高温强化焙烧-磁选协同回收高炉瓦斯灰中铁铅锌：机理、工艺优化与资源化利用

《Separations》：Recovery of Fe, Pb and Zn from Blast Furnace Gas Ash by Intensive Calcination and Magnetic Separation Techniques

本文提出了一种强化气化还原焙烧-弱磁选联合工艺，用于处理成分复杂的高炉瓦斯灰（BF gas dust）。研究通过优化焙烧温度（1150 °C）、时间（2 h）及还原剂（20%无烟煤）等关键参数，成功实现了铁、铅、锌的高效分离与富集。结果表明，该工艺不仅可获得铁品位达65.61%的优质铁精矿，铅锌挥发率也分别高达96.70%和98.26%，为钢铁固废的资源化利用提供了高效、环保的技术路径。

　　

1. 引言

作为全球最大的钢铁生产国，中国每年产生约10亿吨粗钢，随之而来的是占钢产量8%至12%的钢铁工业粉尘与污泥。高炉瓦斯灰是炼铁过程中产生的固体废弃物，含有铁、碳、锌、铅等多种有价元素，同时也含有化学毒性的有害元素。直接堆存不仅占用土地、污染环境，其细小的粒径还会对生态和人体健康构成威胁。然而，瓦斯灰中矿物组成复杂，铁矿物与脉石紧密共生，且锌常以锌铁尖晶石（ZnFe₂O₄）形式存在，铅则以铅矾（Pb₅(VO₄)₃Cl）和碱式氯化铅（Pb(OH)Cl）为主，这使得传统的物理选矿方法难以实现高效分离。因此，开发一种集选矿与冶金于一体的联合工艺，实现高炉瓦斯灰的综合利用，对于钢铁行业的绿色可持续发展至关重要。

2. 材料与方法

2.1. 材料

本研究采用的高炉瓦斯灰样品取自国内某钢铁公司。化学多元素分析结果表明，其主要有价元素为铁、铅、锌和碳，含量分别为22.46%、3.22%、10.57%和27.02%。X射线衍射（XRD）分析显示，主要矿物为赤铁矿、磁铁矿和石英，并伴有碱式氯化铅的谱线。扫描电镜（SEM）分析进一步揭示，铅主要以独立矿物形式存在，而锌则与氧、硫、铁共存，以锌铁尖晶石晶体的形式赋存。研究选用山西产无烟煤作为还原剂，其固定碳含量高达79.88%，灰分和挥发分含量较低，硫磷含量也相对较低，适合作为焙烧还原剂。

2.2. 方法

实验采用强化气化还原焙烧-弱磁选联合工艺。具体流程为：将瓦斯灰与一定比例的还原剂混合后，置于石墨坩埚中，在自制高温箱式电阻炉中进行焙烧。焙烧过程中保持坩埚敞开，以利于铅锌挥发并维持还原气氛。焙烧结束后，对焙烧矿进行水淬冷却，随后进行磨矿和弱磁选，最终获得铁精矿。

3. 结果与讨论

3.1. 气化还原焙烧

3.1.1. 焙烧温度

焙烧温度是化学反应的关键条件。实验结果表明，随着温度的升高，铁精矿中铁品位逐渐提高，铅锌的挥发率也逐步增加。当温度达到1150 °C时，铁精矿铁品位为65.52%，铅锌挥发物中铅锌品位分别为18.68%和66.12%。过高的温度虽然能促进反应，但也会增加能耗，因此选择1150 °C为最佳焙烧温度。

3.1.2. 焙烧时间

充足的焙烧时间是化学反应充分进行的保障。实验发现，随着焙烧时间的延长，铁精矿铁品位和铅锌挥发率均呈现先升高后趋于稳定的趋势。当焙烧时间达到2小时时，各项指标均达到较优水平，继续延长焙烧时间对指标提升不明显，因此确定最佳焙烧时间为2小时。

3.1.3. 还原剂用量

还原剂是氧化物还原反应的必要条件。实验结果显示，在不添加还原剂的情况下，仅靠瓦斯灰中的碳难以满足还原反应需求，铅锌挥发率和铁回收率均较低。随着还原剂用量的增加，铁品位和铅锌挥发率均显著提高。考虑到回收指标和成本，确定最佳还原剂用量为20%。

3.1.4. 料层厚度

料层厚度影响物料的透气性，进而影响铅锌的挥发和铁的还原。实验表明，料层过薄时，透气性好，铅锌挥发充分，但还原气氛不足，铁还原效果差；料层过厚时，铅锌挥发受阻，但铁还原效果较好。综合考虑，选择50 mm的料层厚度，可在保证铅锌高挥发率的同时，获得铁品位高于65%的铁精矿。

3.1.5. 焙烧矿冷却方式

焙烧矿的冷却方式对焙砂的相变有重要影响。实验对比了随炉冷却和水淬冷却两种方式。结果表明，水淬冷却虽然铅锌挥发率略低于随炉冷却，但其获得的铁精矿铁品位和回收率均显著高于随炉冷却。这是因为水淬能快速隔绝空气，防止磁铁矿再氧化，从而保证了铁的高效回收。因此，确定水淬为更优的冷却方式。

3.2. 焙烧矿磨矿磁选试验

磨矿细度是影响矿物解离度的关键因素。实验研究了不同磨矿细度对弱磁选指标的影响。结果表明，当磨矿细度D₉₀= 0.12 mm时，矿物解离不充分，铁精矿品位仅为56.33%。随着磨矿细度的增加，铁精矿品位逐渐提高，但回收率有所下降。当磨矿细度达到D₉₀= 0.085 mm时，可获得铁品位为65.61%的铁精矿，继续细磨对品位提升不明显。因此，确定最佳磨矿细度为D₉₀= 0.085 mm。

3.3. 焙烧反应机理研究

为探究焙烧反应机理，对焙烧前后的样品进行了铁物相分析。结果表明，焙烧后，赤铁矿（或褐铁矿）中的铁分布率从50.45%降至3.08%，碳酸铁中的铁分布率从12.47%降至7.29%，而磁铁矿中的铁分布率则从32.84%大幅提升至76.11%。这说明大部分铁氧化物被还原成了磁铁矿。同时，瓦斯灰中的铅和锌被还原并挥发。主要的化学反应包括：碳的燃烧生成一氧化碳，一氧化碳还原赤铁矿生成磁铁矿，以及一氧化碳还原氧化锌和氧化铅生成金属锌和铅并挥发。对于锌铁尖晶石，其反应为：3ZnFe₂O₄+ 4CO = 3Zn + 2Fe₃O₄+ 4CO₂。

4. 结论

本研究成功开发了一种强化气化还原焙烧-弱磁选联合工艺，用于处理成分复杂的高炉瓦斯灰。在最佳工艺条件下，即焙烧温度1150 °C、还原剂用量20%、焙烧时间2小时、料层厚度50 mm、水淬冷却，并控制磨矿细度D₉₀= 0.085 mm，可获得铁品位为65.61%的优质铁精矿，同时铅锌的挥发率分别达到96.70%和98.26%。该工艺不仅实现了铁、铅、锌的高效分离与回收，选铁尾渣还可作为水泥等建材的添加剂，实现了高炉瓦斯灰的全量化、资源化利用，为钢铁固废的绿色处理提供了可靠的技术方案。