一、項目名稱
含鋅粉塵多種有價元素高效分離與提取集成技術研究與應用
二、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)是我國經濟發(fā)展的重要基礎產業(yè)，也是固廢排放大戶，在其冶煉過程中會產生大量粉塵。據統(tǒng)計，鋼鐵企業(yè)各類粉塵產生量一般占鋼鐵產量的8%-12%，而其中含鋅粉塵約占20%-30%。2020年我國鋼鐵行業(yè)含鋅粉塵排放量超過2000萬噸，其中一些粉塵，如電爐粉塵中含有多種重金屬，屬于典型危廢（HW23），必須按規(guī)范妥善處置；另一方面，含鋅粉塵也是寶貴的二次資源，主要含有鐵、鋅、鉛、碳、鉀、鈉、銦、鉍、錫等多種有價元素，其中部分稀有金屬含量甚至已高于某些原生礦工業(yè)品位。因此，對含鋅粉塵多種有價元素進行分離與提取對于含鋅粉塵高值化利用具有重要意義。
目前鋼鐵行業(yè)含鋅粉塵傳統(tǒng)處理方法分為火法、濕法和火-濕聯(lián)合法三種。采用濕法處理鋼鐵廠含鋅粉塵時，一般鋅的浸出率和生產效率較低，浸渣難以作為鋼廠原料循環(huán)使用，也無法滿足環(huán)保法提出的堆放要求。火法工藝對含鋅粉塵的處理生產效率高、處理規(guī)模大，但火法無法實現(xiàn)對非鐵鋅元素的提取?；?濕聯(lián)合法是鋼鐵廠含鋅粉塵資源化利用技術發(fā)展的重要趨勢，首先通過火法得到富含多種元素的次氧化鋅和具有一定品位的海綿鐵，然后通過濕法從次氧化鋅中提取各種有價元素。
回轉窯法是火法處理含鋅粉塵技術較為成熟的方法，對原料適應性較好，投資少、運行成本較低，生產效率較高，已在國內馬鋼、新鋼等多家企業(yè)或鋼鐵外圍企業(yè)廣泛應用，目前常見的流程是使用回轉窯工藝提鋅得到次氧化鋅，同時得到品位不高的海綿鐵渣和非金屬窯渣。海綿鐵渣金屬化率偏低，通常添加到燒結料中循環(huán)使用，非金屬窯渣通常制備免燒磚、礦山填料、陶粒等建筑材料，產品附加值有待進一步提高?；剞D窯還原揮發(fā)所得次氧化鋅成分復雜，主要組分是氧化鋅，其次是鉀、鈉堿金屬，還含有鉛、錫、鉍、鎘、銦等高價值小金屬，由于含量較低，目前國內企業(yè)能回收少數幾種金屬，如何全面梯級分離與提取有價金屬利成為行業(yè)亟待解決的難題。次氧化鋅制備鋅產品的工藝有多種，通常一條工藝只能生產一種鋅產品，比如納米氧化鋅通過氨法（硝酸）浸出、凈化、蒸氨、碳酸鋅煅燒等制備，飼料級硫酸鋅通過硫酸浸出、凈化、蒸發(fā)結晶制備，亟需開發(fā)新工藝完成多種鋅產品的同時制備?？偟膩碇v，對含鋅粉塵的利用多局限于回收其中的鋅、鐵、鉀和鈉元素，而忽視鉛、銦、鉍和錫等其他有價元素的提取，并且回收產品單一，產品附加值不高。
三、解決問題的思路與技術方案
針對鋼鐵廠含鋅粉塵產品附加值不高、未能實現(xiàn)有價元素綜合提取以及工藝流程冗繁等重大難題，安徽工業(yè)大學、鋼鐵研究總院與河北遠大中正生物科技有限公司聯(lián)合項目團隊對含鋅粉塵多種有價元素分離和提取新技術進行基礎和應用研究。首先針對傳統(tǒng)回轉窯易結圈運行周期短、金屬鐵粉品位低和窯渣利用附加值低，基于低溫冶金理論和有機材料無機填料原理，開發(fā)了回轉窯多原料智能清潔配料系統(tǒng)，形成了回轉窯低溫冶煉生產次氧化鋅與高品位金屬鐵粉技術，發(fā)明了回轉窯非金屬窯渣制備橡膠和涂料填料新技術，解決了窯渣替代炭黑加入橡膠后易發(fā)生團聚和界面難相容的難題。
圖1 工藝路線及關鍵技術
針對含鋅粉塵含多種稀散金屬的成分特點，開發(fā)了火法揮發(fā)富集-濕法分離提取的有價元素回收技術，在回收鋅制備出硫酸鋅產品之后，采用控電位還原、選擇性萃取等逐級分離方法，建立了銦、鉍、鎘、鉛等多種產品制備技術，實現(xiàn)了含鋅粉塵中有價金屬的全組分回收，經濟效益顯著。
采用分級提純、單效蒸發(fā)方法，開發(fā)了次氧化鋅制備飼料級硫酸鋅產品和納米氧化鋅制備技術，使產品附加值大幅度提高。形成了含鋅粉塵多種有價元素高效分離與提取技術集成，其技術路線如圖1所示。本項目以含鋅粉塵為原料生產出飼料級硫酸鋅、納米氧化鋅、金屬鐵粉、粗銦、粗鉍、粗錫、粗鎘、氯化鉀、氯化鈉、鉛精礦、橡膠填料以及涂料填料，如圖2所示。
圖2 含鋅粉塵制備的多種高附加值產品
四、主要創(chuàng)新性成果
1、研發(fā)了回轉窯智能配料與低溫冶煉新技術。在國際上率先提出低溫冶金理論，并在此基礎上形成了回轉窯低溫冶煉生產次氧化鋅與金屬鐵粉技術，生產的金屬鐵粉金屬化率超過85%，產品價值從一噸800元提高到2600元。開發(fā)了回轉窯多原料智能清潔配料系統(tǒng)，多種物料配比在線調整與成分整定，實現(xiàn)回轉窯長期穩(wěn)定生產。
2、針對含鋅粉塵含多種稀散金屬的成分特點，開發(fā)了火法揮發(fā)富集-濕法分離提取的有價元素回收技術。在回收鋅制備出硫酸鋅產品之后，采用控電位還原、選擇性萃取等逐級分離方法，建立了多種稀散金屬提取技術，實現(xiàn)了含鋅粉塵中有價金屬的全組分回收，從鉛、鎘、錫三種金屬擴展至鉛、鎘、錫、銦、鉍五種，經濟效益顯著。
3、針對次氧化鋅中鋅物相特點及共存元素特性，采用分級提純、單效蒸發(fā)方法，開發(fā)了次氧化鋅制備飼料級硫酸鋅產品技術，實現(xiàn)了次氧化鋅高附加值利用。在此基礎上，基于氧化鋅產品系列，開發(fā)了效率高、產品粒度分布均勻的球磨法制備納米氧化鋅技術，使產品附加值大幅度提高，由普通氧化鋅價格18000元/噸提升至22000元/噸。
4、發(fā)明了回轉窯非金屬窯渣制備橡膠和涂料填料新技術。系統(tǒng)研究了復合改性-造孔劑對回轉窯窯渣表面性質的作用機理和影響規(guī)律，解決了窯渣加入橡膠和填料后易發(fā)生團聚和界面難相容的難題，提高了窯渣的可磨性、分散性和相容性，形成了非金屬窯渣制備橡膠填料和涂料填料新技術，實現(xiàn)了窯渣高附加值利用新途徑，使窯渣的附加值從50-100元/噸提升至800-1000元/噸。
五、應用情況與效果
通過本項目的研究，共授權發(fā)明專利14項、授權實用新型17項、出版專著3本、發(fā)表學術論文41篇，經中國金屬學會評價委員會評價認為本項目成果達到國際先進水平，并入選中國金屬學會2020年鋼鐵工業(yè)綠色制造關鍵技術成果匯編。本項目自2017年8月開始工業(yè)應用，在河北遠大中正生物科技、河北博泰環(huán)?？萍肌ⅠR鞍山利民冶金固體廢物綜合利用科技、赤峰博大氧化鋅公司應用實施后，含鋅粉塵產品數量顯著增多，產品附加值顯著升高，生產綠色化水平顯著提高，年產各類產品累計24.5萬噸，年減排CO2達到14.22萬噸，節(jié)能6.24萬噸標準煤，無廢水排放，實現(xiàn)了綠色生態(tài)生產。
