周廣宇

（河南大學河南省工業煙塵治理與資源化工程技術研究中心）

摘要：本研究以推動冶金行業綠色低碳循環發展為核心目標，聚焦鋼廠及合金、硅業、電解鋁等行業冶煉煙塵產量大、處置難度高的行業痛點，針對傳統處理方法存在資源化利用率低、易產生二次污染、實際應用弊端突出等問題，創新研發的冶金行業冶煉煙塵短流程資源化處理集成技術。該技術突破了鋼廠傳統“塵泥→造粒→回配燒結→煉鐵→煉鋼”的長流程處理瓶頸，構建了“冶煉煙塵→成型固化→冶煉輔料”的短流程轉化路徑，直接將冶煉煙塵轉化為冶煉輔料，有效破解了傳統處理工藝能耗偏高、污染嚴重、生產運行不穩定及安全隱患突出等系列難題，為冶金行業冶煉煙塵資源化處置提供了全新解決方案。

關鍵詞：冶金行業；含鐵固廢；冶煉煙塵；短流程；固化材料；綠色低碳

1 概述

據統計，我國粗鋼及合金、鋁業、硅業、石化、碳素等行業，每年總產量10 億噸以上，在生產過程中，從料場、燒結、球團、煉鐵、煉鋼、軋鋼、除塵等工序，將產生大量的冶煉煙塵和環境粉料等煙塵固廢物，其產生量占成品產量的10%以上，年產生量達億噸以上。此類冶煉煙塵若處理不當，不僅會造成鐵資源浪費、加劇環境二次污染，還會形成惡性循環，嚴重制約我國大氣污染防治及 “雙碳”目標的推進。

隨著大氣污染治理不斷加強，排污許可、固廢就地處置、超低排放等政策逐步落地，環保督察“回頭看”工作常態化開展，冶金行業面臨三重核心發展壓力：一是規模壓力，每年超1 億噸冶煉煙塵需專業化處置，疊加歷史堆存量，對處理能力提出剛性需求；二是技術瓶頸，傳統處理模式存在明顯短板，無法實現冶煉煙塵高價值資源化利用，且易產生二次固廢、存在重復耗能等問題；三是政策倒逼壓力，環保督察已將固廢處置列為重點核查內容，對違規堆存、處置不力的處罰力度持續加大。在此背景下，探索冶金固廢資源化低碳處置路徑，實現冶煉煙塵“高值化、全量化、資源化”利用，成為冶金行業破解發展瓶頸、推動綠色低碳發展的核心任務。

1.1 傳統處理方法現狀

目前，冶金行業冶煉煙塵主流處理方法有燒結法、球團法、轉底爐法、回轉窯法、直接還原法及冷熱壓法，各方法核心特點及短板如下：

燒結法：將塵泥配入燒結料回收鐵資源，缺點是配料混合難度大，有害元素循環富集危害高爐，且易產生二次污染。

球團法：原理與燒結法相近，側重將塵泥制成顆粒，同樣存在配料困難、有害元素富集問題，未突破傳統短板。

轉底爐法：塵泥與焦粉、粘結劑混合造球后入爐還原，回收鐵及鋅元素，優勢是處理效率高、脫鋅好、能耗適中，短板是產品強度低、投資大。

直接或熔融還原法：通過特定工藝還原鐵氧化物并脫除雜質，可高效回收鐵資源，但投資高，可能產生額外污染物。

冷熱壓法：塵泥消解成型后返回煉鋼，優勢是投資小、工藝簡、效率高、降成本，短板是部分企業因設備、配比等問題，存在成型率低、球團易粉化等問題。

綜上，傳統方法均有短板，無法兼顧高效、經濟與環保，研發短流程、低能耗、降碳的綠色處理技術，是冶金行業的迫切需求。

1.2 研究目標及總體方案

本研究針對冶金行業冶煉煙塵等固廢來源工序多、產量大、成分復雜、含鈣量高、粒度小、成型困難等共性關鍵問題，基于吸附凝固與結晶學基本原理，采用“理論研究—實驗室研發—中試試驗—產業化驗證”的遞進式研發路徑。研究以成型率、固化時間、抗壓強度及成本為關鍵評價指標，運用正交試驗法，明確了冶煉煙塵固化材料的制備工藝與核心技術參數，同時確定了冶煉煙塵短流程固化處理的完整應用方案。

2 研究條件

本研究以推動工業綠色低碳循環發展為核心目標，針對傳統處理工藝痛點，開展以下關鍵技術研發工作：一是構建短流程處理工藝體系，為企業提供工業煙塵固廢資源化處理技術方案；二是研究煙塵固化新材料，解決冶煉工業煙塵成型難題及資源化率低等問題；三是研究智能控制的產業化處理裝備集成技術，保障技術工業化應用的穩定性與高效性。

2.1 檢測儀器

表1.化學合成、分析、檢測儀器

2.2 智能裝備集成

為保障短流程工藝的產業化應用，研發了智能化處理裝備系統，構建了定制化的“立體化—精準配料—高效混合—快速成型—即時固化”短流程智能產業化處理系統。冶煉煙塵處理系統配置見表2.

表2.冶煉煙塵處理產20 噸/h 生產線

2.3 原料成分與性質

本研究試驗所用原料由安鋼等企業提供，包括轉爐灰、電爐灰、混鐵爐灰、軋冶金泥等；GY 型免烘干粘結固化劑有河南省遠征冶金科技有限公司提供；其原料化學分析見表3.

表3.固廢原料化學成分析表

2.4 固化成型成品技術要求

根據煉鋼應用要求，將含鐵固廢成型產品用作冶煉輔料或造渣劑,要求成品球團TFe>55%，抗壓強度>800N/球,并有減少硫、磷揮發的成分。因此，在冶煉煙塵的基礎上，搭配混鐵爐灰、軋冶金泥及鋁灰渣等固廢原料，通過科學配入，從而保證成型固化成品高鐵及固硫固磷等性能。具體技術指標見表4.

表4.含鐵固廢固化成品技術要求

化學成分：TFe，≥50%（可調整）；有害元素，S≤0 .2%，P≤0 .1%；堿性氧化物：≦40 (CaO+MgO)/(SiO?+Al?O ?)=1 .0-2.0；

成型粒度：30x30x15mm、50x30x25mm≥85%；

落下強度：2m 落下≥90%；抗壓強度，≥800N/球；耐高溫性：800℃條件下不粉化；冶金性能：滿足熔渣快，去雜質、改善流動性、脫磷率高等冶煉要求。

3 研究內容

本研究針對來冶煉煙塵源工序多、產量大、成份復雜、含鈣高、粒度小，成型難等共性關鍵問題，完成了冶金行業煙塵固廢化學、特征的分析；基于吸附凝固與結晶學基本原理，完成了冶煉煙塵對粘結、固化材料的適應性及潤濕、粘結、凝聚及成型固化等性能的研究，確定了煙塵成型固化材料制備工藝及技術參數的優化，以及短流程處理及應用方案，為實現產業化奠定了基礎。

3.1 固化材料的制備

本研究材料，由木薯粉、納米改性樹脂、聚合物、固化劑、交聯劑等材料合成的，通過木薯粉多糖聚合物分子鏈中的羥基部分氧化為醛和酮，在其他組份原料的水解活化、糊化、交聯等反應工藝，獲得具有吸附、粘結、凝聚、固結、耐高溫等性能的冶煉煙塵成型固化材料，解決傳統方法成型難、成品易粉化、不耐高溫等問題。固化材料合成路線見圖1.

圖1 煙塵固化材料合成路線

該材料兼具吸附、粘結、凝聚、固結及耐高溫等性能，適用于各類工業煙塵的固化處理。在應用過程中，通過混合均化工藝使冶煉煙塵與固化材料充分結合，形成穩定的三維網狀結構，再經高壓成型機制備成符合冶煉要求的團塊顆粒。該技術實現了工業煙塵的高效固化與資源化利用，為煙塵治理與循環利用提供了可靠的技術路徑。固化成品技術指標見表5.

表5.煙塵固化材料技術指標表

3.2 冶煉煙塵成型固化

為保障短流程工藝的產業化應用，研發智能化處理裝備系統，依托煙塵固化新材料，構建了定制化的“立體化生產—精準配料—高效混合—快速成型—即時固化”短流程智能處理系統。

3.2.1 短流程成型固化工藝

本研究通過煙塵固化新材料及智能化成型固化集成技術，突破了傳統“冶煉固廢-堆放-燒結或造粒燒結-煉鐵-煉鋼”工藝，簡化為免消解、免配焦、免燒結、免煉鐵、免烘干、快速固化的“冶煉含鐵固廢-成型-煉鋼”工藝。破解了傳統處理方法污染重、不易成型、利用率低及產業化應用難題。是鋼廠實現雙碳目標，促進綠色發展的重要途徑。

制備工藝：原料輸入配料倉→定量配料→混合料→輸入攪拌機→強力攪拌→高壓成型→球團自然干燥-產品應用。本工藝特點是，取消了干法冶煉煙塵消解及球團烘干環節），短流程工藝流程見圖2）.

圖2  冶煉煙塵短流程工藝流程

3.2.2 成型原料配比方案

表6. 原料成型配比表

在配比設計過程中，遵循以下核心原則：通過多元原料的協同搭配，精準調控全TFe 含量≥50%；合理調節CaO 與SiO?的比例，確保堿度處于適宜范圍；通過摻入低硫、低磷原料，有效控制有害元素含量；同時，保證固化劑與水分的適宜的添加量，以優化混合料的成型性能與最終產品的結構穩定性。

3.2.3 操作系統及操作步驟

1）固廢原料準備：首先將大顆粒原料粉碎至3mm 以下，將成型原料和固化材料分別輸入定量配料倉內；通過控制系統將成型原料定量后送入輸送系統。

2）混合均化系統：通過輸送系統把混合料送入均化系統，進行混捏+螺旋攪拌+輸送，確?；旌狭现懈鞣N成分的均勻性。

3）高壓成型系統：通過輸送系統，將均化好的混合料進行高壓。集成伺服液壓控制系統的成型機，可根據需要調節壓力參數，成型確保了高效與穩定。

5）成型產品自然固化：將成型后的成品，輸送至成品倉或成品料場，自然放置10-38h，即可形成強度達標、性能穩定的煉鋼輔料產品。

3.2.4. 冶煉煙塵固化成品物理性能

表7.原料成型成品檢測結果表

（注：TFe 含量為分析結果；落下強度為從壓機出來成品，在2 米下落后的整體情況；抗壓強度為成品干燥后的抗壓強度；耐高溫性系成品在高溫時間條件的抗壓強度。）

4 試驗數據分析

基于工業煙塵煤粉粒度細、成分復雜，成型難的等特征及具有含高TFe及 CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃ 等成分分析，將工業煙塵固化資源化，不但要考慮成型性能，還要考慮化學成分、冷強度、耐高溫性能等技術指標，為此，針對煙塵固化新材料適應性、成型性能、固化性能等內容，進行了如下驗證。

4.1 固化材料添加量對物料成型性能的影響

冶金行業含鐵固廢粉料因化學成分復雜、粒度細，存在成型困難的問題。通過不同配比的實驗表明，混合料中添加2%的GY 固化劑時，物料成型率較低，當固化劑添加量達到5%時，成型率達98%以上，隨著固化劑添加量的增加而提高。相關數據見圖3.

圖3 固化材料添加量對物料成型的影響

4.2 水添加量對物料成型性能的影響

混合料的成型率主要取決于水與固化劑的添加量及其在物料中分布的均勻性。當水或固化劑添加不足時，將直接影響混合料的成型效果以及成品的強度性能。實驗表明，當水添加量≤6%時，其成型率≤80%，當水添加量12%時，其成型率≥95%。數據見圖4.

圖4 水添加量對物料成型的影響

4.3 均化時間對物料成型性能的影響

在混合料均化過程中，適宜的固化劑與水及均化時間是物料成型的保障。若水份低、均化時間短，粘結力不能完全發揮，進而影響整體成型率。實驗證明，混合料均化時間在8min為易，時間過短混合料均化不勻，過長混合料水分降低，影響成型性能。相關數據見圖5.

圖5 均化時間對物料成型性能的影響

4.4 干燥溫度、時間對成品強度的影響

該固化材料屬于免烘干型。不需要加熱烘干，但也受溫度的影響，實驗結果表明，成品強度隨著溫度提升而提高，實驗室150℃干燥2-3h 達到最高峰值，自然干燥需溫度在30℃以上時，20h 達到峰值，自然干燥在40℃下10 小時達到峰值。

圖6 自然干燥時間對成品的影響

5 結論

5.1 冶煉煙塵固化新材料創新

基于吸附凝固與結晶學原理，研發的多組分復合固化粘結材料，實現了冶煉煙塵免消解直接成型的技術突破。材料成型率≥95%，以上，冷壓抗壓強度≥1200N/個，常溫快速固化，成品高溫無粉化、成分穩定性強，完全滿足煉鋼輔料應用要求，徹底解決了傳統材料適應性差、強度不足、易粉化的行業痛點。

5.2 智能短流程處理系統創新

構建的智能配料、 高效成型系統，實現了冶煉煙塵資源化成型處理全程可控。系統革命性省去燒結、煉鐵、配焦等高耗能工序，相較傳統工藝提高固廢處理量30-50%、節電≥80kWh/t，減少粉塵排放削減90%以上，CO?、SO?排放分別降低80%，實現環保與能效雙提升。

5.3 高值化應用場景創新

將冶煉煙塵直接轉化為煉鋼原料或輔料，具備透氣性佳、熔點低、造渣效率高的特性。減少配焦炭100%，鐵回收率50%以上；噸鋼節水≥3 噸、可替代30%-40%石灰、20%-25%螢石，脫硫脫磷效率提升15%-20%，同時提升鋼水純凈度，減少爐渣產生量，形成“固廢資源化-提高鋼產量-減排降碳”的閉環優勢，拓展了冶金固廢高值化利用新路徑。