科學研究 - 日本實證從電爐粉塵中同時回收鋅和鐵新技術

產學共同實用化開發業務（NexTEP）的開發課題「源自電爐煉鋼粉塵的高純度鋅及鋼鐵原料聯產系統」的開發結果經日本科學技術振興機構（JST）認證成功。該開發課題以日本東北大學的長坂徹也教授等人的研究成果爲基礎，委託豐榮商會公司推進了實用化開發。

在回收利用廢鐵的電爐企業排放的電爐粉塵中，除了含有約20％的鋅（Zn）和約30％的鐵（Fe）之外，還含少量鹵素（氯和氟）及有害元素鉛等。因此大多都外包給中間處理公司進行處理。此前從電爐粉塵中回收鋅的方法能量效率較差，鐵也很難回收。

豐榮商會採用長坂教授等人研發的石灰添加法開發出電爐粉塵處理方法，在中等規模試驗工廠中驗證成功。利用新方法可以將粉塵中的鋅作爲高純度金屬鋅、將殘留物作爲鋼鐵原料進行高效回收。與傳統方法相比可節能30％；同時因爲未使用普通的煤焦等碳材料作氧化鋅還原劑，二氧化碳排放量也削減了50％。

該技術能使原來需經過多個行業的處理實施一站化，還有望爲預防地球變暖做出貢獻。

＜背景＞

要回收鋼鐵和汽車等衆多行業產生的廢鐵，離不開利用電爐對廢鐵進行重熔生產鋼鐵的電爐企業。日本國内目前運轉的電爐每生產一噸粗鋼會產生16～17公斤的電爐粉塵，一年約產生40萬噸。電爐粉塵爲特別管理產業廢棄物。但粉塵中通常含有約20％的鋅和約30％的鐵，對於鋅需求約80％尚依賴進口礦石的日本來說理應是重要的可再生資源。不過，由於其中含有害元素，且鋅和鐵的含量比較低，因此鋅熔煉業和鋼鐵企業並不接收這些電爐粉塵。目前大多都透過向特別管理產業廢棄物的中間處理公司給付處理費，委託其進行回收。

現在電爐粉塵的中間處理主要利用碳熱還原法——威爾茲法，但這種工藝主要存在以下三個問題：

① 鋅只能在還原成鋅蒸汽後再度氧化，以氧化鋅的形式回收。因此要想獲得金屬鋅，需要進行二次熔煉；

② 回收的氧化鋅中還含有鹵素和鉛，因此需要進行再分離；

③ 鋅揮發後的殘渣中含有的鐵無法再利用，大多都被廢棄。

因此，處理費用和次生殘渣處理是發達工業國家中電爐企業共同面臨的一大煩惱。

＜開發内容＞

豐榮商會利用長坂教授等開發的石灰添加法，開發了電爐粉塵處理法。首先向電爐粉塵中添加石灰並加熱，揮發去除有害元素；然後與作爲還原劑的鐵一起進行真空加熱，鋅以金屬鋅、鐵以鋼鐵原料鐵酸鈣的形式分別進行回收。此次透過電爐粉塵處理通量爲每天1噸的中等規模試驗工廠，驗證了從電爐粉塵中將鋅和鐵分別以資源物資形式同時進行回收的處理方法（圖1）。

圖1：開發的試驗工廠的外觀。A：石灰添加處理部　　B：還原處理部

驗證應答，石灰添加處理部透過最適化添加到電爐粉塵中的石灰比例和處理溫度，可以將電爐粉塵中所含的難處理性鐵酸鋅轉換爲氧化鋅和鐵酸鈣，同時還能去除鹵素和鉛。還原處理部透過採用合適的還原劑進行真空加熱處理，能以高純度金屬形式分離回收鋅（圖2）。以鐵酸鈣爲主要成分的最終殘留物又可重新作爲新的鋼鐵原料再利用（圖3）。