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高炉瓦斯灰是高炉炼铁产生的排泄物。在高炉冶炼过程中，铁矿原料所含的锌、铝、铅等杂质在高温条件下被还原并形成蒸汽，与矿石、焦炭、熔剂等粉尘微粒一并随高炉煤气排出，后经湿式或干式除尘系统捕着去除，是钢铁企业主要固体排放物之一。根据高炉瓦斯灰中含有一定量金属的特性，对其开展资源回收利用的一系列研究是很有必要的。
一、高炉瓦斯灰的组成及特点
高炉瓦斯灰的化学组分比较复杂，除了未完全燃烧的炭，还包括铁以及铅、锌、铝、铜、鉍、铟、镉等金属及碱金属氧化物。在高炉冶炼过程中，瓦斯灰的产生量及其化学组分与所用铁原料的成分以及高炉作业条件（风量、风压、炉温等）有很大关系。2011年，酒钢本部7座高炉产出瓦斯灰高达24.9万吨。而且我国钢铁产量逐年增长，产生的高炉瓦斯灰总量亦逐年增长，若以铁产量的1.7%计，全国年产瓦斯灰近200万吨。高炉瓦斯灰中铁的含量最高，其次是碳，二者之和约为45%～65%。瓦斯灰外形呈灰黑色粉末状，粒度细小，其中小于200目（74μm）的颗粒约占97%～100%，平均粒径仅有20～25μm，而且锌、铜等有色金属主要分布在小于200目的细粒级别中。
由于高炉瓦斯灰的粒径小，密度小，极易飘散于大气中并形成对人体危害性较大的飘尘；若未经处理直接排放到环境中，不仅会对人体造成严重危害，而且其中的锌、铅等重金属在雨水侵蚀下容易进入地下水环境，从而对生态环境系统产生不利影响。考虑到高炉瓦斯灰主要是由矿物微粒、焦炭粉和熔剂粉尘等组成，且富含铁、碳、铝以及锌等有色金属等，是宝贵的二次资源；如果不能有效利用，不仅对环境造成极大污染，而且造成资源浪费。因此，研究如何高效、合理地利用高炉瓦斯灰，提高其综合利用价值，是解决钢铁行业固体排放物环境污染问题的关键，与此同时，会带来良好的经济效益和社会效益，实现固体废物的再资源化。
二、高炉瓦斯灰的资源化利用途径
目前针对高炉瓦斯灰的处理，国内外主要采取以下四种方法
1.外排堆放
此种方法易造成环境污染并对人体健康产生危害，目前大型钢铁企业已基本淘汰该方法。
2.填埋
此种方法又分为直接填埋和处理后填埋两种方式。直接填埋会遇到与外排堆放相似的问题，即瓦斯灰中的重金属元素会渗漏至地下水中，破坏水环境。第二种方式是处理后填埋，主要利用的方法为玻璃化或固化等方法。但从长期而言，经此种方法填埋处理的瓦斯灰的稳定性还不确定，并且填埋处理依然没有实现固体废物的再资源化。
3.直接利用
此种方法是指将瓦斯灰返回到烧结工艺或用于球团配料，国内许多钢铁企业采用该方法。但除铁以外瓦斯灰中还含有锌、铝、铜、铋、铟、镉等杂质，这些杂质的循环富集不仅影响烧结机的正常生产、高炉的能耗和产率，而且会影响所得烧结矿的质量。因此如果将杂质含量高的瓦斯灰直接返回烧结工艺或配入球团矿，将会降低高炉的利用系数，进而影响炼铁的各项经济技术指标。
酒钢7座高炉炼铁产生的瓦斯灰因除尘方式不同而分为4种：瓦斯泥、重力灰、布袋灰和环境灰。其中重力灰和环境灰中锌含量相对较低，全部配入烧结利用；但是布袋灰和瓦斯泥因锌含量相对较高，仅有少量配入烧结，其余大部分则通过磨矿-弱磁-强磁的工艺进行提取分离。
4.综合回收，提取有价元素
从以上几种方法的诸多弊端可以看出，综合回收，提取有价元素将是高炉瓦斯灰资源化利用的一项重要途径；而且该项途径符合国家提倡节能减排、循环经济的产业政策，对于促进经济效益增长方式转变具有重要意义。国内外学者主要利用以下两种方法对瓦斯灰中的有价元素进行综合回收。
4.1物理法：主要包括水力旋流分离法和磁选分离法。水力旋流分离法是根据所要分离对象的粒度分布进行分选的方法。石磊以及林宗虎等人均采用了水力旋流器对瓦斯灰进行了分选试验，得到了良好的提取效果。此种方法对于水力旋流器的选择以及操作条件有较高的要求。磁选分离法是根据所要分离对象磁性的不同进行分选的方法。涟钢技术中心钢铁研究站自2010年4月开始，对高炉瓦斯灰先后采取以下三种处理试验：直接配入烧结工序、选矿法综合回收以及直接制球加入炼钢转炉。通过优化分析，最终确定利用浮碳—磨矿—弱磁—强磁的方法回收瓦斯灰中的有价元素。该工艺技术成熟、投资小、污染少。
4.2化学法：又分为湿法和火法。湿法是指利用不同的浸取液（酸液或碱液）将有价元素从混合物中分离出来的方法。此种方法若采用酸作为浸取液，容易造成设备腐蚀；若采用碱作为浸取液，成本较高。火法是指在高温条件下利用焦炭将轻质碱金属氧化物还原为具有高挥发性的单价元素，冷凝即可得到富集矿。回转窑还原烟化富集技术属于火法的一种，利用其处理高炉瓦斯灰十分有效，可以使得金属锌、铟、锡、铋、镉等有用物质得以分离出来，金属富集比高，挥发率高，节能效果显著。但是回转窑的基建以及运行维护费用较高。利用转底炉来消化瓦斯灰并回收有价元素也是火法的一种，而且转底炉为封闭性系统，过程基本零排放；但在具体操作过程中仍存在技术上的缺陷。
综上所述，可以发现提取铁、锌、碳等有价元素是今后研究如何处理并利用高炉瓦斯灰的重要发展方向。考虑到瓦斯灰中铁含量最高，因此如何提取铁并使之得到高效合理的利用就是今后研究的重中之重。
本研究考虑以高炉瓦斯灰为主要原料从中提取铁和铝，以研制无机高分子混凝剂——聚合氯化铝铁（PAFC），并利用其优良的混凝性能处理城市污水。
三、无机高分子混凝剂的制备
高炉瓦斯灰中铁、铝含量的不同，经过粉磨过筛后，可以利用酸溶液作为浸取液提取高炉瓦斯灰中的铁、铝，从而得到铁盐、铝盐的混合溶液；进一步通过调节水的pH值，使得铁、铝分别发生水解聚合反应；最终制得无机高分子混凝剂聚合氯化铝铁。本研究制定如下试验方案：
1.因为影响高炉瓦斯灰中铁、铝溶出的因素很多，所以采用正交试验法确定最佳溶出条件；主要影响因素包括：瓦斯灰中铁、铝含量，所使用酸溶液的种类，酸溶液用量，反应时间，反应温度、搅拌时间以及搅拌速度等。
2.分别确定铁、铝的最佳溶出条件后，再次采用正交试验法确定最佳聚合条件。即根据铁、铝的不同水解特性分别控制各自发生水解聚合反应的条件；主要影响因素包括：水解聚合时间、水解聚合温度、pH值、搅拌时间以及搅拌速度等。
无机高分子混凝剂聚合氯化铝铁制备示意图
四、所得混凝剂在城市污水处理厂中的应用
根据上述试验方案制得的无机高分子混凝剂聚合氯化铝铁对废水具备一定的混凝效果，为了确定其混凝效果，首先配制不同种类的模拟废水（比如印染废水、纺织废水、化工废水等）；然后通过烧杯试验确定聚合氯化铝铁对不同种类的模拟废水的处理效果。为研究所得聚合氯化铝铁的混凝性能，通过正交试验法确定其对不同模拟废水的最佳处理条件；主要影响因素包括：模拟废水种类、模拟废水浓度、混凝剂投加量、pH值、反应时间、反应温度、搅拌速度以及搅拌时间等。
为进一步拓展所得聚合氯化铝铁的实际应用价值，可以利用其处理实际废水，例如应用在城市污水处理厂的一级处理工艺中。以某城市污水处理厂一沉池进水为试验水样，投加不同量的聚合氯化铝铁，通过烧杯试验研究混凝剂对水样COD、浊度、TP、TN、NH3-N等的去除效果，并确定混凝剂的最佳投药量以及最佳反应条件。
基于以上分析，利用高炉瓦斯灰中铁、铝回收制备无机高分子混凝剂，不仅能有效处理高炉瓦斯灰，为其综合利用探索一条新途径，而且可以达到以废治废的目的，实现固体废物的再资源化，更能产生良好的经济效益、社会效益和环境效益，符合循环经济、节能减排的国家政策。
一、高炉瓦斯灰的组成及特点
高炉瓦斯灰的化学组分比较复杂，除了未完全燃烧的炭，还包括铁以及铅、锌、铝、铜、鉍、铟、镉等金属及碱金属氧化物。在高炉冶炼过程中，瓦斯灰的产生量及其化学组分与所用铁原料的成分以及高炉作业条件（风量、风压、炉温等）有很大关系。2011年，酒钢本部7座高炉产出瓦斯灰高达24.9万吨。而且我国钢铁产量逐年增长，产生的高炉瓦斯灰总量亦逐年增长，若以铁产量的1.7%计，全国年产瓦斯灰近200万吨。高炉瓦斯灰中铁的含量最高，其次是碳，二者之和约为45%～65%。瓦斯灰外形呈灰黑色粉末状，粒度细小，其中小于200目（74μm）的颗粒约占97%～100%，平均粒径仅有20～25μm，而且锌、铜等有色金属主要分布在小于200目的细粒级别中。
由于高炉瓦斯灰的粒径小，密度小，极易飘散于大气中并形成对人体危害性较大的飘尘；若未经处理直接排放到环境中，不仅会对人体造成严重危害，而且其中的锌、铅等重金属在雨水侵蚀下容易进入地下水环境，从而对生态环境系统产生不利影响。考虑到高炉瓦斯灰主要是由矿物微粒、焦炭粉和熔剂粉尘等组成，且富含铁、碳、铝以及锌等有色金属等，是宝贵的二次资源；如果不能有效利用，不仅对环境造成极大污染，而且造成资源浪费。因此，研究如何高效、合理地利用高炉瓦斯灰，提高其综合利用价值，是解决钢铁行业固体排放物环境污染问题的关键，与此同时，会带来良好的经济效益和社会效益，实现固体废物的再资源化。
二、高炉瓦斯灰的资源化利用途径
目前针对高炉瓦斯灰的处理，国内外主要采取以下四种方法
1.外排堆放
此种方法易造成环境污染并对人体健康产生危害，目前大型钢铁企业已基本淘汰该方法。
2.填埋
此种方法又分为直接填埋和处理后填埋两种方式。直接填埋会遇到与外排堆放相似的问题，即瓦斯灰中的重金属元素会渗漏至地下水中，破坏水环境。第二种方式是处理后填埋，主要利用的方法为玻璃化或固化等方法。但从长期而言，经此种方法填埋处理的瓦斯灰的稳定性还不确定，并且填埋处理依然没有实现固体废物的再资源化。
3.直接利用
此种方法是指将瓦斯灰返回到烧结工艺或用于球团配料，国内许多钢铁企业采用该方法。但除铁以外瓦斯灰中还含有锌、铝、铜、铋、铟、镉等杂质，这些杂质的循环富集不仅影响烧结机的正常生产、高炉的能耗和产率，而且会影响所得烧结矿的质量。因此如果将杂质含量高的瓦斯灰直接返回烧结工艺或配入球团矿，将会降低高炉的利用系数，进而影响炼铁的各项经济技术指标。
酒钢7座高炉炼铁产生的瓦斯灰因除尘方式不同而分为4种：瓦斯泥、重力灰、布袋灰和环境灰。其中重力灰和环境灰中锌含量相对较低，全部配入烧结利用；但是布袋灰和瓦斯泥因锌含量相对较高，仅有少量配入烧结，其余大部分则通过磨矿-弱磁-强磁的工艺进行提取分离。
4.综合回收，提取有价元素
从以上几种方法的诸多弊端可以看出，综合回收，提取有价元素将是高炉瓦斯灰资源化利用的一项重要途径；而且该项途径符合国家提倡节能减排、循环经济的产业政策，对于促进经济效益增长方式转变具有重要意义。国内外学者主要利用以下两种方法对瓦斯灰中的有价元素进行综合回收。
4.1物理法：主要包括水力旋流分离法和磁选分离法。水力旋流分离法是根据所要分离对象的粒度分布进行分选的方法。石磊以及林宗虎等人均采用了水力旋流器对瓦斯灰进行了分选试验，得到了良好的提取效果。此种方法对于水力旋流器的选择以及操作条件有较高的要求。磁选分离法是根据所要分离对象磁性的不同进行分选的方法。涟钢技术中心钢铁研究站自2010年4月开始，对高炉瓦斯灰先后采取以下三种处理试验：直接配入烧结工序、选矿法综合回收以及直接制球加入炼钢转炉。通过优化分析，最终确定利用浮碳—磨矿—弱磁—强磁的方法回收瓦斯灰中的有价元素。该工艺技术成熟、投资小、污染少。
4.2化学法：又分为湿法和火法。湿法是指利用不同的浸取液（酸液或碱液）将有价元素从混合物中分离出来的方法。此种方法若采用酸作为浸取液，容易造成设备腐蚀；若采用碱作为浸取液，成本较高。火法是指在高温条件下利用焦炭将轻质碱金属氧化物还原为具有高挥发性的单价元素，冷凝即可得到富集矿。回转窑还原烟化富集技术属于火法的一种，利用其处理高炉瓦斯灰十分有效，可以使得金属锌、铟、锡、铋、镉等有用物质得以分离出来，金属富集比高，挥发率高，节能效果显著。但是回转窑的基建以及运行维护费用较高。利用转底炉来消化瓦斯灰并回收有价元素也是火法的一种，而且转底炉为封闭性系统，过程基本零排放；但在具体操作过程中仍存在技术上的缺陷。
综上所述，可以发现提取铁、锌、碳等有价元素是今后研究如何处理并利用高炉瓦斯灰的重要发展方向。考虑到瓦斯灰中铁含量最高，因此如何提取铁并使之得到高效合理的利用就是今后研究的重中之重。
本研究考虑以高炉瓦斯灰为主要原料从中提取铁和铝，以研制无机高分子混凝剂——聚合氯化铝铁（PAFC），并利用其优良的混凝性能处理城市污水。
三、无机高分子混凝剂的制备
高炉瓦斯灰中铁、铝含量的不同，经过粉磨过筛后，可以利用酸溶液作为浸取液提取高炉瓦斯灰中的铁、铝，从而得到铁盐、铝盐的混合溶液；进一步通过调节水的pH值，使得铁、铝分别发生水解聚合反应；最终制得无机高分子混凝剂聚合氯化铝铁。本研究制定如下试验方案：
1.因为影响高炉瓦斯灰中铁、铝溶出的因素很多，所以采用正交试验法确定最佳溶出条件；主要影响因素包括：瓦斯灰中铁、铝含量，所使用酸溶液的种类，酸溶液用量，反应时间，反应温度、搅拌时间以及搅拌速度等。
2.分别确定铁、铝的最佳溶出条件后，再次采用正交试验法确定最佳聚合条件。即根据铁、铝的不同水解特性分别控制各自发生水解聚合反应的条件；主要影响因素包括：水解聚合时间、水解聚合温度、pH值、搅拌时间以及搅拌速度等。
无机高分子混凝剂聚合氯化铝铁制备示意图
四、所得混凝剂在城市污水处理厂中的应用
根据上述试验方案制得的无机高分子混凝剂聚合氯化铝铁对废水具备一定的混凝效果，为了确定其混凝效果，首先配制不同种类的模拟废水（比如印染废水、纺织废水、化工废水等）；然后通过烧杯试验确定聚合氯化铝铁对不同种类的模拟废水的处理效果。为研究所得聚合氯化铝铁的混凝性能，通过正交试验法确定其对不同模拟废水的最佳处理条件；主要影响因素包括：模拟废水种类、模拟废水浓度、混凝剂投加量、pH值、反应时间、反应温度、搅拌速度以及搅拌时间等。
为进一步拓展所得聚合氯化铝铁的实际应用价值，可以利用其处理实际废水，例如应用在城市污水处理厂的一级处理工艺中。以某城市污水处理厂一沉池进水为试验水样，投加不同量的聚合氯化铝铁，通过烧杯试验研究混凝剂对水样COD、浊度、TP、TN、NH3-N等的去除效果，并确定混凝剂的最佳投药量以及最佳反应条件。
基于以上分析，利用高炉瓦斯灰中铁、铝回收制备无机高分子混凝剂，不仅能有效处理高炉瓦斯灰，为其综合利用探索一条新途径，而且可以达到以废治废的目的，实现固体废物的再资源化，更能产生良好的经济效益、社会效益和环境效益，符合循环经济、节能减排的国家政策。