综述：从含锌电弧炉粉尘中提取低碳锌：火法冶金与湿法冶金工艺的综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Towards low-carbon zinc extraction from zinc-containing electric arc furnace dust: a review of pyrometallurgical and hydrometallurgical routes

锌从电炉粉尘中回收技术研究：本文系统综述了电炉粉尘（ZEAFD）的生成机制与理化特性，对比分析了传统高碳冶金（如转炉法）与新兴绿色技术（微波加热、氢基还原、煅烧-水浸法）在锌回收效率、能耗、碳排放及技术成熟度上的差异，指出化学稳定性差的ZnFe?O?相是制约回收的关键因素，建议优先发展低温、低能耗及低碳排放的集成工艺。

　　

刘玉倩|李海川|金丽玲|周东东|刘世远

北京科技大学钢铁技术协同创新中心，中国北京100083

摘要

含锌电弧炉粉尘（ZEAFD）是钢铁生产过程中产生的富含锌的副产品，既被归类为危险废物，又被视为有价值的二次资源。因此，在双碳约束下，从ZEAFD中绿色高效地回收锌对于实现可持续资源利用和污染控制至关重要。本文首先概述了ZEAFD的生成机制及其主要的物理化学特性，然后总结并批判性地比较了提取锌的火法冶金和湿法冶金工艺，涵盖了传统的火法冶金过程（如瓦尔斯窑工艺）和湿法冶金过程（如酸浸工艺）。特别强调了新兴的、更环保的选项——微波加热、基于氢的还原以及结合水浸工艺的焙烧方法——这些方法旨在减少化石碳的使用、操作温度或试剂消耗，同时提高锌和铁的分离效率。通过对比这些技术在锌回收率、选择性、能源需求、潜在碳排放和技术成熟度方面的表现，揭示了它们的各自优势、局限性和适用性。最后，指出了可扩展、低碳处理ZEAFD的关键挑战和研究需求。本文为钢铁行业中从ZEAFD中绿色可持续地提取锌提供了简洁的工艺框架和指导。

引言

锌是全球使用量第四大的金属，仅次于铁、铝和铜。根据美国地质调查局（USGS）的数据，截至2024年底，全球锌储量已超过19亿吨，其中澳大利亚、中国和俄罗斯的锌储量最大，如图1a所示[1]。锌及其化合物广泛应用于镀锌防腐蚀（占全球消费量的50%以上）[2]、锌合金[3]、药品制备[4]等领域，如图1b所示。近年来，基于锌的电池因环保、成本效益高和理论容量大而受到广泛关注，尤其是锌空气电池（理论能量密度高达1086 Wh/kg）[5]和水系锌离子电池[6]的突破性进展。

图1c总结了2014年至2024年的全球锌生产和消费情况[7]，显示出锌市场持续存在供应缺口。2024年锌产量为1370万吨（同比下降1.8%），而消费量达到1380万吨（同比增长1.8%）。随着矿石品位的下降和环境法规的收紧，从二次资源中强化锌供应变得越来越重要。然而，目前回收的锌仅占全球锌产量的约30%，约70%仍来自原矿冶炼[8]。图1d和1e进一步表明，钢铁生产过程中产生的含锌电弧炉粉尘（ZEAFD）是主要的锌来源之一，但其回收和利用仍不足。

ZEAFD是钢铁生产过程中的副产品，是全球二次锌资源的重要来源，但其利用效率远未达到理想水平。电弧炉（EAF）炼钢目前占全球钢铁产量的30%以上，在某些发达国家这一比例甚至高达50%[9]。含锌电弧炉粉尘（ZEAFD）具有细小的颗粒尺寸（90%的颗粒小于4.77微米）和复杂的化学组成，富含铁（20–45.5%重量百分比）和锌（2–37%重量百分比）[10][11]等有价值元素，但也含有铅和铬等有害元素，因此被美国环境保护署（EPA）列为危险固体废物[12]。统计数据显示，生产一吨粗钢通常会产生约15–20公斤的含锌粉尘，每年总产量约为500–700万吨[13]。直接处置或填埋ZEAFD不仅会导致锌和铁等有价值金属的损失，还会带来严重的生态和人类健康风险。因此，从ZEAFD中绿色高效地回收锌已成为紧迫的研究课题。

因此，开发针对二次锌资源（尤其是ZEAFD）的锌回收技术具有重要意义。尽管已经提出了多种稳定化和回收工艺，但在实现高锌回收率、有效分离锌和铁以及整体工艺的环保性方面仍存在重大挑战，这些问题尚未得到完全解决。在这种情况下，如何从ZEAFD中实现高效、选择性和低碳的锌回收，同时控制环境风险，是当前研究的核心问题。

以往关于从ZEAFD中回收锌的综述通常分别讨论火法冶金和湿法冶金技术，并主要关注瓦尔斯窑工艺和传统酸浸等成熟工艺，往往只是描述性介绍。因此，最新的绿色工艺进展（如微波辅助碳热还原、基于氢的还原以及结合水浸的焙烧）尚未得到系统总结。更重要的是，现有综述很少从热力学和动力学的角度分析这些新工艺，也没有从定量、多标准的角度对其性能与传统工艺进行对比。因此，本文特别关注从ZEAFD中提取锌的最新火法冶金和湿法冶金工艺进展，详细阐述了它们的热力学和动力学特性，以明确这些工艺相对于传统技术的优势。在此基础上，我们从锌回收率、能源消耗、碳排放和技术成熟度等方面对传统工艺和新兴工艺进行了比较评估，同时考虑了产品质量和二次废物的产生情况。本文结构如下：第2节总结了ZEAFD的生成机制和物理化学性质；第3节讨论了传统和新兴的火法冶金工艺及其优缺点；第4节介绍了湿法冶金工艺，包括直接浸出和焙烧-浸出路线及其性能和瓶颈；第5节从效率、成本和环境影响的角度对火法冶金和湿法冶金工艺进行了综合评估；第6节总结了从ZEAFD中绿色提取锌的关键见解和未来发展方向。

部分摘录

ZEAFD的生成机制

研究人员普遍认为，ZEAFD的生成主要涉及两种机制：（1）熔池表面CO气泡的破裂，将熔融钢和钢渣喷射出去[15]；（2）高温下铁和其他挥发性金属的热蒸发[16]。现有实验和综述研究表明，前者是ZEAFD形成的主要驱动力，而后者则决定了重金属（如锌、铅）在细颗粒中的富集。

锌提取的火法冶金工艺

火法冶金工艺基于锌和铅的热挥发性。通过碳热还原，金属氧化物被转化为金属形式。锌和铅等挥发性元素被蒸发并转移到废气流中回收，而铁、铬、锰和少量镍则留在残渣中，从而实现金属分离[23][51]。图4a展示了典型含锌铁化合物在碳热条件下的热力学趋势。

锌提取的湿法冶金工艺

从ZEAFD中提取锌的湿法冶金过程通常包括三个步骤：选择性浸出含锌相、浸出液的净化以及通过电沉积或相关分离方法回收锌[49][91]。ZnFe₂O₄的溶解和锌的选择性提取是限制湿法冶金工艺效率的核心瓶颈。图7a展示了100°C下Zn–Fe–H₂O系统的热力学分析。

综合评估

图11系统分析了不同回收方法的总体特点，并对其进行了比较和总结，考虑了五个关键性能指标：锌回收率、成本、能源消耗、碳排放和工业成熟度。

（1）目前，传统工艺仍主导着ZEAFD的处理，其中瓦尔斯工艺（图11a）占全球产能的83%。其核心优势在于技术成熟度和锌回收的稳定性。

结论与展望

本文系统回顾了ZEAFD的物理化学性质，并对传统和新兴回收技术进行了对比分析。研究表明，从高碳模式向可持续利用的转变从根本上受到ZnFe₂O₄相化学稳定性的限制。虽然传统工艺凭借成熟度和稳定的回收率保持市场主导地位，但越来越受到...

作者贡献

所有作者都参与了研究的构思和设计。刘玉倩负责调查、数据分析和可视化处理。刘玉倩和李海川共同撰写了初稿。刘世远、金丽玲和周东东对初稿进行了修改。刘世远负责资金筹集。

作者贡献声明

金丽玲：撰写 – 审稿与编辑。周东东：撰写 – 审稿与编辑。刘玉倩：撰写 – 初稿撰写、可视化处理、数据整理。李海川：撰写 – 初稿撰写。刘世远：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国自然资源部绿色提取与高效利用轻稀土资源重点实验室（KLRE-KF-005）和离子型稀土资源与环境重点实验室（编号2024IRERE301）的支持。