目前，我国钢铁工业进入了转变发展方式的关键时期，一方面能源、资源供应紧张，钢铁原材料价格居高不下;另一方面，受环境容量制约，我国钢铁工业面临着前所未有的挑战。我国钢铁企业是资源消耗、废弃物产生大户，能耗总体水平与国际先进水平相比，还存在差距。发展循环经济要求钢铁企业对生产过程中产生的废弃物进行综合利用，并提高资源利用率。因此，开展钢铁企业含铁尘泥资源化利用研究，对有效提高资源利用率、降低污染排放、实现我国钢铁工业的可持续健康发展，具有十分重要的意义。
钢铁企业含铁尘泥主要来自于烧结、球团、高炉、转炉和轧制等各工序的除尘和废水治理过程，一般全铁含量为30%~70%，同时含有一定量的碳和有害元素。尘泥产生量与原料状况、工艺流程、设备配置、管理水平等因素有关。其中，烧结工序粉尘产生量约占烧结矿产量的2%~3%，炼铁工序尘泥产生量约占铁水产量的3%~4%，炼钢工序尘泥产生量约占钢产量的3%~4%，轧钢工序固体废弃物产生量约占轧材产量的0.8%~1.5%。在传统的高炉、转炉生产流程中，含铁尘泥的产生量约为钢材产量的10%左右。2016年，我国粗钢产量达8亿多吨，含铁尘泥产生量则超过8000万吨，数量非常大。因此，含铁尘泥资源化回收利用的意义非常大。
本文对传统钢铁生产流程产生的含铁尘泥的基础特性进行了分析研究，并结合我国钢铁行业的实际情况，提出了适合我国含铁尘泥回收利用的发展方向，以期为钢铁企业含铁尘泥资源化处理提供参考。
含铁尘泥的基本特性
钢铁企业含铁尘泥种类繁多，且其特性也各不相同。本文以烧结工艺的烧结机头灰和机尾灰，高炉工艺的重力除尘灰、旋风除尘灰和布袋除尘灰，转炉工艺的OG(转炉烟气除尘)粗泥和OG细泥以及轧钢工序的氧化铁皮为代表，研究各种含铁尘泥的基本特性。
化学组成分析。研究表明，烧结机头灰的全铁含量最低，仅为28.5%，属于低铁含铁尘泥;高炉除尘灰和烧结机尾灰全铁含量在30%~50%区间，属于中铁含铁尘泥;而转炉污泥和氧化铁皮的全铁含量较高，大于50%，属于高铁含铁尘泥。
烧结机尾灰、重力除尘灰、旋风除尘灰和氧化铁皮的碱金属含量较低，小于0.5%，属于低碱含铁尘泥;OG细泥的碱金属含量为0.63%，属于中碱含铁尘泥;而烧结机头灰、布袋除尘灰和OG粗泥的碱金属含量较高，都大于1%，属于高碱含铁尘泥。尤其是烧结机头灰，钾的含量非常高，若要循环利用此类尘泥，必须进行脱钾预处理。
大部分含铁尘泥的锌含量都较低，小于1%，属于低锌含铁尘泥，只有烧结机头灰和布袋除尘灰的锌含量稍高，分别达到1.12%和1.25%，属于中锌含铁尘泥。烧结机尾灰和氧化铁皮的固定碳含量较低，仅为1.06%，属于低碳含铁尘泥;其他几种含铁尘泥的固定碳含量在2%~22%区间，其中，重力除尘灰、旋风除尘灰和布袋除尘灰的含碳量较高，在16%~22%区间。
上述几种含铁尘泥的全铁含量基本在25%以上，同时含有一定质量的碳和氧化钙等资源，是非常有价值的含铁资源。但是，这些含铁尘泥由于含有一定量的钾、钠、锌等有害元素，尤其是烧结机头灰，其碱金属含量高达27%、锌含量超过了1%，使其直接循环利用受到限制。
含铁尘泥X射线衍射分析。利用X射线衍射分析仪对各种含铁尘泥分别进行物相组成分析。结果表明，烧结机头灰的主要成分为Fe2O3、Fe3O4、KCl、NaCl、PbCl2和CaCl2。由于烧结原料中碱金属及铅的含量很高，在高温烧结过程中易挥发进入烟气，导致烧结机头灰的碱金属含量很高。烧结机尾灰的成分与烧结矿的成分较为相似，主要有Fe2O3、Fe3O4、CaFe2O4和Ca2SiO4，同时还含有一定量的游离CaO。高炉重力除尘灰、旋风除尘灰和布袋除尘灰的成分相似，主要由Fe2O3、Fe3O4、C、CaFe2O4、ZnFe2O4和ZnO等物质组成。高炉除尘灰主要有高炉中上部还没被还原或还原不充分的固体铁矿石粉末、焦炭粉末等物质，其中铁元素仍多以高价氧化物的形式存在。
OG粗泥的主要成分为Fe3O4、FeO、Fe、C、CaCO3和Ca(OH)2，其全铁品位高，铁元素主要以FeO的形式存在，同时还含有一定量的金属铁。OG细泥主要由Fe3O4、γ-Fe2O3、FeO和Fe等含铁矿物组成，另外还含有一定量的碱性矿物，如CaCO3、MgO等。
粒度分布分析。粒度分布是含铁尘泥的重要特性之一。烧结机头灰和机尾灰来自于烧结电除尘系统，粒度较细，其平均粒径分别为13.667μm和16.009μm，烧结机尾灰的粒度分布区间比烧结机头灰窄，且粒度分布集中;重力除尘灰和旋风除尘灰的粒度较大，粒径分布范围为7μm~150μm，主要集中在20μm~100μm区间，平均粒径分别为44.946μm和42.773μm，且其粒度分布符合正态分布的特征;布袋除尘灰平均粒径较小，仅为10.996μm，布袋除尘灰的粒度分布较为均匀。
OG粗泥的粒度分布区间最大，区间范围为1.29μm~180.07μm，粒度分布呈现1.29μm~38.86μm和38.86μm~180.07μm两个区间范围内的正态分布特征，但其平均粒径不大，仅为14.739μm，说明OG粗泥大部分以细颗粒的状态存在;OG细泥的粒度最小，粒径范围为0.39μm~32.78μm，与OG粗泥一样，OG细泥粒度分布也呈现0.39μm~9.95μm和9.95μm~32.78μm两个范围内的正态分布特征，主要原因可能是转炉污泥的粒度较细，颗粒的比表面积大。氧化铁皮的平均粒径为23.121μm，粒度分布区间为1.53μm~151.86μm。
含铁尘泥综合利用技术
含铁尘泥是钢铁生产流程中品种最多、成分最复杂的一类废弃物。含铁尘泥富含铁、氧化钙、氧化镁、碳等资源，且数量非常庞大，若不加以回收利用，不仅造成资源的极大浪费，而且还将严重污染环境。因此，实现含铁尘泥的高效回收利用便成了当务之急。含铁尘泥处理工艺主要分为物理法处理工艺、湿法处理工艺、火法处理工艺及含铁尘泥高附加值利用工艺等。目前，钢铁工业主要采用火法工艺处理和回收利用含铁尘泥，主要方法有烧结法、球团法、粉尘喷吹法、直接还原法、熔融还原法和造块返回炼钢法。
烧结法和球团法主要将含铁尘泥作为原料直接配入烧结和球团生产工序，这两种方法最为简单，能在一定程度上实现铁资源的回收利用，具有投入少、见效快、无需改变原有工艺等优点，但存在配料、混合困难等问题，会造成有害元素的循环和富集，给高炉带来危害，属于含铁尘泥的粗放型利用，不能彻底解决含铁尘泥高效资源化利用的问题。粉尘喷吹法主要是将含铁粉尘、含碳粉尘按一定比例混合喷吹入高炉或其他熔融炉中，代替部分原料进行循环回收利用，从而达到降低炼铁生产成本的目的。该方法具有一定的效果，但对喷吹物料有相当高的技术要求，且处理量不大，使该工艺的应用受到限制。
将含铁尘泥造块返回炼钢工艺，用作炼钢冷却剂是含铁尘泥资源化利用的又一途径。目前，国内外许多企业已使用这种方法。该法可充分利用粉尘中的氧化铁和氧化钙，代替部分造渣剂和冷却剂，而且对粉尘的强度要求不高，可减少炼钢石灰和钢铁材料的消耗，从而降低炼钢成本。但是，该方法不适合处理低品位、高碳和高碱粉尘。
直接还原法和熔融还原法能处理钢铁企业大部分含铁尘泥，不仅能有效利用尘泥中的铁、碳和氧化钙等物质，同时还可脱除尘泥中的铅、锌、硫等有害杂质，生产出金属化球团和铁水，具有较好的处理效果。转底炉是目前比较受关注的用于处理各钢厂含锌、含铅粉尘的快速直接还原装置。该直接还原工艺通过混合-配料-成型-转底炉直接还原等工序脱除含铁尘泥中的铅、锌等有害元素，并得到直接还原铁，直接还原铁可返回钢铁生产流程使用。转底炉工艺的优势在于处理效率高，且对能源要求不是很高，可以直接利用钢铁厂的副产煤气作为热源，能够很好地回收含铁尘泥中的铁、锌、铅等金属。不过，转底炉也存在一些技术问题和难以克服的缺点，如炉膛高、料层薄、能源利用效率不高等。
Oxycup工艺是德国蒂森克虏伯钢铁集团开发的一种旨在处理钢铁流程尘泥等含铁、碳等副产品的工艺，是目前熔融还原法循环利用含铁尘泥物料并实现工业化的代表工艺之一。该工艺的主体装置是一个富氧热风铁竖炉，可以回收传统炼铁、炼钢各工序产生的所有含铁、碳尘泥和废料，其产品是铁水。铁水经预处理后可用于转炉炼钢，同时，可产生高热值煤气、炉渣、富锌粉尘等副产品。Oxycup工艺的金属收得率高，处理含铁物料的范围广，生产的铁水可直接用于炼钢，不需要烧结机，环保效果相对较好，但Oxycup工艺冶炼过程需要使用焦炭，这将影响运行成本。同时，该工艺也存在设备运行周期短等缺点。
火法工艺对含铁尘泥的处理效率较高、处理规模大，仍然是将来含铁尘泥资源化利用的主要途径。钢铁企业含铁尘泥资源化利用的发展方向是含铁尘泥的集中化处理，应按含铁尘泥的基础特性对其进行综合分类和管理。综合以上分析，转底炉和Oxycup工艺是未来我国含铁尘泥资源化利用的理想工艺。
含铁尘泥造球工艺分析
转底炉和Oxycup工艺处理含铁尘泥都需要将尘泥制成冷固结含碳球团，然后进行高温还原反应，最终生产金属化球团和铁水。
从尘泥的粒度分析可以看出，重力除尘灰的粒径范围为7μm~150μm，平均粒径约为44.95μm，而转炉污泥的平均粒径仅为2μm。研究表明，用非均一性粒度组成的尘泥压制的球团容易达到较大的致密度，从而提高球团的强度。利用非均一性粒度组成的尘泥压球时，尘泥中细小的颗粒可以填充到较大颗粒间的空隙中，使颗粒排列紧密，有利于提高球团的致密度。大小不等的颗粒之间的接触面积大，不仅增大了分子间的作用力，还增大了颗粒之间的机械啮合作用力，从而使球团的强度增大。由于各种含铁尘泥的成球特性不同，单一含铁尘泥造球的效果可能不佳，而将各种含铁尘泥按一定的比例搭配造球，可实现尘泥成球性能的互补，从而提高球团的强度，有利于含铁尘泥的综合利用。
主要结论
综上分析，可以得出以下3点主要结论：
第一，钢铁企业产生的含铁尘泥具有种类多、数量大、成分复杂等特点，含铁尘泥在化学组成、矿物组成、粒度分布和微观组织结构上都有明显的区别，其资源化利用的核心在于充分回收利用含铁尘泥中的铁、碳等元素，同时分离并综合利用不能在钢铁生产中循环的有害元素。因此，需根据含铁尘泥的基础特性对含铁尘泥进行分类和管理。
第二，火法工艺仍是将来含铁尘泥资源化利用的主要工艺。钢铁企业含铁尘泥资源化利用的发展方向是含铁尘泥的集中化处理，同时资源化利用应能够达到一定的规模。综合分析，转底炉和Oxycup工艺是未来我国含铁尘泥资源化利用的理想工艺。
第三，含铁尘泥的成球特性各不相同，单独造球时效果往往不佳，而根据含铁尘泥特性，将各种含铁尘泥按照一定的比例搭配造球，可实现含铁尘泥成球性能的互补，从而提高球团的强度，有利于含铁尘泥的综合利用。
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