一种新的从高炉瓦斯灰中回收有价金属的工艺

邴 桔，常永强

(中国有色金属建设股份有限公司，北京 100029)

钢铁行业是资源与能量消耗最大的生产行业之一，面对日益严重的资源和环境问题，节能减排已成为我国各大钢铁企业要面对的问题。尽管世界各国研究发展了很多炼铁方法，但高炉炼铁仍占主导地位[1]，随着钢铁产量的增加，其排放物同样也会越来越多，高炉瓦斯灰是炼铁高炉产出的荒煤气经收尘而得到的固体废弃物，生成量约为铁产量的4%，数量可观，不加以合理处置将直接对生态环境包括水体、大气、土壤造成极大的污染和破坏，并且高炉瓦斯灰中一般含有铅、锌、银、铟等有价金属，如不加以回收利用，也将造成二次资源的浪费。常规的处理方法是固化填埋或者制团返回焙烧工序，这两种方法均无法对其中的有价金属进行综合回收，前者成本高，后者会造成金属在主体工艺中循环累计，使高炉顺行受阻，因此高炉烟尘的综合回收利用对企业促进重金属防治污染、建立清洁生产模式、实现循环经济可持续发展具有十分重要的现实意义。

1 高炉瓦斯灰的性质

根据高炉烟尘根据不同的除尘方式，分为高炉瓦斯灰和高炉瓦斯泥两种。其中经湿法除尘设备所得的粉尘称为高炉瓦斯泥，经干法除尘设备所得的粉尘称为高炉瓦斯灰。国内钢铁企业的高炉烟尘的基础特性研究结果发现，瓦斯灰中含Fe：25%～50%，Zn：0.1%～5%，C：15%～25%，不同的除尘方式所得粉尘中Zn、Fe含量差异较大，且因原料的不同，瓦斯灰中还含有银、铟、铋等稀贵金属，是多种元素的自由态和复合物的混合烟尘，其中以Fe2O3、ZnO、Al2O3、SiO2、CaO、MgO和PbO成分居多，成分比较复杂。但主要成分保持不变。表1为国内一些钢厂的高炉烟尘的化学组成[2-4]。

表1 国内一些钢厂高炉粉尘化学成分组成（%）

研究表明高炉粉尘中的锌可能的赋存状态包括ZnO、ZnFe2O4，ZnSiO3，ZnSO4等形式[5]，粉尘中的铁主要以磁铁矿和赤铁矿为主，铁款物与脉石相互嵌布、粘连，脉石表面有细小的铁矿物及炭粉连接，故高炉粉尘一般具有如下特性[6]：

（1）粉尘粒度细。一般粒径在20μm～50μm，流动性好，易造成二次污染，尤其对于特别细小的颗粒，长期悬浮于空气中，对操作环境也会造成污染。

（2）吸水性差。高炉炼铁过程中，烟尘经过一系列的物理和化学变化，粒子表面光滑，故加湿比较困难。

（3）普遍含铁高，锌含量不等。一般含铁量均值在30%，含锌量在1%～20%不等。

2 工艺流程

根据某厂所购买的原料，以高炉瓦斯灰为主，以及部分湿法炼锌的浸出渣。主要工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

因为高炉瓦斯灰颗粒细、吸水性差，因此搭配湿法炼锌的浸出渣一起做球团质粒，一般湿法炼锌系统产出的锌浸出渣含水在30%～40%，短时间的堆放不能满足物料配料和入炉对水分的要求，故需要在球磨制粒工序前对锌浸出渣进行干燥处理。未经处理的瓦斯灰堆密度约为0.7g/cm3～0.9g/cm3，经球团制粒后的入炉物料密度约为1.2g/cm3，瓦斯灰与锌浸出渣的比例依据其含铁、硅量，按照渣型配比来确定。因浸出渣成块状，又为了获得良好的混合效果，故浸出渣和瓦斯灰一起入球磨机进行球磨处理，再加入水、粘结剂制粒，质粒后物料含水7%～8%，球磨产生的粉尘返回配料系统。

制粒后的物料进烟化炉吹炼，采用间断操作的形式，量较多的元素铁与硅造渣入弃渣，弃渣水淬制粒后外售；产生的高温烟气通过余热锅炉进行余热回收，后接布袋收尘系统，有价金属锌、铅挥发入烟尘，稀贵金属如银、铟、铋等也通过烟化吹炼富集于烟尘中，作为产品的次氧化锌收集后送去锌电解工艺，若稀贵金属在次氧化锌烟尘中富集量较高，也可直接计价外售；尾气送脱硫系统，硫达标后可安全排放。

吹炼过程中发生的主要化学反应如下：

熔池区：

2C+O2=2CO

C+O2=CO2

2ZnO+C=2Zn(g)+CO2

2ZnO+CO=2Zn(g)+CO2

PbO+CO=Pb(g)+CO2

2PbO(s)+C=2Pb(g)+CO2

熔池上部空间：

Zn(g)+O=ZnO(烟尘)

Pb(g)+O=PbO(烟尘)

CO(少量)+O2=CO2

值得指出的是，若高炉瓦斯灰含铁较高，且其中的磁铁矿含量在20%以上，建议在配料工序之前对瓦斯灰原料进行磁选的预处理，一方面磁选出来的磁铁矿可以直接作为高附加值产品外售，另一方面也减少了后续入烟化炉物料的含铁量，减少了炉况受铁影响顺行受阻的风险，有利于烟化吹炼过程的安全运行。

3 技术经济指标及结论

某厂经过一段时间的生产实践表明：

（1）高炉瓦斯灰搭配锌浸出渣经球磨质粒，采用烟化吹炼综合回收其中的有价金属的工艺是成功的。烟化炉弃渣含锌在2%以下，含铅0.3%以下；同时对其他稀贵金属如银、铋进行了一定的富集，实现了对高炉瓦斯灰的综合回收利用。

（2）整个工艺流程短，既克服了以往其它火法工艺中锌循环累计无法开路带来的顺行受阻，也克服了湿法系统流程长、污水排放量大等缺点，促使企业在固废资源综合回收方面取得了显著的经济和社会效益。

（3）本项目采用烟化炉～余热锅炉一体化装置，在回收有价金属的同时，对吹炼过程中的高温烟气也进行了有效的热量回收利用，所产低压蒸气用于厂区其它工艺设备，做到了对二次能源的充分有效地利用。

（4）过往的生产实践表明向球团中配加瓦斯灰替代碳，在提供所需热量的同时，可以获得良好的还原性，本工艺的生产实践也证明，瓦斯灰中的碳的确可以在一定程度上替代粉煤，对于整个烟化吹炼来说，所用的粉煤量大幅度减少，对于含碳高的瓦斯灰，甚至可以不加粉煤，从而精减整个工艺流程中的粉煤制备系统。

（5）瓦斯泥与瓦斯灰相比，磁铁矿的含量较瓦斯灰小，含水量大（一般为50%左右），粒径更小等特点，对瓦斯泥采用回转窑干燥或者带式干燥，将水分降低至10%以下，即可采用瓦斯灰相同的工艺流程来进行综合回收处理。