《Journal of Hazardous Materials Advances》：Carbon-lean sponge iron generation and heavy-metal removal from electric arc furnace dust using hydrogen direct reduction
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随着钢铁行业逐步摆脱化石煤炭的使用，电弧炉（EAF）炼钢的重要性日益凸显，因其可用于熔化废钢以及低碳直接还原铁（DRI）。然而，在EAF运行过程中，粉尘会在其烟气系统中积聚。这种EAF粉尘含有大量锌、铅和镉等重金属，因此目前要么被填埋，要么在碳密集型极高的韦尔
随着钢铁行业逐步摆脱化石煤炭的使用，电弧炉（EAF）炼钢的重要性日益凸显，因其可用于熔化废钢以及低碳直接还原铁（DRI）。然而，在EAF运行过程中，粉尘会在其烟气系统中积聚。这种EAF粉尘含有大量锌、铅和镉等重金属，因此目前要么被填埋，要么在碳密集型极高的韦尔茨（Waelz）工艺中得到部分回收。本文报道了一种利用氢气作为还原剂，通过热化学工艺处理EAF粉尘的方法。研究人员将粉尘置于含5% H2的气流中，在900°C下处理60分钟。通过该方法，超过99%的锌、铅和镉从粉尘中蒸发，留下一种含金属铁的固体残渣，可用作EAF炼钢中DRI的替代品。蒸发出的锌可用于锌的提取。研究人员进行了热重实验和热力学模拟，结果表明在实验条件下锌的蒸发和氧化铁的还原同时发生，且氢气循环对于提高该工艺的经济可行性极为有利。鉴于该工艺在100克规模实验中表现良好，未来可设想采用氢基回转窑进行工业应用。
随着全球钢铁行业面临脱碳压力，电弧炉（EAF）炼钢因能灵活使用废钢和直接还原铁（DRI）而备受关注。然而，EAF生产过程中每吨钢水会产生10至20公斤粉尘，这些粉尘富含锌（5%-50%）、铅及镉等重金属，被归类为危险废物。目前主流的韦尔茨（Waelz）回收工艺依赖化石碳作为还原剂，不仅碳排放高，还会产生新的炉渣废弃物。与此同时，现有的湿法冶金工艺虽能耗较低，但存在化学品消耗大、回收率低及二次废液处理难等问题。为了打破这一僵局，推动钢铁行业的循环经济和低碳转型，来自德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）的研究人员Patrick Piehl、Gerhard Auer、Alexander Kehrmann和Christian Adam开展了一项创新性研究，旨在开发一种利用氢气作为还原剂的低碳热化学工艺，实现EAF粉尘中重金属的高效分离与资源化利用。这项研究成果已发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》期刊上。
研究人员采用了多种关键技术手段来支撑此项研究。首先，研究使用的EAF粉尘样本来源于德国某电炉钢厂，经干燥均质化处理。其次，实验设计涵盖了从实验室小试到放大验证的不同尺度，包括在管式炉中进行的氧化铝舟实验以及在摆动炉（Pendulum furnace）中进行的100克级批量实验。核心的分析表征技术包括：利用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定元素组成；通过微波消解和硫酸铜溶液萃取法测定金属铁含量；使用X射线衍射（XRD）分析矿相变化；借助同步热分析仪（STA）进行差热分析-热重（DTA-TG）联用实验，并结合Netzsch的SuperRes软件进行步进隔离模式分析；此外，还利用扫描电子显微镜（SEM）配合能谱仪（EDX）观察微观形貌与元素分布，并通过HSC Chemistry软件进行了热力学平衡模拟。
1. 反应的热重分析
研究人员通过热重分析发现，在氩气气氛下，EAF粉尘仅在660°C以上出现约12%的质量损失，主要源于碳酸盐分解或氯化物挥发。而在含5%氢气的氩气气氛下，从620°C开始出现了高达55%的显著质量损失。结合分步恒温实验和XRD分析，研究揭示了反应机理：铁(III)的还原起始温度较低（约660°C），导致锌铁矿（Franklinite）和磁铁矿（Magnetite）分解，但锌氧化物（ZnO）的大量还原和蒸发主要发生在更高温度下（约740°C）。这表明在实验条件下，锌的蒸发与铁的还原是多步同时进行的过程，难以单独分离。
2. 热处理过程中重金属的汽化与氧化铁的还原
在4克级的管式炉实验中，研究人员优化了工艺参数。结果显示，在900°C、60分钟、气体流速400升/小时的条件下，使用含5% H2的氮气，可实现超过99%的锌、铅和镉的去除率。XRD分析证实，处理后的固体残渣中主要物相为金属α-铁，原始粉尘中的尖晶石结构在700°C即开始转变。相比之下，单纯使用氮气或石油焦作为还原剂的效果远不如氢气，进一步验证了氢直接还原在动力学上的优势。
3. 氢还原EAF粉尘的平衡模拟
利用HSC Chemistry进行的热力学模拟显示，实验数据与模拟结果在锌的去除趋势上吻合良好（考虑5分钟的升温滞后）。模拟揭示了铁和锌的还原动力学差异：Fe(III)快速还原，随后是缓慢的Fe(II)到金属铁的转化，而锌则持续缓慢还原并即时蒸发。值得注意的是，模拟预测铅主要以金属态残留（因热力学上更倾向形成稳定化合物），但实验观察到高去除率，研究人员解释为实验中氯化铅（PbCl2）的动力学蒸发占主导。此外，模拟指出氢气利用率极低（累积转化率仅17.5%），强调了工业应用中必须实施氢气循环。
4. 摆动炉中EAF粉尘的重金属去除与铁生产
在接近工业规模的100克摆动炉实验中，尽管反应时间较长（330分钟），仍成功实现了97.2%的锌、98.5%的铅和97.8%的镉的去除，固体残渣铁含量达61.5%，金属化率为92%。SEM分析显示残渣由小于10微米的金属铁颗粒与锰、镁、钙等氧化物组成的炉渣紧密附着。冷凝物主要为金属锌和氧化锌，伴有氯、氟和硫。实验测算的氢气总转化率达到21%，表明气固接触良好，具备了向工业回转窑转化的潜力。
综上所述，该研究证实了在氢气氛下对EAF粉尘进行热处理在实验室规模上具有极高潜力。研究人员得出结论，该工艺能够去除超过99%的锌、铅和镉等重金属，同时残留固体富含金属铁，可作为直接还原铁（DRI）的无重金属替代品。这一成果为钢铁行业描绘了一个极具前景的工业流程蓝图：即将EAF粉尘转化为有价值的资源，一方面产出用于炼钢的替代原料，另一方面回收粗氧化锌用于锌的提取。为了使该工艺在经济上切实可行，未来的工业设计中需要重点考虑提高氢气浓度以及未反应气体的循环利用，从而降低运营成本并实现真正的低碳闭环。
