内容概述：阐述了钢铁生产环节中粉尘的类型、各生产阶段的产出量，同时简要说明了未处理的高炉粉尘所带来的负面影响。详细列出了我国钢铁企业回收高炉粉尘中碳、铁、锌等元素的处理技术，并对浮选法、回炉烧结法、磁选法、物理处理法、湿法和火法等处理工艺的原理、操作流程及优缺点进行了深入分析和归纳总结。此外，对钢铁企业中应用最广泛的回转窑和转底炉的技术参数进行了搜集与剖析。经过对上述处理技术的对比分析，我们得知火法处理技术已经相当成熟，并且非常适合大规模生产，因此它成为了当前钢铁行业使用频率最高的工艺手段。同时，本文还对用于处理高炉粉尘的新兴技术进行了探讨，并重点阐述了微波处理技术的相关内容。相较于传统的火法加工技术，微波加热技术有效克服了火法加热过程中外部向内部加热不均的难题；微波能够深入物料内部，将微波能量转化为物料的热能，确保了加热的均匀性。展望未来，对于处理高炉粉尘的新技术，我们提出了新的设想。
社会与经济持续进步，加之大型基础设施的持续优化，我国对钢铁的依赖程度逐年上升。在此背景下，钢铁行业每年需消耗巨额能源与资源，并产生大量固体废物。以2019年为例，我国粗钢产量高达99634万吨，较上年增长8.3%，由此产生的尘泥量约为10500万吨。钢铁企业在生产活动中会产生一些细小的固体污染物，这些被称为粉尘。根据不同的生产环节，这些粉尘可以细分为烧结机头产生的灰、烧结机尾产生的灰，球团除尘产生的灰，高炉瓦斯产生的灰、布袋除尘产生的灰，转炉产生的尘泥、电炉产生的烟尘以及轧制过程中产生的粉尘等。通常情况下，每生产一吨钢材，会产生大约80至120公斤的粉尘。调查结果显示，烧结环节产生的尘埃量约为烧结矿总量的2%至4%，而炼铁和炼钢阶段产生的尘埃则占铁水和钢水总量的3%至4%，在轧钢环节，粉尘的含量大约在轧材总量的0.8%至1.5%之间。
高炉生产过程中会产生一种名为高炉粉尘的副产品，其颗粒非常细小，其中小于10微米的粉尘占比高达60%。这种粉尘主要来源于煤气净化系统、出铁场的除尘设施以及炉顶装料系统。煤气净化系统主要负责收集高炉瓦斯灰，而每生产一吨铁，大约会产生17公斤的瓦斯灰。据统计，出铁场产生的粉尘大约占据了高炉炼铁工序粉尘总量的50%。
近年来，随着铁矿石资源的日益稀缺，我国对环境监管的强度不断加强。众多企业开始采用将高炉粉尘返回烧结的处理方式，然而，这些粉尘中仍含有钾、钠、锌、铅等有害成分。若这些有害物质在高炉中长期积累，不仅会对高炉的运行和寿命造成显著影响，甚至可能引发安全事故。鉴于此，对高炉粉尘进行资源化利用显得尤为迫切。
01
高炉粉尘中碳的处理方式
高炉粉尘含有一定比例的固定碳，这种碳颗粒具有良好的浮选性能，因此可以采用浮选技术进行碳的回收。具体工艺流程包括将高炉粉尘与水混合，制成矿浆，随后加入适量的起泡剂和捕收剂，充分搅拌至达到所需浓度。搅拌完成后，将矿浆送入浮选机，继续搅拌并通入气体，此时疏水的碳颗粒会吸附在气泡上，随气泡上浮至矿浆表面，最终形成矿化泡沫层。最后，利用刮泡器将泡沫层刮下，从而获得碳精矿。
八钢选用二号油作为起泡材料，以柴油作为捕收剂实施浮选作业，从而获得了品位在64%左右的炭精矿，其产率介于38%至42%之间，并且实现了约90%的碳回收率。
张晋霞等人运用微泡浮选柱技术对瓦斯泥进行碳元素的有效提取，实验中采用的2号油量为25克每吨，柴油量为500克每吨，六偏磷酸钠的用量为80克每吨，充气速率保持在0.32立方米每小时，淋洗水量为0.015立方米每小时。在这样的实验条件下，成功获得了品位达到4.21%的碳精矿，其回收率达到了62.94%。
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高炉粉尘中铁的处理方式
返回烧结法
高炉冶炼过程中产生的粉尘富含铁质，并且含有CaO、MgO等有助于烧结的成分。此外，粉尘中还含有碳。一些企业将这种高炉粉尘用于铁精矿的烧结配料，以此替代碳元素。这样做不仅解决了焙烧温度较高的难题，还能回收粉尘中的铁，最终实现了预期的效果。
返回烧结工艺虽能有效回收和利用高炉粉尘中的铁和碳元素，然而，由于高炉粉尘的粒度较铁精矿更细，一旦混入烧结料中，将导致料层透气性下降，进而降低烧结效率；此外，高炉粉尘中富含钾、钠、锌等有害元素，这些元素在高炉内部积聚，会导致炉墙增厚、炉体膨胀，若不及时处理，将干扰高炉的稳定运行。
此表格展示了某钢铁厂烧结配料对高炉中危害元素所产生的作用。观察表格数据，我们可以清晰地发现，在加入除尘灰后，烧结矿中的锌含量显著增加，几乎是未添加除尘灰时的三倍之多。同时，随着除尘灰的加入，碱金属的含量也有所上升。
磁选法
高炉粉尘中铁质主要呈赤铁矿和磁铁矿形态，故可借助磁性差异，通过多级磁选技术来回收铁质资源。若粉尘中铁磁性成分含量偏低，导致磁选回收效率不高，则可结合密度差异，实施磁选与重选相结合的综合处理流程，以此增强磁性分离的效能。梅山钢铁公司采用的弱磁-强磁磁选工艺，能产出铁精矿，其产率和品位均超过52%。
03
高炉粉尘中锌的处理方式
物理法
机械分离技术，利用离心力或重力原理，实现了对粉尘中不同粒径物质的分选。目前，常见的机械分离技术包括浮选-重选工艺和水力旋流分离等。其中，水力旋流脱锌技术，作为一种高效的湿法粒径分级设备，主要依托颗粒分级技术，将粉尘区分为含锌量较高和较低的颗粒，随后利用设备内部的离心力进一步实现粉尘的分离。
机械分离的成本相对较低，且处理后的产品能够进行进一步的加工与利用；然而，其操作成本相对较高，且经过富集后的锌含量并不高。鉴于此，物理法在富集含锌粉尘方面的效率并不理想，通常仅作为湿法处理或火法处理的初步富集步骤。
湿法
在处理锌含量较高的粉尘时，通常采用湿法工艺；而对于锌含量较低的粉尘，则通常先采用物理法进行预处理以实现富集高炉除尘系统应急措施，随后再通过湿法工艺进行处理。在粉尘中，锌通常以氧化锌的形式存在，而氧化锌作为一种两性氧化物，能够与多种酸、碱以及氯化铵溶液发生溶解。因此，选择恰当的浸出液变得尤为重要。湿法工艺主要分为酸性浸出和碱性浸出两种类型。其流程一般为浸出、净化、沉积和电解，处理流程图如下图所示。
1.酸法浸出
该工艺采用酸性浸出液对含有锌的粉尘进行溶解处理，其中主要分为强酸法和弱酸法两种。在这些酸液中，粉尘中的锌化合物能够有效溶解。随后，对浸出液按照既定步骤进行处理，便可提炼出锌。在这种处理条件下，锌的浸取率几乎可以达到100%，最高浸取率可达到98%。
在加热过程中，浸出液会显著蒸发，因此刘淑芬等人对常温下使用硫酸进行瓦斯泥浸出的实验进行了研究，并指出在常温条件下，当酸度为65克每升、液固体积质量比为4比1、反应时间为2小时、搅拌速度达到350转每分钟时，锌的浸出率可达97.94%。
在常温或高温条件下，使用强酸处理粉尘时，锌的浸出率能够超过90%，然而，与此同时，粉尘中的铁也会溶解到溶液中，因此，必须进行后续的铁去除处理。
浸出过程中通常选用碳酸和醋酸作为弱酸，这样溶液中的Fe3+就会发生水解反应，生成Fe(OH)3并分离出来，从而最终获得含锌量较高的浸出液，因此可以省略去除铁的步骤。然而，这种方法中锌的浸出率相对较低，且浸出所需时间较长，因此目前尚未在工业生产中得到应用。
2.碱法浸出
处理含有锌的粉尘时，通常采用碱法浸出，所得到的浸出液多选用氢氧化钠等强碱性物质，亦或是氨水与铵盐溶液这类弱碱性溶液。其工作原理在于，粉尘中的氧化锌在强碱作用下能够溶解，进而以络合物的形态进入溶液中。
碱法工艺在选择性方面更为优越，能够得到更为纯净的浸出液；然而，它要求使用更高浓度的碱性溶液进行浸出，并且与酸法相比，浸出所需的时间更长。此外，当粉尘中含有的铁酸锌较多时，它几乎无法在碱性溶液中溶解，这会导致锌的浸出效率显著下降。
总体来看，湿法浸出所需投资较低，设备成本不高，然而其操作过程较为复杂，需消耗大量酸性或碱性浸出液，这些浸出液往往难以从物料中完全去除，进而可能引发环境二次污染；此外，随着后期成本的增加，设备易受腐蚀，对原料的质量要求也相当严格，通常适用于含有中、高锌的粉尘处理。
火法
截至目前，钢铁企业普遍采用火法来处理含锌粉尘，这一工艺方法在业内占据主导地位。金属氧化物在还原过程中会吸收热量，同时，锌的熔点相对较低，在高温条件下能够气化并挥发，从而与还原渣分离开来。随后，这些锌蒸气进入烟道，在冷却过程中重新氧化成氧化锌，进而实现富集和回收。当前，回转窑法和转底炉法是应用最为广泛的两种处理方法。
1.回转窑工艺
回转窑法是一种直接还原工艺，其操作步骤包括将含有锌的废料与焦炭、石灰等物质混合，然后送入窑内。在高温环境中，粉尘中的锌得以还原为金属锌，随后锌气化并融入烟尘之中。接着，这些锌与氧气结合，形成氧化锌并得以积累。这一过程不仅能够充分运用粉尘中的碳元素，将渣中的铁还原并返回烧结配料，同时还能实现铁的回收。
回转窑的工艺技术日益完善，衍生出多种多样的类型，比如日本的川崎工艺，德国的威尔兹工艺等。在这些类型中，威尔兹工艺的应用尤为广泛，其具体的流程图可参考下方的插图。在钢铁工厂，锌含量较高的粉尘与还原剂，如焦炭和无烟煤等，经过混合、制球（或者直接使用粉尘而不必制球）后，被送入回转窑进行处理。在这个过程中，锌以蒸汽的形式被回收，这些蒸汽可以用来炼制锌厂的粗氧化锌。还原后的渣料在冷却后，需经过破碎和磁选处理，其中大于7毫米的颗粒可用于高炉冶炼，而小于7毫米的细小部分则被送回烧结工序。
我国近年来在回转窑法回收锌领域取得了显著进展，其中红河锌联科技有限公司的回转窑技术已相对成熟。此技术处理后的锌回收率高达90%左右，同时，粉尘中的铁和碳也能得到有效利用。包钢集团投用的回转窑每年可处理布袋灰量达10万吨，进而生产出8000吨的高锌产品。回转窑法在处理高炉粉尘时设备结构相对简单，技术操作也较为成熟，然而，它并不适合处理含锌量较低的粉尘，对原料的品质要求相当严格；此外，窑内温度分布不均，容易形成结圈，这种现象频繁发生，进而缩短了设备的使用寿命，并提升了后期维护的投入成本。
2.转底炉工艺
转底炉法同样属于直接还原工艺，其工作原理与回转窑法大致一致，都是在高温和还原性环境中进行。在此条件下，由于锌的沸点相对较低，达到907℃，锌会以蒸汽形式蒸发。随后，气态锌与空气中的氧气结合，生成氧化锌并逐渐富集。整个系统通常包括原料处理、球团制造、炉体操作、除尘处理以及冷却环节。钢铁厂中的含锌粉尘首先经过混合配比，随后加入水以及膨润土等作为粘结材料，进行造球处理。待球状物烘干至含水量低于3%后，通过布料器将其均匀铺设在转底炉的炉床上。炉料在炉底旋转过程中，首先在预热区被加热至约1000℃，随后进入高温还原区，温度通常超过1250℃。铺设的料层较薄，通常为一至三层。在此过程中，锌被还原并进入烟气中，从而实现富集。
当前，国内众多企业开始采用这种方法来处理含锌粉尘；2004年，马钢建成了国内首个年处理能力达20万吨的转底炉；自2015年唐山燕钢转底炉一期工程投入使用后，2018年10月，二期工程亦顺利投产，两者合并后，年处理能力提升至40万吨；2019年11月29日，韶钢的25万吨转底炉成功进行了热负荷试车；该转底炉项目由宝武环科自主研发，并在设计中融入了众多新技术。
转底炉工艺的生产周期极短，效率显著，通常只需二十分钟，设备布局紧密，金属化率也相对较高，大约在70%上下，而且还原后的金属化球团中铁含量丰富，非常适合用于高炉和转炉。然而，转底炉在铺设物料时层厚较薄，导致炉内空间未能得到充分运用，其有效利用率大约仅为10%；在加入含碳球团的同时，大量煤粉的混入不仅引入了硫分，还掺杂了脉石成分，从而降低了金属化球团的品质与质量；加之还原过程需要较高的温度，导致能耗增加，而且热能的利用效率不高，大约只有35%左右。
综上所述，火法对含锌粉尘的处理技术已经相当成熟，其锌的回收效率相当高，通常可超过80%；此外，该技术操作简便，对原料的品质要求并不严格；钢铁企业所拥有的原料和还原剂资源丰富，且还原后的产物还可用于高炉和转炉的生产；尽管初期建设投入较大，能耗较高，以及后期维护成本不低，但从整体效益来看，这种处理方法仍然被众多钢铁厂所采纳。
04
粉尘处理新工艺
铝浴熔融法
铝的熔点仅为660℃，且其传热性能卓越，这使得在较低温度下即可进行熔融还原反应，进而实现锌铅的分离。在铝浴法工艺中，首先将含锌的粉尘制成球状，随后将其置于已经熔化的铝浴中。小球在铝浴中熔化后，由于锌的蒸气压较高，能够迅速还原并转化为气体，随后冷凝并富集。与此同时，铅则留在铝浴中，最终与铁渣一同被回收。值得一提的是，使用过的铝浴还可以被重复利用。郭兴忠与张丙怀等人对铝浴法在锌、铅回收率方面的试验进行了深入研究，并最终确定了最优的工艺参数：温度设定为1100℃，碱度值为1.1，还原处理持续时间为45分钟。在此条件下，锌的提取率可达95%左右。此外，所收集的氧化锌粉末中，氧化锌的比例超过90%，而铅则几乎全部被保留在铅铁渣中。
铝浴技术成功实现了锌和铅的分离，并且能够有效增加锌、铅元素的含量；然而，这种方法通常适用于含锌量较高的粉尘处理，但我国钢铁企业产生的含锌粉尘中锌的含量并不高，所以铝浴法并未得到普遍应用。
真空法
在钢铁制造过程中，铁、锌、铝、铜、锡等杂质时常出现，这些元素在纯净金属形态下具有不同的饱和蒸汽压，据此高炉除尘系统应急措施，真空蒸馏技术便成为从含锌粉尘中提炼锌的有效手段。在特定真空条件下，同一温度下，蒸汽压较高的金属将比蒸汽压较低的金属更早蒸发。郭先健等研究人员在1988年对真空还原氧化锌进行了深入研究，并证实了真空技术在氧化锌原料中提取锌方面具有显著成效。熊利芝等人采用煤炭作为还原剂，在真空环境中对氧化锌原料进行还原蒸馏处理。他们通过将蒸馏产生的气体进行分段冷凝，观察到系统压强的下降导致反应的临界温度相应降低。实验结果显示，在50Pa的压强下，保持1173K的温度进行一小时的蒸馏，能够从原料中提取出超过98%的锌。李夏等人研究了还原时间、还原温度、真空度等变量对粉尘中锌的回收率和金属化率的作用，并对主要由ZnO、NaCl、KCl组成的冷凝物进行了水洗处理，随后进行干燥，以此去除NaCl和KCl；接着对水洗后的冷凝物进行真空蒸馏，通过不同元素的蒸气压差异来移除Pb、Cu等杂质，然后对所得产物进行高温熔析以去除其中的碳，最终通过精确控制真空度和温度来制备纳米氧化锌。
尽管真空技术能够制备出高纯度的锌，并且其还原效果显著，然而，该方法的操作流程较为复杂，对真空条件的要求极为严格，目前还仅限于科研领域，若要实现大规模工业化生产，仍面临诸多挑战。
火法—湿法联合工艺
钢铁企业在处理含锌粉尘时，通常采用火法技术，但这种方法只能单独回收粉尘中的有价成分。而若采用湿法处理，后续的除铁工序则会带来不小的压力。在火法处理过程中，会有大量铁质残留在还原渣中。鉴于此，结合火法和湿法工艺的各自优势，我们建议采用火法进行初步富集，再通过湿法进行深度提纯。在第一阶段，火法工艺操作中，锌在高温下转化为气态，随后与氧气发生反应，形成粗氧化锌，这些氧化锌随之富集于排放的烟尘中；与此同时，还原渣中的铁通过磁选技术被分离出来，这些分离出的铁可用于高炉和转炉的冶炼；进入第二阶段，湿法工艺采用氨盐进行浸出处理，随后进行过滤；接着，从滤液中分离并提取铅、镉等金属；最后，对过滤后剩余的残留物进行净化、沉淀和烘干，从而获得高纯度的氧化锌。罗文群等人首先采用火法技术进行物质富集，在1000℃的高温下持续反应1小时，锌的挥发效率高达97%，所获得的氧化锌在富集产物中的占比超过80%；接着，他们利用结晶法，通过NH3-NH4HCO3溶液进行浸出处理，氧化锌的浸出效率非常高，达到了99.9%。
另一方面，部分钢铁企业在生产过程中产生的含锌粉尘中，铁酸锌的比重相当高。若仅采用火法处理，会面临能耗较高、回收率不理想等问题。而在湿法处理中，由于铁酸锌呈现尖晶石型晶格结构，无论是酸浸还是碱浸，铁酸锌在常温下几乎不溶解。因此，在火法处理阶段，铁酸锌会分解成氧化铁和氧化锌，从而在后续的湿法浸出过程中减轻负担。
联合工艺在锌的回收方面表现出色，同时还能有效提取粉尘中的其他有价成分，显著提升了经济效益。然而，该方法的操作流程相对复杂，所需设备规模较大，并且初始投资费用也相对较高。
05
微波法在粉尘处理中的应用
微波加热技术简介
微波属于电磁波范畴，在微波场中，物体内部存在极性分子。这些极性分子在微波发生管产生的高频电磁波作用下，会进行快速旋转。在此过程中，电能被转化为机械能。极性分子间的摩擦和碰撞，以及克服微波能量的过程，使得机械能进一步转化为内能。因此，物体的温度逐渐上升，实现了加热的效果。
与传统加热从外部向内部传递热量的方式相异，微波加热属于在物料内部进行加热；在微波场的作用下，物料整体都将受到加热；微波还能同时促进吸热和放热反应，发挥催化效果；此外，微波加热具有选择性，由于不同材料的介电性质各异，它们对微波的吸收能力也有所区别。
含锌粉尘微波处理工艺
含锌粉尘因其介电特性，对微波有较强的吸收能力，这使得微波加热相较于传统火法加热，能更迅速地提升粉尘温度。李圣辉及其团队对电炉中粉尘与还原剂的升温性能进行了研究，结果显示，在输出功率达到1KW时，含锌粉尘仅需10分钟便能达到1200℃的高温。在高炉中，锌和铁主要以氧化物的形式存在，通过添加适宜的还原剂，可以有效地从物料中提炼出锌。他们对焦炭、无烟煤以及烟煤的升温特性进行了深入研究，并且考虑了锌的回收率和金属化效率，最终决定将无烟煤选为实验中的还原材料。
刘秉国等研究者对比了瓦斯灰通过微波处理与火法处理的差异，结果显示，采用微波处理仅需28分钟就能实现98%的脱锌率，而传统火法处理则需要长达230分钟才能达到相同效果。由此可见，微波处理显著缩短了处理时间。此外，周云等研究者还发现，在处理含锌粉尘的电炉时，微波处理能使粉尘更容易达到脱锌温度，且比传统加热方法低接近100℃。这些研究都证明了微波处理粉尘的可行性。
综合分析，我们发现微波技术在处理粉尘过程中，锌的回收效率较高，且反应速度较快，对环境的污染较小，成本也相对较低。然而，在微波处理过程中，物料的用量存在一定的限制，目前仅在实验室小规模进行批量研究，技术尚不成熟。
06
结论及展望
现在，企业回收高炉产生的粉尘中的碳元素，普遍采用初次粗略筛选，随后进行多次精细筛选的方法。而在回收铁的过程中，单次磁选往往效果不佳，因此通常会选择多阶段磁选来提高回收效率。当前，火法炼锌技术仍是企业普遍采用的主流手段，该技术成熟度高、回收效果优良，且未使用的铁元素仍能在高炉或转炉中继续发挥作用，然而，它对能源的消耗较大；酸法炼锌工艺能产出高纯度的锌，能源使用相对较少，但沉铁环节较为复杂，整个过程较长，且排放的浸取液也存在一定问题；碱法炼锌则会产生不同程度的氨气，对环境造成污染。
在火法提锌工艺的未来发展中，需关注生产过程中能耗较高以及锌品位相对较低的问题；尽管回转窑适用于大批量处理，但内部易形成结圈，这一现象需要深入研究；同时，应充分利用火法和湿法的各自优势，积极研发火法与湿法相结合的联合工艺；此外，还需对湿法工艺排放的氨气是否能够实现循环利用进行深入研究，以早日实现工业化生产的目标。
未来有必要研发一种技术，这种技术不仅能够融合现有工艺，还能适应多样化的品位和粒度等特性；同时，这种方法需确保产物中的锌和铁能够实现高效分离，从而提升锌和铁的纯度，满足二次利用的标准。此外，对于剩余的分离产物，应进行清洁利用的研究，根据其成分差异，探索合适的循环利用途径，力求实现资源利用的最大化。
