钢铁企业从高炉顺行及安全长寿考虑，应严格限制原燃料锌含量，通常要求高炉锌负荷不超过0.15 kg/t（铁水），但由于经营形势、原料条件或主观上不重视，很多企业的高炉锌负荷都超出以上标准。以鞍钢为例，鞍钢鲅鱼圈分公司4038 m3高炉锌负荷曾达到1.5 kg/t左右，通过进行高炉锌平衡分析发现，90%以上的锌都是由烧结矿带入，表1为进一步对烧结部分原料检验锌含量后的对比结果。由表1可知，粉尘类物料的锌含量普遍较高，尤其高炉干法布袋灰含锌最高，而各精矿的锌含量都较低（均未超过0.01%），因此含锌粉尘回配烧结是导致高炉锌负荷过高的直接原因，经过减少和暂停回配干法灰等高锌粉尘料后，高炉锌负荷随之明显降低。

表1 含铁原料锌含量对比（质量百分数） %

钢铁生产系统中的锌初始主要来源于铁矿原料，虽然铁矿中伴生的锌含量都极低，但由于锌的循环富集特点使其在系统中会不断累积，而迫于成本压力使用低价料比例增大，入炉品位降低，也促使进入系统的锌量增加。另一方面，随着镀锌产品增长，炼钢中使用的含锌废钢也成为钢铁系统中锌的一大来源，含锌废钢的使用使转炉粉尘的锌含量明显提高，电炉炼钢粉尘的锌含量通常会更高。

在传统钢铁生产过程中，含锌粉尘回配烧结模式导致锌的循环几乎没有出口，从而造成系统中的锌量只增不减，尤其对高炉造成诸多危害影响，减少粉尘回配量或短期停用并不能从根本上解决问题，关键还是要脱除锌等有害元素，国外在此领域的研究较早，开发了众多的含锌粉尘处理工艺，尤其一些已工业化的成熟技术值得借鉴。

2 工业化含锌粉尘处理技术概况

2.1 选矿法处理技术

选矿法即采用常规选矿技术实现粉尘中Zn、C、Fe元素的分离和富集，根据锌具有富集在粒度较小和磁性较弱粒子上的特性，可利用水力旋流器使含锌高的较细粉尘溢流［1］，含锌低的较粗粉尘底流，进而通过重选浮选选碳、磁选选铁。选矿法相对工艺简单、运行成本低、易于实施，但脱锌率相对不高，能达到70%左右，从提锌考虑一般作为湿法或火法工艺的预处理工艺。

2.2 湿法处理技术

湿法技术一般用于较高锌含量（＞15%）的粉尘处理，主要有酸浸法和碱浸法。酸浸法主要是用硫酸、盐酸、醋酸等作浸出剂，粉尘中的锌化合物在酸中溶解，对浸出液过滤除杂后电积回收锌，部分化学反应如下：

采用强酸（硫酸、盐酸等）浸出工艺锌的浸出率较高，在常温常压下为80%以上，在高温、加压条件下可提高到90%以上，但大量铁及其他硅、铝等杂质也易被浸出，加重了后序净化负担，影响产品质量［2］。弱酸（碳酸、醋酸等）浸出工艺能耗较低，氧化锌产品质量较高，但锌浸出率低，特别是当其主要以铁酸锌形式存在时，锌浸出率更低。

碱浸法主要是用氢氧化钠等强碱作浸出剂，还有用氨溶液或氨与铵盐的混合溶液作浸出剂，锌氧化物溶于碱中转入溶液，部分化学反应如下：

碱浸法相对选择性好，得到的浸出液更纯，可制取纯度较高的氧化锌产品，但锌浸出率相对较低，铁酸锌形式的锌难被浸出。

总体而言，湿法工艺相对能耗小、设备投资少，但浸出剂消耗多，生产效率较低，除杂工艺步骤繁琐，而且普遍存在设备腐蚀严重、浸渣易造成二次污染等问题。由于湿法工艺更适用于较高锌含量的粉尘处理，通常国外用其处理电炉粉尘方面研究的较多。

2.3 火法处理技术

目前钢铁企业普遍流行的处理方法仍是火法工艺，对相关设备和配套技术也更加熟悉。火法处理工艺的基本原理都是利用锌沸点较低、高温易挥发的性质，通过还原使粉尘中的锌挥发再富集回收。主要化学反应为：

火法工艺的典型工业化代表是回转窑、转底炉、竖炉和小高炉几种技术，此外还有一些利用微波、等离子等手段的新技术，下面对几种典型的火法脱锌工艺进行介绍。

2.3.1 回转窑工艺

回转窑工艺是用固体燃料作还原剂，以回转窑为反应器，能处理较广的原料，目前已发展出多种类型，有威尔兹法（Waelz）、川崎法、SL/RN法、SDR法等。其中以Waelz回转窑工艺应用最为广泛，该工艺是20世纪20年代德国克虏伯公司为处理锌精炼渣而开发，其基本流程见图1［3］。具体将含锌粉尘和还原剂（煤、焦粉或含碳粉尘）辅以石灰等，经配料、混合造球（也可不造球）送入回转窑，在1 100～1 300℃高温处理，物料中的金属氧化物与碳质还原剂发生反应，还原的锌挥发进入烟气并二次氧化，烟气经冷却（或余热锅炉换热）后集尘，其中氧化锌含量约55%～60%，可作为锌冶炼厂粗氧化锌原料；还原后的窑渣经破碎、磁选等，金属化铁料可作为炼铁高炉或烧结原料，残留的炭粒也被回收。另外还设置有吸附过滤装置，用吸附剂 （活性炭等）过滤氯化物及二噁英等污染物，使废气达到排放标准。

图1 Waelz回转窑工艺流程

回转窑工艺脱锌率较高，普遍能达到90%以上， 欧美 Horsehead Resources Development、B.U.S AG、Global Steel Dust Ltd等，以及日本住友金属、中国台湾钢联等都广泛采用（表2），处理能力从数万到数十万吨，大都用于处理含锌＞15%的电炉粉尘，否则经济效益不佳，不过日本开发的回转窑倾向处理低锌粉尘。国内同类型回转窑多是Waelz工艺，大都是炼锌企业用来处理浸出渣，而处理钢铁粉尘的较少，文献介绍过的有云南红河锌联公司、昆钢等采用过其技术［4］。

回转窑工艺具有工艺成熟、投资低、运行简单的显著优点，但处置低锌物料不太适宜，铁料金属化率也低，生产过程中常发生结圈现象，宝钢曾进行回转窑处理高铁含锌尘泥工业试验，发现窑内结圈相当严重，认为不可行。

2.3.2 转底炉工艺

转底炉是目前钢铁企业应用最广泛的处理工艺，该技术最早可以追溯到1965年由Midland Ross公司（Midrex公司前身）开发的Heat-Fast工艺，转底炉不仅仅局限于处理钢厂内含锌固废，后来也作为一项非高炉炼铁工艺得以不断改进和发展，至今已开发出多种类型，例如Fastmet、INMETCO、ITmk3等工艺。比较典型的如Fastmet工艺（图2）［5］，其工艺过程主要是将含锌粉尘（或铁矿）与其它碳质还原剂混合造球（或压块），干燥后送入转底炉，炉料随着炉底旋转1周约10～30 min，料层高度约l～3层球团，在1 250℃以上高温快速还原处理，锌等元素还原挥发进入烟气，普遍可实现脱锌90%以上，同时获得金属化率70%以上的金属化球团。

转底炉工艺很受日本钢铁企业青睐，新日铁、神户制钢等先后投产多座并对其展开深入研究，我国也有很多钢铁企业投产，如马钢、沙钢、日照、荣程、莱钢、台湾中钢等（表 3）［6］，大都用于处理企业内部产生的炼铁及炼钢含锌粉尘固废，也有企业直接使用铁矿生产DRI或粒铁。

表2 部分回转窑工艺应用情况

图2 转底炉工艺流程

转底炉工艺经过多年发展已经很成熟，脱锌率普遍较高，与其它方法相比，转底炉的优点在于对原燃料的要求比较灵活，工艺设备简单易于制造，转底炉本体类似于轧钢环形加热炉，一些辅助设施也与传统球团厂相似，投资较低，污染也相对较小。缺点是由于转底炉主要依靠辐射传热，炉底只铺l～3层球团，普遍存在能耗高、生产率低的问题；另外由于处理的粉尘成分复杂，烟气中易凝结物质较多，使余热回收系统容易出现堵塞黏结；出料设备、耐材等损耗较快也需进一步优化。

2.3.3 富氧竖炉工艺

传统冲天炉用于熔炼铸造铁已有多年历史，炉料包括生铁、废钢等，燃料采用铸造焦和气体燃料等，德国Kuttner公司开发的Oxycup富氧竖炉工艺即源自传统冲天炉的改良技术。该工艺基本流程如图3［7］。将烧结、高炉、转炉及轧钢等工序产生的各类粉尘配以焦粉等还原剂，以水泥为黏结剂，混合压制成大小约100～150 mm的六棱柱型砖块，养护约3天即可入炉使用。Oxycup炉为富氧热风竖炉，从炉顶装入型砖、废钢、渣钢、焦炭、砾石等炉料，从下部风口吹入富氧热风，炉料经过预热、还原、熔化、渣铁分离等冶金过程，最终生成铁水、炉渣和煤气。煤气净化后可预热热风或并入煤气管网，湿法除尘收集的富锌粉尘污泥外销给炼锌厂，脱锌率达到95%以上。

Oxycup工艺在墨西哥Sicartsa、德国TKS、日本新日铁、JFE和我国太钢都有采用，部分竖炉工艺应用情况见表4所示。

表3 部分转底炉工艺应用情况

图3 Oxycup富氧竖炉工艺流程

表4 部分竖炉工艺应用情况

德国蒂森克虏伯公司所用的竖炉高约10 m，炉缸直径2.6 m，处理能力25～50 t/h，其热风流量30 000 m3/h，温度约650℃，鼓风压力40 kPa，同时喷入3 500 m3/h氧气，焦比为200～350 kg/t。采取连续出铁制度，铁水产量 15～65 t/h，渣量 15～30 t/h，炉顶煤气量约50 000 m3/h，热值约4 200 kJ/m3，煤气除尘污泥可以压块回用，一般使含锌量富集到30%以上再外销。每6周左右要停炉维修一次，主要是修补耐材，检修需约6天时间。

Oxycup工艺具有传统冲天炉的优点，对炉料种类适应性广、炉料强度要求低、生产灵活，能够处理钢铁企业含锌粉尘以及渣钢类的大块废料。缺点是燃料比较高、设备运行周期短、维修量大，此外压块工序也投资较高、流程较复杂。

2.3.4 小高炉工艺

德国DK公司专门利用580 m3小高炉处理各类钢铁粉尘和废旧电池，每年处理欧洲各钢厂的45万t含锌粉尘，可回收28万t生铁和1.7万t富锌粉，同时处理废旧电池达到2 000 t/a左右。

工艺过程即传统高炉炼铁模式，配套60 m2烧结机，烧结所用原料为转炉尘泥、高炉尘泥、轧钢铁皮、电池等固体废料及部分正常铁矿，高炉主要冶炼铸造铁，焦比为630 kg/t，煤比为70 kg/t，燃料比在700 kg/t以上，煤气利用率约为30%，高炉风口12个，风量65 000 m3/h，日产铁量约1 000 t。由于DK小高炉主要以各种固废为原料，入炉碱金属负荷约为 8.5 kg/t，锌负荷则达到 38 kg/t［8］，高炉煤气除尘可回收富锌粉尘，其锌含量高达65%～68%，具有很高市场价值。

DK小高炉工艺完全基于传统炼铁模式，各种设备及技术相当成熟，除了钢铁粉尘还能有效处理废旧电池。缺点是由于专门处理各类固废，高炉碱金属、锌等负荷极高，对长寿及顺行的危害影响也更严重。

3 含锌粉尘处理工艺对比

表5对钢铁含锌粉尘处理技术进行简要对比。

表5 含锌粉尘处理工艺对比

综合来看，火法工艺相对更契合我国钢铁企业，其中回转窑较适于处理高锌的电炉粉尘，否则经济上可能不划算，小高炉虽是钢铁企业最熟悉的工艺，但目前国家限制其发展，这也使国内含锌粉尘的处理主要集中在转底炉与竖炉工艺上。

需要注意的是，几种火法工艺在国外都取得了较好的经济和环境效益，这与其自身各方面条件以及国外严格的环保法规是分不开的。此外钢铁企业含锌粉尘具有循环累积的特点，随着开路处理会使系统循环的锌量减少，粉尘含锌量也会降低，脱锌意义下降，因此选择处理工艺还应综合其它功能，例如转底炉能生产金属化球团，富氧竖炉可以熔炼废钢铁等，各有特点，企业应结合自身需求慎重考虑。

4 结语

随着入炉原燃料质量下降、含锌废钢用量增加，同时环保压力不断加大，含锌粉尘的有效处理已成为钢铁企业一项重要工作。由于传统工艺模式下无法避免锌的循环和危害，采用新的专门处置工艺成为可行措施之一，对比目前已工业化的几类处置技术，综合来看火法工艺更适合钢铁企业，Waelz回转窑、转底炉、Oxycup竖炉、DK小高炉等各具特点，都取得了比较成功的经验，目前国内投产转底炉较多，其次是富氧竖炉，经过多年生产实践已日趋成熟，企业可结合自身各方面条件选择适宜的工艺路线，或参考其运行经验，继续深入研究，探寻更高效、更经济的处理方法。

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［7］Christian Bartels-von Varnbüler，李晟.环境技术投资不仅仅有利于环境保护［J］.世界钢铁，2014（1）:57-63.

［8］C Hillmann，K J Sassen， 周澍.高炉处理转炉含锌粉尘［J］.世界钢铁， 2013（5）:8-9.