真空硅热还原一步法高效回收高锌烟尘中锌的机制与工艺研究

本研究针对高锌烟尘(HZD)湿法处理困难及氯离子腐蚀问题，提出真空硅热还原一步蒸馏法，以75#硅铁为还原剂，结合CaO/CaF2添加剂，实现ZnO回收率>99.5%、锌锭纯度>99.5%，还原渣主相为Ca2SiO4。该工艺经济环保，为异极矿等含锌粉尘回收提供新思路。

　　

随着全球锌资源枯竭与城市化进程加速，锌需求持续增长，而原生锌矿品位下降、伴生矿物分离困难等问题日益突出。据预测，现有锌储量或将在几十年内耗尽。与此同时，钢铁工业每年产生数百万吨含锌粉尘（如电弧炉粉尘EAF dust），其中高锌烟尘(HZD)因氯含量高（含碱金属氯化物和PbO等杂质），传统湿法处理面临电极腐蚀、废液处理复杂等挑战。尽管回转窑是处理含锌二次粉尘的主流技术，但直接回收率低且成本高昂。在此背景下，真空冶金技术因其能降低反应温度、提升金属气化速率等优势，成为锌回收的研究热点。

中国的研究团队在《Vacuum》发表论文，创新性地采用真空硅热还原一步蒸馏法处理回转窑高锌烟尘。通过热力学分析指导，以75#硅铁替代传统碳质还原剂，结合CaO和CaF₂添加剂，系统探究了温度、时间、配比对ZnO还原的影响机制。研究发现，在1150°C、2小时、硅铁比1.05、CaO比0.83、CaF₂比4%条件下，锌回收率突破99.5%，所得锌锭纯度超99.5%，还原渣主要物相为硅酸二钙(Ca₂SiO₄)。研究还阐明了CaO作为反应介质、CaF₂作为催化剂的作用机理，证实二者可降低反应活化能并促进渣相分离。

关键技术包括：真空硅热还原系统（控制压力10-30 Pa）、X射线衍射（XRD）分析物相、电感耦合等离子体（ICP）检测金属纯度，以及热重-差示扫描量热（TG-DSC）研究反应动力学。实验原料为钢铁厂提供的回转窑处理HZD，其ZnO含量55%-60%。

研究结果

1. 还原温度与时间的影响：1150°C时ZnO还原率达峰值，延长至2小时可确保反应完全；
2. 添加剂机制：CaO与SiO₂生成Ca₂SiO₄渣相，CaF₂通过破坏ZnO晶体结构加速还原；
3. 氯脱除：真空条件下氯化物与锌蒸气分步结晶，实现杂质高效分离。

结论与意义
该工艺突破传统湿法局限，实现HZD的无害化与资源化：锌回收率较常规方法提升15%以上，且避免硫磷污染。还原渣Ca₂SiO₄可作为建材原料，符合循环经济理念。研究为异极矿（hemimorphite）等其他含锌二次资源回收提供技术范式，其“减污降碳”特性响应了中国《大气污染防治法》和欧盟IED2.0指令对重金属管控的要求。

（注：作者Yuezhong Di、Yaowu Wang等来自国内机构，受国家重点研发计划等项目支持）