一种用于电弧炉粉尘和废活性炭协同资源利用的自还原工艺：通过调节碱度来提高锌（Zn）、铅（Pb）和铁（Fe）的回收率

《Journal of Environmental Management》：A self-reduction process for collaborative resource utilization of electric arc furnace dust and waste activated carbon: Adjusting basicity to enhance Zn/Pb/Fe recovery

电弧炉粉尘与废活性炭协同处理中添加氧化钙调控熔体碱性，促进难还原相转化为易还原氧化物，实现锌、铅、铁的高效回收（分别提升15.13%、23.68%、2.33%），降低焙烧温度100℃，消除结圈现象，为工业固废资源化提供新途径。

　　

涂一康|苏子健|林琳|徐娟|张远波

安徽工业大学冶金工程学院，马鞍山，243032，中国

摘要

直接还原被认为是一种有前景的方法，用于协同处理电弧炉粉尘（EAFD）和废活性炭（WAC），但其效率受到从硅酸盐和铁氧化物中分离锌和铅的难度限制。在本研究中，使用CaO来调节系统的碱性（CaO/SiO₂），以促进难以还原的铁氧化物和硅酸盐转化为更易还原的ZnO和PbO。这些氧化物随后被还原并挥发到烟气中以便回收。同时，铁化合物被还原为金属铁，随后通过磁选法回收。结果表明，与传统工艺相比，Zn、Pb和Fe的回收效率分别提高了15.13%、23.68%和2.33%。此外，焙烧温度降低了100°C。系统中化学成分的变化导致液相形成从15.47%减少到0%，有效解决了窑炉结圈这一关键问题，这对确保工业生产的连续性至关重要。该过程还为工业固体废物管理提供了一种可持续的方法，减轻了环境风险，同时促进了资源循环利用。

引言

电弧炉炼钢目前占全球粗钢产量的约33%，在大多数工业化国家这一比例超过50%。这一过程的主要副产品是电弧炉粉尘（EAFD）。作为世界上最大的钢铁生产国，中国每年产生超过200万吨的EAFD（Frueholz等人，2025年；Hamann等人，2024年；Khan等人，2025年）。由于其高重金属含量（10-35%的Zn，1-5%的Pb）和大量的铁成分（20-50%）（Huo等人，2025年；Xue等人，2025年），EAFD既具有环境风险，也是一种宝贵的资源。

为了从EAFD中回收有价值的金属，通常使用硫酸、盐酸、碳酸、氢氧化钠和氨等浸出剂（Ju等人，2025年；Wu等人，2023年；Yang等人，2025年）。然而，使用这些剂剂的湿法冶金过程存在工业限制，包括选择性差、难以处理的废液以及严重的设备腐蚀。为了缓解这些缺点，人们研究了直接还原、氯化焙烧和微波加热等火法冶金技术（Li等人，2023年）。氯化焙烧利用了ZnCl₂和PbCl₂的高蒸气压和挥发性，通过将EAFD与氯化剂混合后进行焙烧来实现（Ge等人，2022年）。然而，这一过程尚未实现工业化，因为高温下产生的Cl₂和HCl会导致严重的设备腐蚀。在微波加热中，EAFD中的Zn和Pb在1050°C下的去除率分别达到了90.6%和95.4%（Ye等人，2021年），但大规模工业应用仍然具有挑战性。作为一种有前景的路线，直接碳热还原是在旋转窑中以超过1200°C的温度处理EAFD和煤的混合物，其中超过90%的Zn和Pb被挥发（Gu等人，2021年）。然而，锌铁氧化物和硅酸盐中的强化学键需要如此极端的温度，导致能源密集型操作和操作挑战，如由于液相形成过多而引起的窑炉结圈。

最近的进展表明，氧化钙是一种关键的熔剂，可以改变还原的热力学（Lv等人，2019年）。添加CaO有助于通过固态反应分解稳定的ZnFe₂O₄：ZnFe₂O₄ + CaO → CaFe₂O₄ + ZnO

废活性炭（WAC）是吸附行业中的常见固体废物。它通常含有超过80%的碳和微量的重金属，如Zn和Pb（Hossain和Sahajwalla，2021年；Huang等人，2022年；Sundriyal等人，2021年）。WAC最常见的处理方法是再生和焚烧。再生通常采用加热、微生物处理或化学浸泡来去除吸附物（Ferrández-Gómez等人，2023年；Gkika等人，2025年；Skalny等人，2025年）。然而，再生会导致10-20%的碳损失，再生后的WAC性能仅为原始的80-90%。此外，它还会产生大量的有毒废气或废水（Wang等人，2023年；Zhang等人，2022年）。焚烧可以从WAC中回收能量用于发电或供暖，但所需的废气处理成本很高（Venkatesan等人，2023年）。

本研究提出了一种创新的协同方法，用于协同处理EAFD和WAC，使用CaO来调节碱性并增强自还原作用。具体来说，锌和铅成分被WAC中的固体碳还原并挥发到烟气中。铁成分被还原为金属铁，随后通过研磨-磁选过程回收。研究重点关注CaO对难熔硅酸盐和铁氧化物相转化的影响，以及其对Zn和Pb挥发的影响。最终获得了含有铅的粗氧化锌、高品位还原铁粉和无毒尾矿等产品。本研究的创新之处在于：引入了一种新的EAFD和WAC协同处理途径，不同于传统的单一EAFD处理或焦炭还原方法。对于ZnFe₂O₄/Zn₂SiO₄的热力学障碍，开发了一种基于碱性调节的相转化策略。对于旋转窑结圈这一难以解决的问题，通过液相控制和温度协同作用取得了突破。

材料

本研究中使用的EAFD来自电弧炉炼钢过程，其主要化学成分见表1。除了43.71%的总铁（TFe）外，EAFD还含有10.80%的锌（Zn）和1.58%的铅（Pb）。它还含有6.22%的氧化钙（CaO）、2.44%的氧化镁（MgO）、0.38%的氧化铝（Al₂O₃）、7.60%的二氧化硅（SiO₂）、0.56%的氧化钾（K₂O）和0.44%的氧化钠（Na₂O）。此外，EAFD还含有硫（S）和氯（Cl）等成分。

碳热还原过程中Zn/Pb/Fe化合物的热力学分析

为了研究碳热还原过程中锌、铅和铁化合物的热力学行为，使用Factsage 8.0软件计算了吉布斯自由能（Zhu等人，2021年）。根据第2.1节的原材料分析结果，选择锌和铅的氧化物作为主要成分，以及硅酸盐和铁氧化物作为计算目标相。在FactSage计算中，假设CO和CO₂等气体是理想气体。

结论

本研究开发了一种基于碱性调节的自还原过程，用于协同利用EAFD和WAC，显著提高了Zn/Pb/Fe的回收效率。通过系统的热力学分析、实验验证和机理研究，得出了以下关键结论。

(1)

EAFD中的50.46%的锌以ZnO的形式存在，其中31.86%以Zn₂SiO₄的形式存在，15.10%以ZnFe₂O₄的形式存在。关于铅，PbO占最高比例

CRediT作者贡献声明

涂一康：撰写——原始草案、软件、方法论、研究、资金获取、数据管理。苏子健：撰写——审稿与编辑、监督、软件、研究。林琳：可视化、资源管理、形式分析。徐娟：资源管理、研究、形式分析。张远波：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号：52504351）、安徽工业大学启动的科研人才引进基金项目（编号：RZ2400002893），以及湖南省的科技创新计划（编号：2023RC1025）。