張建平

(中國(guó)光大綠色環(huán)保有限公司，江蘇蘇州215000)

冶金工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。 我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和裝備，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，中國(guó)冶金行業(yè)整體技術(shù)已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平， 不論是鋼鐵還是有色金屬，產(chǎn)量均連續(xù)多年位居世界第一。 然而，隨著我國(guó)冶金工業(yè)的飛速發(fā)展， 大量的冶金固體廢物也隨之產(chǎn)生。目前，我國(guó)冶金行業(yè)年產(chǎn)固體廢物超過(guò)千萬(wàn)噸，而加上歷年的堆存量則達(dá)數(shù)億噸。冶金行業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)固廢產(chǎn)生量最大的行業(yè)之一[1]。數(shù)目如此龐大的冶金固廢如果不及時(shí)處理會(huì)占用大量的土地資源，而且由于其中含有砷、鉻、鉛、鎘等重金屬有毒元素，還會(huì)對(duì)土壤和水體造成極大的污染和潛在的威脅[2]。 另一方面，隨著人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源不斷地開(kāi)采和利用，高品位的天然礦產(chǎn)資源越來(lái)越少，而很多冶金固廢中的有價(jià)金屬含量達(dá)到甚至超過(guò)了天然礦中的金屬含量。因此，冶金固體廢物的無(wú)害化處置和資源化利用是解決冶金行業(yè)環(huán)境污染和資源短缺的關(guān)鍵，也是工業(yè)綠色化的必然趨勢(shì)。

1 冶金固廢的來(lái)源及種類(lèi)

冶金固廢的來(lái)源和種類(lèi)眾多， 這些固廢有的可以在冶煉過(guò)程中返回系統(tǒng)進(jìn)行處理， 有的則需要外排， 另外進(jìn)行處理。 冶金固廢大體上可分為冶金廢渣、冶金塵泥和廢水處理污泥三類(lèi)。

1）冶金廢渣是礦石提煉金屬后產(chǎn)生的廢渣，根據(jù)冶煉方式的不同，可分為火法冶煉渣和濕法浸出渣?；鸱ㄒ睙捲腔鸱ㄒ睙掃^(guò)程中產(chǎn)生的爐渣， 其成分主要為爐料中的脈石、灰分、雜質(zhì)以及冶煉過(guò)程中加入的熔劑和造渣劑等。常見(jiàn)的火法冶煉渣有高爐渣、鋼渣、銅冶煉渣、煉鉛爐渣、鎳渣、鎂渣等。 濕法浸出渣是濕法提取金屬后產(chǎn)出的廢渣，主要成分為脈石和未浸出的目標(biāo)金屬礦以及礦石和浸出劑反應(yīng)后得到的不溶成分。 常見(jiàn)的濕法浸出渣有赤泥、 鋅浸出渣、鎢堿渣、氰化尾渣等。在金屬冶煉過(guò)程中，冶金廢渣是產(chǎn)生量最大的固體廢物，如粗鋼生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生約15%的鋼渣， 每生產(chǎn)1 t 銅約產(chǎn)生2.2~3 t 銅冶煉爐渣，每生產(chǎn)1 t 氧化鋁約產(chǎn)生0.8~1.5 t 赤泥[3-5]。

2）冶金塵泥是金屬冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的各種煙塵、灰分和沉泥，其來(lái)源和種類(lèi)很多，如高爐塵泥、煉鋼塵泥、銅冶煉煙塵、酸泥、銅陽(yáng)極泥、鉛冶煉煙塵、鉛陽(yáng)極泥等。 一種金屬冶煉過(guò)程中一般會(huì)產(chǎn)生多種性質(zhì)各異的塵泥，其成分較復(fù)雜，含有各種有價(jià)金屬和有害元素。 如銅的冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的冶金塵泥有熔煉煙塵、吹煉煙塵、精煉煙塵、酸泥（鉛濾餅、砷濾餅）、銅陽(yáng)極泥等。煙塵中通常含有5%~30%的銅，而陽(yáng)極泥中一般含有較多的銅、 金、 銀和鉑等有價(jià)金屬；同時(shí)，煙塵和酸泥中含有較高的鉛、砷等重金屬有害物質(zhì)，均屬于危險(xiǎn)廢物[6-7]。

3）冶金過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量含重金屬等有害物質(zhì)的廢水，廢水處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的污泥。廢水處理污泥的成分取決于廢水水質(zhì)及水處理工藝。 在我國(guó)，冶煉廢水多采用生物制劑、石灰中和、鐵鹽沉淀等方法處理。廢水處理污泥主要由硫酸鹽、碳酸鹽及金屬氫氧化物組成，一般屬于危險(xiǎn)廢物[1]。

2 冶金固廢資源化利用現(xiàn)狀

2.1 冶金廢渣

在20 世紀(jì)90 年代之前，我國(guó)冶金廢渣大多是直接丟棄或掩埋，容易造成環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。20 世紀(jì)90 年代以后，開(kāi)始對(duì)冶金渣進(jìn)行初步的開(kāi)發(fā)利用，如鋪設(shè)道路等。 21 世紀(jì)以后，我國(guó)對(duì)冶金廢渣的處理逐步進(jìn)入了整體回收、綜合利用的階段，冶金廢渣資源化技術(shù)不斷進(jìn)步，利用水平也不斷提高[8]。

不同的金屬和不同的冶煉工藝產(chǎn)生的冶金廢渣的資源化處理方式和利用程度都不一樣，但由于冶金廢渣中一般都含有一定量的有價(jià)金屬，故冶金廢渣的資源化利用基本都是圍繞回收其中的目標(biāo)有價(jià)金屬進(jìn)行，具體方法主要包括渣選礦、火法提取和濕法提取等。 對(duì)于有價(jià)金屬含量較低或回收成本較高的廢渣，則用于生產(chǎn)水泥、建材等。如在鋼渣的利用方面，由于鋼渣中含有10%左右的鐵以及鈣、鐵、鎂、猛等氧化物， 目前鋼渣的資源化利用方式有鋼渣磁選除鐵、鋼渣返燒結(jié)等，同時(shí)也可用于生產(chǎn)鋼渣水泥[9-10]。銅冶煉渣的資源化處理方法主要有選礦分離、濕法提取、火法貧化、高溫氧化、高溫還原等，但因存在回收率低或能耗高等問(wèn)題，還有待近一步研究完善[11-12]。赤泥的資源化途徑主要有：1）提取鐵、鋁、鈦等有價(jià)金屬；2）用于廢水處理和土壤修復(fù)；3）用于生產(chǎn)建材；4）赤泥土壤化。 但這些方式都存在成本高或者處理量少的問(wèn)題，故大部分赤泥還是以堆存處置為主[13-14]。

2.2 冶金塵泥

與冶金廢渣相比，冶金塵泥的產(chǎn)生量相對(duì)較少，但其中有價(jià)金屬和有害元素含量都相對(duì)較高， 故冶金塵泥一般不用作水泥、建材原材料，而是進(jìn)行資源化處理回收其中的有價(jià)金屬。 大部分的冶煉廠會(huì)將產(chǎn)生量較少的前端煙塵、灰分等返回熔煉或濕法冶煉系統(tǒng)進(jìn)行處理。產(chǎn)生量較大的冶金塵泥，全部返回系統(tǒng)會(huì)降低冶煉系統(tǒng)處理能力，導(dǎo)致有害成分的累積，最終影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量，故一般需要單獨(dú)處理。如在鋼鐵冶金中，主要的冶金塵泥是高爐塵泥和煉鋼塵泥，高爐塵泥一般用弱磁選鐵技術(shù)回收其中的鐵、用浮選技術(shù)回收其中的碳；煉鋼塵泥一般與燒結(jié)返礦搭配后作為燒結(jié)材料使用， 或是進(jìn)行金屬化球團(tuán)后返回回轉(zhuǎn)窯焙燒[9，15]。

2.3 水處理污泥

冶金廢水處理污泥中含有大量的銅、鉻、砷等重金屬離子， 其主要成分為中和后的鈣鹽和重金屬氫氧化物，且含水量較高，一般難以返回冶煉流程進(jìn)行處理， 故目前冶金企業(yè)大都是將水處理污泥堆存或出售給有資質(zhì)的企業(yè)回收有價(jià)資源[1]。水處理污泥處理方法主要有固化處理、火法處理和濕法處理3 種。其中，固化處理包括水泥固化、石灰固化和熔融玻璃體固化等， 是早期應(yīng)用最廣泛的一種處理污泥的方法[16]，但該法沒(méi)有將污泥中的有價(jià)資源進(jìn)行利用，且固化后增加了體積，需要占用更多的土地資源，不符合綠色環(huán)保的發(fā)展要求。 水處理污泥的火法處理和濕法處理能夠?qū)ζ渲械挠袃r(jià)金屬進(jìn)行回收，是目前研究的熱點(diǎn)方向。 例如，王芬[17]采用多步浸出法處理冶金污泥，能夠?qū)ζ渲械逆k、鋅、銅、鉛等重金屬進(jìn)行初步分離回收。 柴立元[18-19]等用熱硫化—浮選法回收鉛鋅冶煉廢水化學(xué)沉淀處理后得到的金屬硫化物，鋅的回收率能達(dá)到66%以上；Janusz[20]等用多層燒結(jié)法處理填埋場(chǎng)的冶金污泥，能夠有效回收利用其中的鋅。

3 冶金固廢資源化技術(shù)發(fā)展

隨著資源的日益短缺和環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，冶金固廢處理朝著減量化、資源化和無(wú)害化方向發(fā)展。一些傳統(tǒng)的固化堆存、填埋等處理方式將逐漸被資源化綜合利用的處理方式所替代。 對(duì)冶金固廢的資源化處理，也要從單一化的回收工藝朝著聯(lián)合（協(xié)同）回收工藝方向發(fā)展，從全局考慮，通過(guò)多種工藝環(huán)節(jié)的集成， 對(duì)其中的有價(jià)成分逐一進(jìn)行回收利用，形成一種綜合化的回收體系，使回收后的尾渣能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)害化處置。由于冶金固廢的種類(lèi)繁多，成分復(fù)雜，尤其是其中一些冶金塵泥、水處理污泥等產(chǎn)生量相對(duì)較少，單獨(dú)開(kāi)發(fā)工藝進(jìn)行處理代價(jià)較大；且大多屬于危險(xiǎn)廢物，需按照危險(xiǎn)廢物進(jìn)行管理，難以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域集中處理。 因此，開(kāi)發(fā)對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)、能夠搭配處理多種固廢和危廢的固廢資源化處理工藝具有很好的經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展前景。 下面介紹幾種目前應(yīng)用較廣的固廢資源化綜合處理工藝。

3.1 側(cè)吹爐處理工藝

側(cè)吹爐熔煉是一種強(qiáng)化熔池熔煉技術(shù)， 已經(jīng)廣泛用于銅冶煉和鉛鋅冶煉， 由于其具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低、污染小等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在危廢資源化回收領(lǐng)域得到了大量推廣應(yīng)用。目前，側(cè)吹爐熔煉在冶金固廢資源化回收方面的應(yīng)用主要是從各種固廢中回收銅、鉛、鋅等金屬。其能夠處理的冶金固廢包括各種含銅固廢、含銅污泥、煉銅煙灰浸出渣、銅浮渣、鉛銻渣、鉛精煉殘?jiān)退崮嗟?，同時(shí)還能搭配處理廢線(xiàn)路板、廢活性炭等其他危廢[21-24]。

近年來(lái)， 中國(guó)瑞林在側(cè)吹熔煉工藝及成套裝備上不斷探索，形成了成熟的方案及設(shè)備，并向含銅危廢多金屬資源綜合回收領(lǐng)域推廣應(yīng)用。 中國(guó)瑞林開(kāi)發(fā)的側(cè)吹爐處理冶金固廢工藝及設(shè)備具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：1）對(duì)物料的粒度和含水要求不高，除濕污泥外其他物料都可以入爐；2）爐床面積大、床能率大、反應(yīng)空間大，物料及煙氣在爐內(nèi)均能充分反應(yīng)，可以不設(shè)置二燃室；3）可搭配處置有熱值的無(wú)害化物料，能夠節(jié)約能源，大大提高了處置的經(jīng)濟(jì)、能耗及環(huán)保效益；4）側(cè)吹爐密閉性好，煙氣逸散少，能夠有效避免二噁英的危害，適應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保要求[25]。

3.2 等離子爐處理工藝

等離子氣化技術(shù)是利用等離子炬作為氣化爐的熱源，由于其高溫和高熱密度，等離子技術(shù)幾乎能夠?qū)⑻蓟鶑U物中的有機(jī)物完全轉(zhuǎn)化成合成氣（主要為CO 和H），而無(wú)機(jī)物則可變成無(wú)害灰渣（玻璃體）。采用等離子氣化技術(shù)處理各類(lèi)污泥、垃圾、工業(yè)廢物等在國(guó)內(nèi)外已有不少研究及應(yīng)用[26-28]，如Luca[29]等采用等離子體氣化法處理城市固體廢物和化工行業(yè)產(chǎn)生的危險(xiǎn)含碳廢物。與普通垃圾焚燒技術(shù)相比，該技術(shù)能夠有效提高廢物中能量的回收效率，且具有更好的靈活性和原料適應(yīng)性。 采用等離子技術(shù)處理冶金固廢時(shí)，一方面可以以合金形式回收廢物中的貴重金屬，另一方面可將焚燒廢物產(chǎn)生的灰渣變成玻璃體作為建材使用，還能夠和其他類(lèi)型的危廢一起進(jìn)行處理，特別適用于處理高毒性、難處置和含可回收貴金屬的冶金固體廢物，如含鎳電鍍污泥、含鉻污泥、石化行業(yè)廢催化劑、危廢焚燒飛灰和爐渣等。 實(shí)踐證明，該技術(shù)能耗較低，既實(shí)現(xiàn)了金屬資源和灰渣玻璃化回收利用，又能夠使煙氣污染物達(dá)標(biāo)排放[30]。

3.3 電爐處理工藝

電爐是利用電極產(chǎn)生的高溫來(lái)熔煉礦石和金屬。電爐具有工藝靈活性大、爐溫高且容易控制等優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)一些含鋅、鉻鎳和鐵等金屬的冶金固廢進(jìn)行資源化回收時(shí)有一定的優(yōu)勢(shì)。 電爐處理冶金固廢在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少研究和應(yīng)用，能夠處理的冶金固廢有不銹鋼污泥、氧化鐵皮、除塵灰、鋅浮渣、鉻渣等[31-33]。趙沛[34]等發(fā)明了利用礦熱電爐冶煉紅土鎳礦共處置鉻渣的方法。 該方法利用紅土鎳礦與鉻渣成分的互補(bǔ)性， 能夠在處理鉻渣的同時(shí)產(chǎn)出含鉻高的鎳鐵合金，且熔劑消耗量小，產(chǎn)出的爐渣無(wú)害。 青海某項(xiàng)目利用改造后的電爐對(duì)當(dāng)?shù)匾苯鹌髽I(yè)產(chǎn)出的鋅浮渣、熱鍍鋅渣等危廢進(jìn)行綜合回收。通過(guò)電爐改造、冷凝系統(tǒng)的優(yōu)化和工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，能夠直接產(chǎn)出合格鋅粉，且鋅的回收率達(dá)到了98%以上[35]。

4 結(jié)論

冶金固體廢物的來(lái)源和種類(lèi)眾多，且其中很多屬于危險(xiǎn)廢物， 如果不妥善處置不僅會(huì)造成環(huán)境污染還會(huì)造成資源的浪費(fèi)。 目前我國(guó)冶金固廢資源化處理正處于蓬勃發(fā)展階段，但資源化利用率和無(wú)害化處置率還有待進(jìn)一步提高。 企業(yè)應(yīng)該不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，完善冶煉工藝和廢物處置工藝，提高資源利用率，從源頭上減少冶金固廢的產(chǎn)生和排放，做到減量化的要求。同時(shí)，運(yùn)用信息化的手段構(gòu)建冶金固廢資源化產(chǎn)業(yè)鏈和危廢處置合理布局，對(duì)于冶金企業(yè)無(wú)法內(nèi)部消化的冶金固廢，通過(guò)不同冶金企業(yè)間的相互消納和危廢處置企業(yè)的集中處置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冶金固廢的高效利用。

未來(lái)，冶金固廢資源化利用將朝著多樣化和協(xié)同化的方向發(fā)展。 對(duì)于目前資源化利用率不高的冶金固廢，將出現(xiàn)越來(lái)越多的資源化利用途徑，如制成各類(lèi)建材和工業(yè)原料，或利用側(cè)吹爐等先進(jìn)處理工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)多種危廢的協(xié)同處理，高效回收其中的金屬資源，產(chǎn)出無(wú)害的爐渣。相信隨著政策的推動(dòng)和技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)的冶金固廢資源化利用程度將不斷提高，真正實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。