1、高爐瓦斯灰的資源化利用制備混凝劑的可行性研究高爐瓦斯灰是高爐煉鐵產生的排泄物。在高爐冶煉過程中，鐵礦原料所含的鋅、鋁、鉛等雜質在高溫條件下被還原并形成蒸汽，與礦石、焦炭、熔劑等粉塵微粒一并隨高爐煤氣排出，后經濕式或干式除塵系統捕著去除，是鋼鐵企業主要固體排放物之一。根據高爐瓦斯灰中含有一定量金屬的特性，對其開展資源回收利用的一系列研究是很有必要的。1 高爐瓦斯灰的組成及特點高爐瓦斯灰的化學組分比較復雜，除了未完全燃燒的炭，還包括鐵以及鉛、鋅、鋁、銅、鉍、銦、鎘等金屬及堿金屬氧化物。在高爐冶煉過程中，瓦斯灰的產生量及其化學組分與所用鐵原料的成分以及高爐作業條件（風量、風壓、爐溫等）有很大關系。2

2、011年，酒鋼本部7座高爐產出瓦斯灰高達24.9萬噸。而且我國鋼鐵產量逐年增長，產生的高爐瓦斯灰總量亦逐年增長，若以鐵產量的1.7%計，全國年產瓦斯灰近200萬噸。高爐瓦斯灰中鐵的含量最高，其次是碳，二者之和約為45%65%。瓦斯灰外形呈灰黑色粉末狀，粒度細小，其中小于200目（74m）的顆粒約占97%100%，平均粒徑僅有2025m，而且鋅、銅等有色金屬主要分布在小于200目的細粒級別中。由于高爐瓦斯灰的粒徑小，密度小，極易飄散于大氣中并形成對人體危害性較大的飄塵；若未經處理直接排放到環境中，不僅會對人體造成嚴重危害，而且其中的鋅、鉛等重金屬在雨水侵蝕下容易進入地下水環境，從而對生態環境系統

3、產生不利影響。考慮到高爐瓦斯灰主要是由礦物微粒、焦炭粉和熔劑粉塵等組成，且富含鐵、碳、鋁以及鋅等有色金屬等，是寶貴的二次資源；如果不能有效利用，不僅對環境造成極大污染，而且造成資源浪費。因此，研究如何高效、合理地利用高爐瓦斯灰，提高其綜合利用價值，是解決鋼鐵行業固體排放物環境污染問題的關鍵，與此同時，會帶來良好的經濟效益和社會效益，實現固體廢物的再資源化。2 高爐瓦斯灰的資源化利用途徑目前針對高爐瓦斯灰的處理，國內外主要采取以下四種方法。2.1外排堆放此種方法易造成環境污染并對人體健康產生危害，目前大型鋼鐵企業已基本淘汰該方法。2.2填埋此種方法又分為直接填埋和處理后填埋兩種方式。直接填埋會遇

4、到與外排堆放相似的問題，即瓦斯灰中的重金屬元素會滲漏至地下水中，破壞水環境。第二種方式是處理后填埋，主要利用的方法為玻璃化或固化等方法。但從長期而言，經此種方法填埋處理的瓦斯灰的穩定性還不確定，并且填埋處理依然沒有實現固體廢物的再資源化。2.3直接利用此種方法是指將瓦斯灰返回到燒結工藝或用于球團配料，國內許多鋼鐵企業采用該方法。但除鐵以外瓦斯灰中還含有鋅、鋁、銅、鉍、銦、鎘等雜質，這些雜質的循環富集不僅影響燒結機的正常生產、高爐的能耗和產率，而且會影響所得燒結礦的質量。因此如果將雜質含量高的瓦斯灰直接返回燒結工藝或配入球團礦，將會降低高爐的利用系數，進而影響煉鐵的各項經濟技術指標。酒鋼7座高爐

5、煉鐵產生的瓦斯灰因除塵方式不同而分為4種：瓦斯泥、重力灰、布袋灰和環境灰。其中重力灰和環境灰中鋅含量相對較低，全部配入燒結利用；但是布袋灰和瓦斯泥因鋅含量相對較高，僅有少量配入燒結，其余大部分則通過磨礦弱磁強磁的工藝進行提取分離。2.4綜合回收，提取有價元素從以上幾種方法的諸多弊端可以看出，綜合回收，提取有價元素將是高爐瓦斯灰資源化利用的一項重要途徑；而且該項途徑符合國家提倡節能減排、循環經濟的產業政策，對于促進經濟效益增長方式轉變具有重要意義。國內外學者主要利用以下兩種方法對瓦斯灰中的有價元素進行綜合回收。（1）物理法：主要包括水力旋流分離法和磁選分離法。水力旋流分離法是根據所要分離對象的粒

6、度分布進行分選的方法。石磊以及林宗虎等人均采用了水力旋流器對瓦斯灰進行了分選試驗，得到了良好的提取效果。此種方法對于水力旋流器的選擇以及操作條件有較高的要求。磁選分離法是根據所要分離對象磁性的不同進行分選的方法。漣鋼技術中心鋼鐵研究站自2010年4月開始，對高爐瓦斯灰先后采取以下三種處理試驗：直接配入燒結工序、選礦法綜合回收以及直接制球加入煉鋼轉爐。通過優化分析，最終確定利用浮碳磨礦弱磁強磁的方法回收瓦斯灰中的有價元素。該工藝技術成熟、投資小、污染少。（2）化學法：又分為濕法和火法。濕法是指利用不同的浸取液（酸液或堿液）將有價元素從混合物中分離出來的方法。此種方法若采用酸作為浸取液，容易造成設

7、備腐蝕；若采用堿作為浸取液，成本較高。火法是指在高溫條件下利用焦炭將輕質堿金屬氧化物還原為具有高揮發性的單價元素，冷凝即可得到富集礦。回轉窯還原煙化富集技術屬于火法的一種，利用其處理高爐瓦斯灰十分有效，可以使得金屬鋅、銦、錫、鉍、鎘等有用物質得以分離出來，金屬富集比高，揮發率高，節能效果顯著。但是回轉窯的基建以及運行維護費用較高。利用轉底爐來消化瓦斯灰并回收有價元素也是火法的一種，而且轉底爐為封閉性系統，過程基本零排放；但在具體操作過程中仍存在技術上的缺陷。綜上所述，可以發現提取鐵、鋅、碳等有價元素是今后研究如何處理并利用高爐瓦斯灰的重要發展方向。考慮到瓦斯灰中鐵含量最高，因此如何提取鐵并使之

8、得到高效合理的利用就是今后研究的重中之重。本研究考慮以高爐瓦斯灰為主要原料從中提取鐵和鋁，以研制無機高分子混凝劑聚合氯化鋁鐵（PAFC），并利用其優良的混凝性能處理城市污水。3 無機高分子混凝劑的制備高爐瓦斯灰中鐵、鋁含量的不同，經過粉磨過篩后，可以利用酸溶液作為浸取液提取高爐瓦斯灰中的鐵、鋁，從而得到鐵鹽、鋁鹽的混合溶液；進一步通過調節水的pH值，使得鐵、鋁分別發生水解聚合反應；最終制得無機高分子混凝劑聚合氯化鋁鐵。本研究制定如下試驗方案：（1）因為影響高爐瓦斯灰中鐵、鋁溶出的因素很多，所以采用正交試驗法確定最佳溶出條件；主要影響因素包括：瓦斯灰中鐵、鋁含量，所使用酸溶液的種類，酸溶液用量，

9、反應時間，反應溫度、攪拌時間以及攪拌速度等。（2）分別確定鐵、鋁的最佳溶出條件后，再次采用正交試驗法確定最佳聚合條件。即根據鐵、鋁的不同水解特性分別控制各自發生水解聚合反應的條件；主要影響因素包括：水解聚合時間、水解聚合溫度、pH值、攪拌時間以及攪拌速度等。高爐瓦斯灰粉磨過篩加酸溶出鐵鹽鋁鹽溶液加堿調節pH水解聚合PAFC無機高分子混凝劑聚合氯化鋁鐵制備示意圖4 所得混凝劑在城市污水處理廠中的應用根據上述試驗方案制得的無機高分子混凝劑聚合氯化鋁鐵對廢水具備一定的混凝效果，為了確定其混凝效果，首先配制不同種類的模擬廢水（比如印染廢水、紡織廢水、化工廢水等）；然后通過燒杯試驗確定聚合氯化鋁鐵對不同種類的模擬廢水的處理效果。為研究所得聚合氯化鋁鐵的混凝性能，通過正交試驗法確定其對不同模擬廢水的最佳處理條件；主要影響因素包括：模擬廢水種類、模擬廢水濃度、混凝劑投加量、pH值、反應時間、反應溫度、攪拌速度以及攪拌時間等。為進一步拓展所得聚合氯化鋁鐵的實際應用價值，可以利用其處理實際廢水，例如應用在城市污水處理廠的一級處理工藝中。以某城市污水處理廠一沉池進水為試驗水樣，投加不同量的聚合氯化鋁鐵，通過燒杯試驗研究混凝劑對水樣COD、濁度、TP、TN、NH3-N等的去除效果，并確定混