摘要：钢铁生产工序除尘灰是指通过除尘收集系统将从原料场、烧结、球团、焦化等铁前工序和高炉、转炉、轧钢等工序产生的各类粉尘收集排除。在这过程中，如果不按照相关标准合理处理这些固体废物，一方面对生态环境造成严重损害，另一方面影响人们的身体健康。本文主要对我国钢铁生产工序除尘灰资源化利用现状及技术发展趋势进行综述分析。

　　关键词：冶金固废；含锌粉尘；高炉转炉；烧结球团；除尘灰资源化

　　钢铁行业是我国工业生产的基础，是国民经济的支柱行业。2020年我国粗钢产能突破10亿吨，与此同时带来的环境问题日益严重。因此，需要提高我国钢铁行业资源和能源的使用效率，减少环境破坏，大力践行“绿水青山就说金山银山”的生态环保理念。目前我国的钢铁企业冶金流程主要是以长流程生产为主，主要集中于烧结一高炉一转炉一轧钢等工序，占粗钢产能的70％以上。和这些典型生产工序产生大量粉尘及副产物等，统称为除尘灰。

　　1除尘灰分类及来源

　　根据生产工序将产生除尘灰的环节进行分类，包括原料场除尘系统、炼铁炼钢除尘系统及脱硫工艺除尘系统三类。原料场除尘系统包括转运站、皮带通廊等环节通过收尘系统收集产生的尘灰，其主要成分是矿物原料，这类尘灰成分与原料一致，一般不需要进一步的处理即可回到原料系统。炼铁炼钢除尘系统是钢铁生产工序包括烧结、高炉、转炉以及不锈钢冶炼等环节通过除尘系统收集的粉尘，这类粉尘成分十分复杂，处理困难。脱硫工艺除尘灰主要是烧结球团、焦化等工序烟气环保治理过程中产生的脱硫灰。据有关统计，从原料场、烧结、球团、炼焦、炼铁、炼钢、轧钢等工序，产生的各类粉尘量总和一般为钢产量的8%-12%。其中，烧结粉尘产量8-15kg/t烧结矿，高炉粉尘20-30kg/t铁，转炉粉尘8-20kg/t钢，电炉粉尘10-20kg/t钢。

　　2钢铁生产工序除尘灰处置

　　传统处置固体废弃物大都采取低价外排、转移、堆放、回配烧结等方法，这些处置方法不但粗放，且资源化利用率低，如处理不当，不仅造成资源的极大浪费，而且还会造成二次污染，形成恶性循环，严重制约了我国大气污染防治工作。

　　2.1烧结工序除尘灰

　　烧结工序粉尘是通过静电除尘收集的粉尘，包括烧结机机头电除尘灰、烧结机机尾除尘灰、筛分系统除尘灰、环冷机除尘灰以及燃破除尘灰等,根据相关数据烧结过程每生产一吨烧结

　　矿将产生20~40kg粉尘，通过烟气排放的约为1.02kg，烧结工序粉尘排放量占钢铁企业全工序总排放量的40%左右。采用烧结灰直接循环回用于烧结配料，此方式虽然实现了综合利用，但是烧结除尘灰回用也会对烧结细颗粒排放产生影响。彭犇等研究发现除尘灰和除尘灰中碱金属影响烟气细颗粒物排放，实验发现原除尘灰和水洗后的除尘灰配加后的细颗粒物排放值分别为127和90.9 mg/m3。

　　此外，还可以通过湿法提取钾资源，针对有些电除尘灰钾元素含量高的特点,研究开发了钾元素提取工艺。钱峰等对烧结机电除尘灰进行成分分析，烧结灰中含有大量的铁、镁、铝、锌、铅、钠、钾等有价值资源元素。我国钾盐严重不足，目前已探明的钾盐储量仅占世界储量的0.002%，且分布极不均衡，可供开采的并不多。钱峰等在《烧结机头电除尘灰资源化再利用》中提出采用水浸、磁选、过滤、蒸发等工艺，在这过程中去除其中的有害元素，并且开发出二次提纯结晶的方法，成功将KCl质量分数由93.0%提高到99.8%。

　　北京科技大学郭占成教授团队深入开展了冶金富钾粉尘物性分析、资源调查、水溶浸取动力学、溶液净化、蒸发浓缩、分步结晶分离、尾液循环、尾渣利用等系统的科学研究，研发了从铁矿粉烧结富钾灰中分离回收氯化钾的工艺技术和成套装备，而且在唐山曹妃甸区建立了一条利用冶金富钾粉尘生产线，该生产线年产氯化钾5万吨、年产精铁粉20万吨,实现了烧结电除尘工业化再循环利用。

　　这两年固废处理项目建设方面市场活跃，包括有2020年6月中钢天澄签约丰南钢铁资源化利用项目，由中钢天澄EPC总承包的烧结机头电除尘灰资源化利用，主要是以现有3台烧结机头电除尘器1、2、3、4电场除尘灰为原料，建成处理能力为60吨/天的烧结灰处置生产线，同时具备年产3900吨氯化钾、15900吨富铁料的能力。中冶长天2021年6月中标安阳钢铁综利公司烧结机头灰资源化处置项目，建成后处理能力为烧结灰2万吨/年。2.2冶炼系统除尘

　　冶金固体废物的来源和种类众多，如果处置不当，将会造成环境污染，还会造成资源的浪费。冶炼系统除尘灰来源于高炉炼铁工序和转炉炼钢工序。冶炼系统除尘灰通过水洗收集后形成冶金尘泥，包括高炉煤气除尘灰、泥、转炉炼钢尘泥、除尘灰等，这些冶金尘泥中含有较高的新元素，因此目前国内的冶金尘泥资源化利用主要集中在含锌冶金尘泥资源化利用。由于高炉灰中锌的循环和积累造成锌负荷逐渐增高，含锌尘泥如果返回烧结矿，高炉内锌负荷过高又会对高炉产生一系列的危害，使高炉操作难度增大，影响正常生产。

　　目前，针对冶金固废资源化应用最广泛的是火法工艺，包括烧结处理、球团处理、直接还原处理以及炼钢处理。直接还原处理分为转底炉工艺、回转窑工艺、竖炉工艺等。

　　(1)转底炉法

　　转底炉法是将包括原料粉尘、烧结粉尘、高炉、转炉除尘灰(泥)、电炉粉尘等送入圆筒烘干机烘干，烘干机烘干后，含水在6%左右的含铁含锌尘泥通过皮带输送到料仓，各种粉尘干灰被也被直接送到料仓，然后将还原剂、原料、粘结剂按比例配料，经过机械搅拌装置强力混合、压球、振动筛分等预处理工序，再经过生球烘干机烘干，然后将大于8 mm的含碳球团均匀地布置到转底炉环形炉床上，转底炉炉内温度通过加热点火系统被控制在1350℃左右，控制转底炉反应时间在20分钟左右，在高温还原反应段氧化锌被还原为锌单质，含碳球团矿被还原成金属化球团，其中挥发后的锌进入烟气中，再经过余热锅炉对烟气余热进热回收，此时烟气温度会降至200℃以下，烟气再经过袋式除尘器净化后外排，在这一系列处理下，氧化锌就在布袋除尘器中被成功回收。而还原后的金属化球团经冷却后经过筛分后进行分级利用，对于粒径大于5 mm的金属化球团可以直接作为高炉原料供进高炉使用，对于筛下的粒径小于5 mm的细粉料将供烧结使用。转底炉技术优势：长期稳定保持高金属化率和低含粉率的金属化球团生产，确保压球工艺金属化球团抗压强度大于1800N，实际生产过程中含粉率稳定在15%以下，造球工艺生产金属化球团抗压强度大于800N，在实际生产过程中含粉率稳定在20%左右。保证金属化球团长期稳定用于高炉生产，确保转底炉生产的高品质金属化球团作为原料长期稳定用于高炉生产，金属化球团的加入可以改善高炉透气性，吨铁平均加入1kg金属化球团可以降低燃料比0.2kg。合理的热工控制制度保证转底炉高效低耗运行，基于不同原料条件的工艺试验与模拟研究，建立转底炉热工控制模型，运用该模型指导转底炉工艺控制，获得高金属化率(≥70%)和高脱锌率(≥90%)的高质量金属化球团的高效低耗生产。多种措施预防转底炉烟气系统糊堵实现二次粉尘高效回收降低转底炉炉膛烟气流速；余热锅炉采用的卧式膜壁空腔；改变换热器结构；多种清灰方式结合；控制烟气露点温度；采用专用布袋收尘等措施避免烟气系统糊堵，实现二次粉尘高效回收。合理的原料处理系统保证生球强度满足生产要求。基于不同原料的实验研究，确定适合的粘结剂和成球方式，配料过程采用多点提前加湿消化，保证氧化钙的消化时间，强力混合机充分混合等措施，保证高的生球成球率和低的生球含粉率。

　　最近几年，由于政策趋紧，国内已有多套转底炉项目新建成或在建。主要有：在转底炉建设方面，中冶赛迪占据了市场上70%以上的份额，包括沙钢2号转底炉项目，新建一座30万吨转底炉生产线，用以处置全厂含锌含铁尘泥，建成后可实现金属化球团脱锌率超90%，年产富氧化锌粉近2万吨；河北唐山东海特钢转底炉(30万吨/年)(在建)；中天南通精品钢固废中心转底炉(25万吨/年)(在建)；江西新余钢铁转底炉(25万吨/年)(2021年7月投产)；宝钢武汉青山基地2座转底炉(2x20万吨/年)(1#2021年10月、2#2021年12月投产)；宝钢湛江二期(20万吨/年)(2021年4月投产)；首钢京唐(30万吨/年)(2020年7月投产)；宝钢上海2座转底炉(2x25万吨/年)(2020年5月投产)。

　　(2)回转窑法

　　回转窑工艺是从回转窑窑尾将含锌尘泥和各种粉尘加入还原系统，物料在窑内随窑身转动，并且螺旋前进进入到窑中1000℃以上的还原段内，在高温条件下物料中氧化锌被还原成金属锌并挥发随烟气排出，通过布袋收集系统将锌粉予以收集，剩下的残渣经磁选得到铁精矿和尾渣，铁精矿被回用到高炉炼铁工序中，尾渣通常可用去铺路或做水泥添加剂。

　　近期，国内在建或投产的回转窑项目主要有：山东钢铁集团永锋钢铁提铁减锌回转窑项目(15万吨/年)(2022年3月投产)；新疆八一钢铁含锌尘泥综合利用项目(16万吨/年)(在建)；安徽长江钢铁资源综合利用回转窑项目(在建)等。

　　综合分析目前主流应用的还原处理技术，他们的处理对象存在差异，转底炉主要是处理含铁尘泥，一般是适用于国内大型钢铁企业；回转窑技术主要是一些专门回收锌资源的企业，通过回收中小型钢企无法自身消纳的高含锌固废。就两种技术的工艺流程而言，转底炉工序多、流程长，这也是一般钢铁企业没有能力建设应用的原因，而回转窑技术工艺流程相对更简单。转底炉锌回收率基本能达到90%以上，它的应用规模也会更大，固废处理能力更强，基本能达到20万吨/年，而回转窑大多规模较小，处理能力在8-15万吨/年。随着转底炉技术在市场上大规模推广应用，转底炉脱锌工艺愈发成熟，能耗和环保等方面都具备优势。回转窑最大的优势在于其初期投资水平更低，对于同等处理规模的项目而言，年处置固废20万t的回转窑的总投资同比转底炉低15%~20%。而回转窑工艺流程想比较而言更简单，不需要煤气和焦炭作为热源和还原剂，只需要煤粉作为还原剂和补热剂，具有能源结构的优势。两种技术没有优劣之分，关键在于工程目标的选择，早期建成的回转窑以回收次氧化锌为目的，而转底炉是以处理钢铁冶金固废，回收含铁物料生产金属球为目的，同时回收锌资源。

　　(3)竖炉工艺

　　OxyCup竖炉工艺是由德国蒂森-克虏伯公司在2004年首次开发，该工艺结合了传统的冲天炉和高炉的特点，也是一种典型的钢铁行业冶金固废资源化处理工艺。其主要工艺流程为对钢铁企业产生的含锌尘泥送到料仓后，根据入炉要求按照一定比例将尘泥与粘结剂混合，再通过机械压块，最后将压块与焦以及废钢按照一定比例送到竖炉中还原熔炼。熔炼过程需要鼓入热风和氧气，炉内原料经过高温还原生成铁水和熔渣，产生的煤气经过净化后收集产生富锌尘泥，富锌尘泥达到锌含量要求被出售。

　　该工艺类似于小高炉，因此区别于上述的转底炉和回转窑，进入竖炉的原料一般为含碳尘泥压块以及焦炭和20%左右的废钢，因此竖炉工艺更的是用来熔炼废钢，比如日本JFE钢铁在2008年建造了一套竖炉就专门用来熔炼废钢。目前国内竖炉工艺是2011年中国太原钢铁公司引进OxyCup竖炉法，该工艺处理范围广，金属回收率高。太钢引进建设3座竖炉，单座竖炉每小时可处理45吨压块，3座竖炉采用两用一备，周期轮换运行。

　　赵海泉等研究了OxyCup竖炉工艺处理不锈钢粉尘，分析了其产品成分主要为含铬镍铁水，炉渣主要成分为氧化钙、二氧化硅等与高炉渣一致，除了铬和镍；铬、镍及铁收得率分别在90.5%、98.6%和98%，在不锈钢粉尘回收方面是十分理想的工艺。李健良等基于两平衡和热平衡计算对OxyCup竖炉工艺进行了综合评价，OxyCup工艺与传统高炉工艺相比，OxyCup工艺中的还原段和熔炼段呈现明显的分区，不像传统的高炉工艺中，还原和熔炼在高温区混合，因此OxyCup竖炉工艺必须通氧保证内部碳完全燃烧。竖炉特点在于对钢铁企业产生的固废适应性强，结合矿石和废钢可小规模生产贴水。但是竖炉在运行生产中发现存在炉体掉砖、烧嘴堵塞、烧嘴砖烧蚀等问题，从而影响竖炉寿命。

　　2.3脱硫工艺除尘灰

　　脱硫工艺除尘灰主要是半干法脱硫过程产生的脱硫副产物，主要是以钙基脱硫剂形成的亚硫酸钙、硫酸钙等为主要成分的粉尘。随着钢铁行业超低排放的推进，截止2021年底，全国有6.8亿吨左右的粗钢产能已经完成或者正在实施超低排放改造。据不完全统计，目前我国钢铁行业与电力行业有300多套烧结球团工序和1000多套燃煤发电机组采用半干法脱硫，因此估计每年产生的脱硫灰达到2000万吨。

　　目前，欧洲国家产生的脱硫灰渣主要用于回填、作为土壤改良剂、修筑道路以及用在水泥生产等。美国有产生的脱硫副产物通常被用作建筑材料，主要用在建设道路、生产水泥、制作混凝土及其他方面。我国半干法脱硫灰应用的研究主要集中在矿山填充、筑路、水泥混合材和缓凝剂、制砖、人造轻质集料、改良土壤、生产水泥等方面。刘梦贺等对某人电厂的脱硫灰掺入水泥用作建材进行了研究，分析了脱硫灰掺入量对水泥主要性能的影响，研究结果发现脱硫灰掺入不宜过多，大概在10%左右，而且在实际应用过程中最好能后结合粉煤灰一同添加的技术方案。

　　由于钢铁行业超低排放改造进程的推进，越来越多的企业采用循环流化床、密相干塔等半干法脱硫工艺，脱硫过程中产生大量的脱硫灰副产物难以简单的通常过传统的制作建材、制砖等途径予以消纳，另一方面随意堆弃和填埋法规也不允许，因此需要研究其科学有效的处置方法。脱硫灰资源化利用难题在于亚硫酸钙影响资源化利用效果，在利用过程中水化反应慢；遇水膨胀后容易破坏混凝土或建筑材料强度；此外，在高温条件下十分不稳定，容易分解成CaO和SO2，从而造成SO2的二次污染。

　　苏清发等通过氧化能有效将脱硫灰中的亚硫酸钙氧化成硫酸钙，在750℃条件下，通过回转窑装置加热可将脱硫灰中亚硫酸钙进行氧化，同时不会由于温度过高造成碳酸钙分解，产生对水泥生产不利的氧化钙。钱大益等采用生命周期评价(LCA)理论，分析结果表明脱硫灰氧化处理对生态环境有正面影响，实现固废的资源化利用，氧化工艺是要优于常规的填埋处理。金明辉等在CFB烧结烟气脱硫灰亚硫酸钙热氧化条件优化中指出，脱硫灰中亚硫酸钙的氧化转化率随温度的增加而增加，气固接触越充分，氧化转化率相对越高。因此，通过氧化是可以实现半干法脱硫灰资源化处理，实现固体废弃物减量化资源化。

　　氧化回转窑工艺流程：首先将原料仓中的脱硫灰通过皮带称重计量送入回转窑预热段，预热段的热源来自于氧化段外加热回转窑燃烧产生的高温烟气和窑内废气的余热。预热升温后进入氧化段，氧化段为内外加热回转窑，在温度稳定均衡、氧气充分的炉体内完成亚硫酸钙转化为硫酸钙的氧化过程。氧化后的脱硫灰进入冷却段，经旋转换热冷却后由提升机送入成品仓。吸收的余热由回转窑尾部逆流送入的空气吸收，用以补充氧气和热量。

　　目前在半干法脱硫灰资源高效综合利用方面，国内还没有完整的工程项目，国内在半干法脱硫灰资源化处理方面，2018年，北科环境联合北京科技大学以及京津冀钢铁联盟率先建立半法脱硫灰高效转化灰资源综合利用技术联合中试基地，在中试实验中对脱硫灰进行了多次实验和检测，证明利用回转氧化窑，科学控制氧化时间、氧化温度以及氧含量等参数，可以较好的控制脱硫灰中的亚硫酸钙含量在3%以下，脱硫灰中的亚硫酸钙氧化铝达到90%以上。在中试线的基础上还增加了原料预热和成品预热回收系统，成功研发了“三段内外加热脱硫灰氧化工艺和装备”，成功将亚硫酸钙氧化成硫酸钙，使脱硫灰转化为石膏，实现了半干法脱硫灰的综合利用。受限于当前政策要求不够严格，相较于传统的处置方式更为复杂，对企业而言需要付出投资建设成本，暂时还不能被市场所接受和推广应用。当然，如果氧化工艺被大范围推广使用，产生大量的副产石膏需要进一步寻找合适的使用路径，比如除了用作水泥缓释剂，还可以用于矿渣缓和磨细生产矿渣微粉以及生产石膏晶须这一类新型功能材料。

　　3结语

　　在新时代发展的背景下，随着社会和科技的进步，以及国家对高能耗企业的低碳低耗绿色发展要求，钢铁行业未来面临的主要问题是如何充分利用冶金固废能源、减少碳排放。通过分析目前市场发展情况可以发现，转底炉和回转窑建设是当下冶金固废处理最火热的技术方向，随着政策逐步推开，实行地区越来越多，将会有越来越多的钢铁企业建设冶金固废综合处置项目。