含锌铁尘球团的常压微波辅助碳热还原：优异性能源于快速加热和微观结构演化增强

《Powder Technology》：Atmospheric microwave-assisted carbothermal reduction of zinc-bearing iron dust pellets: Superior performance driven by rapid heating and enhanced microstructure evolution

　　

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  AMR 在比传统加热低 100 °C 的条件下实现 90% 的铁回收率和 95% 的锌回收率。
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  选择性微波加热产生微热点，降低活化能。
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  容积式加热避免孔隙密封和脉石熔化，增强气体扩散。
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  工艺 - 结构相关性实现含锌粉尘的低碳回收。

引言

含锌冶金粉尘是炼钢过程中产生的副产品——包括电弧炉、转炉、高炉、烧结和轧钢操作——被归类为关键危险废物。虽然这给工业环境合规带来了重大挑战，但这种粉尘也构成了巨大的二次资源库 [1]。2024 年，中国约 10.05 亿吨的粗钢产量产生了近 7000 万吨含锌粉尘。令人担忧的是，目前中国这种粉尘的回收率仍低于 20%，导致关键资源枯竭和持续的环境危害 [2]。这些粉尘成分复杂，主要由铁氧化物、铁酸锌（ZnFe₂O₄）和 ZnO 组成，还伴有微量重金属、卤素以及 SiO₂ 和 CaO 等脉石矿物。总铁和锌含量分别在 20–70% 和 0.1–40% 的范围内波动 [3]，[4]。至关重要的是，较高的锌浓度阻碍了这些粉尘在高炉中的直接利用，因为锌的积聚严重损坏高炉耐火材料并恶化焦炭性能。因此，开发高效的铁锌选择性分离和回收策略对于实施循环经济和可持续炼钢至关重要。从资源禀赋的角度来看，含锌粉尘代表了重要的二次铁锌资源库 [5]。在全球原生矿石品位下降的背景下，高效回收这些金属价值在战略上至关重要；它不仅减轻了钢铁行业对原生原料的依赖并减少了行业的碳足迹，而且符合循环经济的原则，是绿色钢铁制造的基础。因此，最大化金属回收与最小化环境影响相结合已成为一项首要的科学挑战。具体而言，未经适当预处理直接回收这种粉尘会导致锌和碱金属的有害富集，进而造成严重的设备腐蚀、炉况不稳定以及关键冶金基础设施的使用寿命显著缩短。

含锌粉尘的处理技术通常分为物理分离、湿法冶金和火法冶金。物理分离依赖于矿物成分之间固有的物理性质差异，磁选、浮选和重选是最普遍的技术。磁选利用磁场梯度将金属铁从氧化锌物种中分离出来，而浮选利用化学试剂调节表面润湿性，从而促进含锌矿物的富集 [6]。然而，物理分离的效果本质上受到粉尘复杂矿物学组成的限制。具体而言，ZnFe₂O₄ 相在粉尘基质中常表现为高度分散和紧密共生的微观结构 [7]。含锌相和含铁相之间强大的晶格结合能对实现原子级或晶粒级的解离构成了重大障碍 [8]。因此，这些工艺往往存在产品纯度不佳的问题，并且在锌和铁的回收效率之间存在无法调和的权衡。

湿法冶金处理涉及通过酸或碱浸出选择性溶解目标金属组分，然后通过溶剂萃取或电积回收金属锌。其基本机制依赖于酸碱配位化学和氧化还原电位的精确调节 [9]。虽然硫酸或氨等系统常用于溶解锌物种以进行离子提取，但湿法冶金路线在处理稳定的尖晶石结构时遇到固有的技术瓶颈 [10]。具体而言，强酸浸出经常导致铁的同时溶解，导致浸出液中铁浓度高，严重阻碍后续的锌纯化。此外，大量酸性废水和危险浸出残渣的产生带来了显著的环境合规挑战 [11]。因此，湿法冶金相关的高运营和废物处理成本通常使其与火法冶金替代品相比在经济上不太可行。

目前，碳热焙烧仍是管理含锌粉尘的主要工业策略，主要在高回转窑或旋转炉床窑（RHF）中执行 [12]。尽管在工业上占主导地位，但该过程从根本上受到其对“由外向内”热传导的依赖限制 [13]，[14]。这种加热机制不可避免地产生显著的径向温度梯度，球团核心滞后于表面温度。为了补偿这种热惯性，该过程需要高温（>1300 °C）和超过 2–4 小时的长停留时间，导致能量强度过高 [7]，[15]。此外，长时间的热暴露促进了铁氧化物晶粒的严重粗化和烧结——特别是通过 Fayalite 液相的形成——引发严重的球团聚结和孔隙堵塞 [16]。而且，新生成的金属铁倾向于在表面聚集成片状或团簇结构，形成致密的扩散屏障，明显抑制 CO/CO₂[17]，[18] 的传质。另外，虽然锌的挥发是热驱动的，但过高的温度会无意中触发过早的表面熔化和致密化 [19]。这种结构崩溃不仅阻碍了还原气体向内部的扩散，还封闭了锌蒸气的挥发路径，严重损害了金属回收效率 [8]，[20]。本质上，传统碳热还原存在能量和还原剂需求过高、积碳、铁金属化率不佳以及大量 CO? 排放等问题——这一系列特征与中国国家“双碳”战略目标从根本上相冲突。

近年来，微波辅助碳热还原（AMR）作为一种颠覆性技术出现，具有处理冶金固体废物的巨大潜力 [21]，[22]。通过利用其独特的容积式加热和选择性加热机制，微波照射允许材料内部温度快速升高并形成局部“热点” [23]。由于组成相——如碳、铁氧化物和锌化合物——表现出不同的介电损耗特性，微波能量优先在这些强吸收相中耗散 [24]，[25]。这种选择性加热有效消除了内部温度梯度，并显著降低了碳热还原所需的表观活化能 [26]。此外，研究表明微波场不仅加速反应动力学，而且通过热应力诱导的微裂促进高度互连多孔结构的发展，这大大促进了气体扩散和挥发产物的逸出 [27]，[28]。

尽管具有这些优势，常压微波辅助碳热还原（AMR）与传统加热还原（CHR）之间的系统性对比研究仍然有限，特别是关于加热特性、工艺优化、微观结构演变和强化机制之间根本相互依赖的研究。针对含锌铁渣氧化球团，本研究系统地评估了关键工艺参数——包括微波功率、还原温度、C/O 比和还原时间——在常压和真空微波条件下对加热曲线、铁金属化率和锌去除效率的影响。通过与 CHR 过程进行严格比较，本研究旨在为危险废物含锌冶金废物的节能和可持续资源回收提供坚实的理论框架，最终确立微波冶金工业规模实施的科学范式。

部分摘要

材料

本研究中使用的测试粉尘样品收集自中国宝武钢铁集团韶关钢铁有限公司的五个含锌铁渣来源，包括浇包污泥（CHS）、高炉污泥（BFS）、冷轧污泥（CRS）、电炉污泥（EFS）和转炉污泥（CS）。其化学成分和灼减率（LOI）列于表 1 中。

粉尘样品的粒度分布通过依据中国国家标准进行湿筛分评估

结果与讨论

本节研究了各种工艺参数对含锌粉尘球团在微波辅助碳热还原过程中还原性能的影响。此外，通过将其与传统碳热工艺进行比较，彻底分析了微波过程的还原效率和潜在机制。结果从以下四个方面进行讨论：(i) 微波场下的加热特性；(ii) 温度对金属

结论

研究了 AMR 过程关键参数对含锌铁粉尘球团碳热还原行为的影响，并与传统加热还原（CHR）进行了比较。主要结论如下：

• 1)
  AMR 过程在处理危险废物含锌冶金粉尘方面表现出优于 CHR 的独特优势。球团具有卓越的微波吸收能力，促进超快容积式加热。在 1100 W 的功率水平下，一个

CRediT 作者贡献声明

Deqing Zhu：写作 – 审阅与编辑。Jingze Li：写作 – 原稿。Siwei Li：资源，调研。Jian Pan：写作 – 审阅与编辑。Zhengqi Guo：写作 – 审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

Deqing Zhu|Jingze Li|Siwei Li|Jian Pan|Zhengqi Guo