留学学习工作总结
重庆大学材料科学与工程学院 王谦
我原在重庆大学工作,从事炼钢及相关资源综合利用方面的科研及教学工作。于2001年5月25日，受国家留学基金委派遣，到加拿大多伦多大学化工及应用化学系作高级访问学者，在著名环保理论及应用技术专家 Donald W. Kirk 教授指导下从事“冶金固体废弃物综合利用”方面的研究工作。重点针对目前发达国家在采用还原法处理电炉炉尘中遇到的能耗高、二次污染突出等问题，从理论分析和实验研究两方面着手，探寻新的工艺途径。经过半年的努力，取得了较好的结果，采取与传统“还原法”相反的“氧化法”，利用钢铁生产中的其他废弃物与电炉炉尘在氧化条件下反应，排除其中的Zn,Pb,Cd 等有害元素。其中含Zn 化合物可作商品出售或直接用作生产金属Zn 的原料，经处理后的炉尘达到美国环保局排放标准，可用于填埋或铺筑路基，也可用作炼铁，炼钢的原材料。从实验室初步结果来看，我们所研究的“氧化法”具有反应温度低，气体排放量少的技术优势，为其进一步工业化应用打下了良好基础。
通过半年来的工作，我得到如下体会：
1. 如何保证访问研究工作的顺利进行
首先，选择一个合适的科研组和导师对顺利进行短期访问研究非常重要。 因我的访问研究时间只有半年，在这很短的时间内要一切都从头开始去完成一个项目不太可能，因此，寻找既有基础又有发展前途的项目尤为必要。在来加拿大前，我就通过有关人员介绍和电子邮件等方式与导师进行联系，了解他们的技术实力。其中，他们在处理城市固体废弃物和冶金废弃物方面的研究与我原来国内的专业基础接近，也正是我们寻求的新的增长点之一。特别是他们从八十年代初就开始环保方面的研究，对该领域现状和发展动向把握全面，有较完善的研究手段(包括硬件设备和相关计算机软件)，积累了大量的研究数据，这些条件非常有助于加快我的研究工作进度。同时，我在钢铁冶金方面的已有知识，也进一步明确了所选课题的研究目标。因此，通过彼此间优势的结合，增强了研究项目成功的可能性。 另外，制定出明确的进度计划为完成研究任务提供了重要保障。
由于访问学者是政府所派这一特殊身份，我的导师一般都不分派强制性任务。工作日程完全由自己安排，为避免自己对新环境情况不了解给工作带来不便，完成资料调研后，就写出详细的研究计划报告，与导师和科研组人员讨论，听取他们的建
议，便于及早联系和安排那些需要与他人协作和委托其他部门进行的内容。这样可充分利用他们已有的相关研究成果和经验，少走弯路，一方面可保证研究工作按进度计划进行，另一方面可省出时间进行其他相关知识的学习。
2. 多伦多大学在科学研究及管理方面的可取之处
(1) 一般每个教授都有自己具有特色的研究方向，这样在很大程度上可避免学校内部教师之间对研究项目和成果的争夺及抄袭引起的内耗，有利于维护一个宽松、开放的学术氛围。同时研究队伍的稳定有利于创新。
(2) 对基础和应用基础研究非常重视。许多硕士、博士生的研究课题及学位论文，都有系统的基础研究部份，尽可能多地使用先进的仪器设备，数据丰富，对研究成果向应用层的转化和新的学科方向的形成奠定了良好的基础。
(3) 学术气氛活跃，学术交流频繁。许多科研课题组每周均要进行一次组内报告，有利于提高学生的表达能力和促进其协作精神；院系学术委员会定期对研究生的工作进行检查，听取其学术报告，对其研究工作给出建议；博士生毕业答辨分为两次，分别在系和学校进行；接近毕业的学生大多有机会参加国内和国际性会议；一些学术团体针对硕士、博士研究生设有专门的研究课题和奖学金。所有这些措施，有力地保证了他们在人力较少的条件下也能维持较高的学术水平。
(4) 图书馆及大型设备等基础设施开放程度很高。图书馆及其网络对所有教师和学生均平等开放，藏书丰富,(例如，多伦多大学一个图书馆的分馆中几乎全部收藏了中国各个县的县言志, ) 这样，学生有机会接触到不同的学术观点和最新的知识；同时，研究生只要经过短期培训，均可在自己的论文研究中操作使用一些先进的大型设备。这样，使得学生学术思想活跃，知识结构更加贴近社会发展步伐，创造能力较强。
(5) 除政府对科研有较大力度的投资外，学校在科研经费的管理方面明确研究经费不能用于教师个人福利的规定，为科研工作提供了有力的资金保障。
学 术 报 告 要 点
报告名称：用氯化法去除电炉炉尘中有害元素的研究
报告要点：
1. 进行电炉炉尘处理的原因
在北美地区，电炉钢产量已占每年钢总产量的40∼50%。由于电炉大量使用含锌、铅等有色金属镀层的废钢，冶炼高温使这些金属挥发，以氧化物等形式进入炉尘，使得炉尘中锌含量高达10∼25%，铅含量达到2∼5%，此外还含有大量镉、铜、铬等元素。平均每生产一吨电炉钢,产生炉尘10∼20Kg。2000年北美产生这类炉尘约80万吨。由于炉尘中含有大量有色金属元素，极易降低和恶化钢质，缩短耐材寿命，因此无法直接在钢铁生产中返回利用。以前北美的钢厂通常将其倾倒在垃圾填埋场。但1996年后，美国和加拿大环保局正式立法，将电炉炉尘界定为有害物质，未经处理不能作填埋处置。
2. 处理电炉炉尘的已有方法及特点
为了给电炉炉尘寻找安置处所，工业发达国家展开了大量研究。除冶金
行业本身积极应对之外，环保和化工、建筑行业也加入该研究大军，在美国和加拿大，政府还设立了专门的资助项目。所有这些研究内容，概括起来包括：
(1)电炉炉尘组成及特性；
(2)电炉炉尘的危害及其行为途径；
(3)电炉炉尘的处置方法(包括有害元素的去除及综合利用方法)。
其中，重点放在研究其处置方法方面，到目前，已有的处置方法主要有：
(1)湿法冶金：使用酸或硷将炉尘中的锌、铅浸出，再经过一系列的工艺将其分离。该方法虽然成本较低，但只能浸出以ZnO、PbO形态存在的元素，不能从ZnFe2O4等铁酸盐中浸出Zn，并且反应过程中炉尘中金属铁损失较大，由于Zn 在炉尘中大部份以铁酸盐形式存在。因此，该方法效率极低，仅在研究初期进行实验室和小规模的工厂试验，现在已无人使用。
(2)火法冶金--还原法：
由于湿法处理的局限性，人们转向火法冶金。日本、英国、美国、加拿大、南非等国，均研究了以炭作还原剂的还原处理方法。利用高温下炭与锌的化合物反应，生成金属锌，由于锌沸点低，在高温下挥发与炉尘分离，在温度较低的区域再氧化为ZnO，通过布袋等方式收集。从理论上讲该ZnO 可作为商品出售或作为冶炼锌的原料使用，而被还原的炉尘，特别是其中的氧化铁转化为金属铁，可作为电炉原料。目前最常用的方法有回转窑法、高炉化竖炉、等离子炉法等，它们的反应温度高，均在1300或1400°C 以上。高炉化竖炉、等离子炉法由于设备复杂，操作问题多，经过多年试验仍未转入工业化应用，仅回转窑法投入工业化生产，但生产成本较高，每吨炉尘的处理费约150∼200美元，由于炉尘组成复杂，挥发产物中Zn 品位较低，并未达到商品级纯度，其综合利用效果并不理想，且燃气中的S、CO、CO2气体造成二次污染，需要作进一步处理。并且新建一条生产线须投资800∼1000万美元。只是迫于环保压力，钢厂必须对其处理。目前，加拿大的Dofasco, Stelco 等钢铁公司(其钢产量约500万吨/年)均不愿建立生产线，而宁可支付昂贵的处理费将炉尘运往美国集中处理。
除还原法外，近两年多伦多大学化工系开始研究氯化法，用氯化剂在高温下与锌、铅等元素的化合物反应，产生氯化物，利用氯化物在不同温度下蒸气压差别较大的特点进行分离(包括有害元素与炉尘的分离和反应产物自身的分离)，由于该研究组在处理城市垃圾焚烧灰烬中长期积累的经验，在对用氯化法处理电炉炉尘的机理研究方面很快就取得了突破，使用氯气时，Zn、Pb脱除率在97%以上。但由于担心氯气泄漏危害严重，因此该方法在向生产试验推进时受到阻碍。我此次访问研究的目的，就是在多大已有工作的基础上，寻求合适的氯化剂，研究其反应机理、反应条件和控制参数及其反应效果，为下一步生产试验创造条件。
3. 本项目主要研究内容
(1) 热力学计算
通过使用一套处理热力学焓、火商、自由能及多相复杂体系平衡问题的计算机软件，从理论上论证了使用含氯化铁的酸洗废料处理电炉炉尘的可能性。特别是在反应气氛的选择、炉料硷度的控制方面，获得了比以往研究更易操作和更具有指导意义的结果。
(2) 影响电炉炉尘脱锌效果的因素分析
通过采用多因素统计设计，采用加热处理的方法及等离子耦合谱线分析等手段，研究了温度、氯化剂含量、物料硷度、反应载气流量、反应时间等参数对脱除电炉炉尘中有害元素的作用效果。
(3) 在单因素条件下研究了外加石灰对反应特性的影响
4. 主要研究结果
经过对30多种物质共存的气固液体系的热力学解析和近500个试样的测试分析，从理论和实验两方面证明了含氯化剂的钢铁生产废料可用于处理电炉炉尘，并得到以下结果：
(1)在氧化条件下，含氯废料能分离电炉炉尘中的Zn、Pb、Cd、Cu有害元素，脱锌率达97.5%，脱铅率达99.47%，处理效果优于还原法；
(2)温度是影响处理效果的主要因素，对CaO 含量较低的炉尘，要达到95%以上脱锌率所须温度约800∼900°C，对CaO 含量高达20%左右的电炉炉尘，则大约为1000°C；
(3)氯化剂的用量主要取决于炉尘中待去除元素的含量，氯与待去除元素重量之比可控制在2∼2.5。
留学学习工作总结
重庆大学材料科学与工程学院 王谦
我原在重庆大学工作,从事炼钢及相关资源综合利用方面的科研及教学工作。于2001年5月25日，受国家留学基金委派遣，到加拿大多伦多大学化工及应用化学系作高级访问学者，在著名环保理论及应用技术专家 Donald W. Kirk 教授指导下从事“冶金固体废弃物综合利用”方面的研究工作。重点针对目前发达国家在采用还原法处理电炉炉尘中遇到的能耗高、二次污染突出等问题，从理论分析和实验研究两方面着手，探寻新的工艺途径。经过半年的努力，取得了较好的结果，采取与传统“还原法”相反的“氧化法”，利用钢铁生产中的其他废弃物与电炉炉尘在氧化条件下反应，排除其中的Zn,Pb,Cd 等有害元素。其中含Zn 化合物可作商品出售或直接用作生产金属Zn 的原料，经处理后的炉尘达到美国环保局排放标准，可用于填埋或铺筑路基，也可用作炼铁，炼钢的原材料。从实验室初步结果来看，我们所研究的“氧化法”具有反应温度低，气体排放量少的技术优势，为其进一步工业化应用打下了良好基础。
通过半年来的工作，我得到如下体会：
1. 如何保证访问研究工作的顺利进行
首先，选择一个合适的科研组和导师对顺利进行短期访问研究非常重要。 因我的访问研究时间只有半年，在这很短的时间内要一切都从头开始去完成一个项目不太可能，因此，寻找既有基础又有发展前途的项目尤为必要。在来加拿大前，我就通过有关人员介绍和电子邮件等方式与导师进行联系，了解他们的技术实力。其中，他们在处理城市固体废弃物和冶金废弃物方面的研究与我原来国内的专业基础接近，也正是我们寻求的新的增长点之一。特别是他们从八十年代初就开始环保方面的研究，对该领域现状和发展动向把握全面，有较完善的研究手段(包括硬件设备和相关计算机软件)，积累了大量的研究数据，这些条件非常有助于加快我的研究工作进度。同时，我在钢铁冶金方面的已有知识，也进一步明确了所选课题的研究目标。因此，通过彼此间优势的结合，增强了研究项目成功的可能性。 另外，制定出明确的进度计划为完成研究任务提供了重要保障。
由于访问学者是政府所派这一特殊身份，我的导师一般都不分派强制性任务。工作日程完全由自己安排，为避免自己对新环境情况不了解给工作带来不便，完成资料调研后，就写出详细的研究计划报告，与导师和科研组人员讨论，听取他们的建
议，便于及早联系和安排那些需要与他人协作和委托其他部门进行的内容。这样可充分利用他们已有的相关研究成果和经验，少走弯路，一方面可保证研究工作按进度计划进行，另一方面可省出时间进行其他相关知识的学习。
2. 多伦多大学在科学研究及管理方面的可取之处
(1) 一般每个教授都有自己具有特色的研究方向，这样在很大程度上可避免学校内部教师之间对研究项目和成果的争夺及抄袭引起的内耗，有利于维护一个宽松、开放的学术氛围。同时研究队伍的稳定有利于创新。
(2) 对基础和应用基础研究非常重视。许多硕士、博士生的研究课题及学位论文，都有系统的基础研究部份，尽可能多地使用先进的仪器设备，数据丰富，对研究成果向应用层的转化和新的学科方向的形成奠定了良好的基础。
(3) 学术气氛活跃，学术交流频繁。许多科研课题组每周均要进行一次组内报告，有利于提高学生的表达能力和促进其协作精神；院系学术委员会定期对研究生的工作进行检查，听取其学术报告，对其研究工作给出建议；博士生毕业答辨分为两次，分别在系和学校进行；接近毕业的学生大多有机会参加国内和国际性会议；一些学术团体针对硕士、博士研究生设有专门的研究课题和奖学金。所有这些措施，有力地保证了他们在人力较少的条件下也能维持较高的学术水平。
(4) 图书馆及大型设备等基础设施开放程度很高。图书馆及其网络对所有教师和学生均平等开放，藏书丰富,(例如，多伦多大学一个图书馆的分馆中几乎全部收藏了中国各个县的县言志, ) 这样，学生有机会接触到不同的学术观点和最新的知识；同时，研究生只要经过短期培训，均可在自己的论文研究中操作使用一些先进的大型设备。这样，使得学生学术思想活跃，知识结构更加贴近社会发展步伐，创造能力较强。
(5) 除政府对科研有较大力度的投资外，学校在科研经费的管理方面明确研究经费不能用于教师个人福利的规定，为科研工作提供了有力的资金保障。
学 术 报 告 要 点
报告名称：用氯化法去除电炉炉尘中有害元素的研究
报告要点：
1. 进行电炉炉尘处理的原因
在北美地区，电炉钢产量已占每年钢总产量的40∼50%。由于电炉大量使用含锌、铅等有色金属镀层的废钢，冶炼高温使这些金属挥发，以氧化物等形式进入炉尘，使得炉尘中锌含量高达10∼25%，铅含量达到2∼5%，此外还含有大量镉、铜、铬等元素。平均每生产一吨电炉钢,产生炉尘10∼20Kg。2000年北美产生这类炉尘约80万吨。由于炉尘中含有大量有色金属元素，极易降低和恶化钢质，缩短耐材寿命，因此无法直接在钢铁生产中返回利用。以前北美的钢厂通常将其倾倒在垃圾填埋场。但1996年后，美国和加拿大环保局正式立法，将电炉炉尘界定为有害物质，未经处理不能作填埋处置。
2. 处理电炉炉尘的已有方法及特点
为了给电炉炉尘寻找安置处所，工业发达国家展开了大量研究。除冶金
行业本身积极应对之外，环保和化工、建筑行业也加入该研究大军，在美国和加拿大，政府还设立了专门的资助项目。所有这些研究内容，概括起来包括：
(1)电炉炉尘组成及特性；
(2)电炉炉尘的危害及其行为途径；
(3)电炉炉尘的处置方法(包括有害元素的去除及综合利用方法)。
其中，重点放在研究其处置方法方面，到目前，已有的处置方法主要有：
(1)湿法冶金：使用酸或硷将炉尘中的锌、铅浸出，再经过一系列的工艺将其分离。该方法虽然成本较低，但只能浸出以ZnO、PbO形态存在的元素，不能从ZnFe2O4等铁酸盐中浸出Zn，并且反应过程中炉尘中金属铁损失较大，由于Zn 在炉尘中大部份以铁酸盐形式存在。因此，该方法效率极低，仅在研究初期进行实验室和小规模的工厂试验，现在已无人使用。
(2)火法冶金--还原法：
由于湿法处理的局限性，人们转向火法冶金。日本、英国、美国、加拿大、南非等国，均研究了以炭作还原剂的还原处理方法。利用高温下炭与锌的化合物反应，生成金属锌，由于锌沸点低，在高温下挥发与炉尘分离，在温度较低的区域再氧化为ZnO，通过布袋等方式收集。从理论上讲该ZnO 可作为商品出售或作为冶炼锌的原料使用，而被还原的炉尘，特别是其中的氧化铁转化为金属铁，可作为电炉原料。目前最常用的方法有回转窑法、高炉化竖炉、等离子炉法等，它们的反应温度高，均在1300或1400°C 以上。高炉化竖炉、等离子炉法由于设备复杂，操作问题多，经过多年试验仍未转入工业化应用，仅回转窑法投入工业化生产，但生产成本较高，每吨炉尘的处理费约150∼200美元，由于炉尘组成复杂，挥发产物中Zn 品位较低，并未达到商品级纯度，其综合利用效果并不理想，且燃气中的S、CO、CO2气体造成二次污染，需要作进一步处理。并且新建一条生产线须投资800∼1000万美元。只是迫于环保压力，钢厂必须对其处理。目前，加拿大的Dofasco, Stelco 等钢铁公司(其钢产量约500万吨/年)均不愿建立生产线，而宁可支付昂贵的处理费将炉尘运往美国集中处理。
除还原法外，近两年多伦多大学化工系开始研究氯化法，用氯化剂在高温下与锌、铅等元素的化合物反应，产生氯化物，利用氯化物在不同温度下蒸气压差别较大的特点进行分离(包括有害元素与炉尘的分离和反应产物自身的分离)，由于该研究组在处理城市垃圾焚烧灰烬中长期积累的经验，在对用氯化法处理电炉炉尘的机理研究方面很快就取得了突破，使用氯气时，Zn、Pb脱除率在97%以上。但由于担心氯气泄漏危害严重，因此该方法在向生产试验推进时受到阻碍。我此次访问研究的目的，就是在多大已有工作的基础上，寻求合适的氯化剂，研究其反应机理、反应条件和控制参数及其反应效果，为下一步生产试验创造条件。
3. 本项目主要研究内容
(1) 热力学计算
通过使用一套处理热力学焓、火商、自由能及多相复杂体系平衡问题的计算机软件，从理论上论证了使用含氯化铁的酸洗废料处理电炉炉尘的可能性。特别是在反应气氛的选择、炉料硷度的控制方面，获得了比以往研究更易操作和更具有指导意义的结果。
(2) 影响电炉炉尘脱锌效果的因素分析
通过采用多因素统计设计，采用加热处理的方法及等离子耦合谱线分析等手段，研究了温度、氯化剂含量、物料硷度、反应载气流量、反应时间等参数对脱除电炉炉尘中有害元素的作用效果。
(3) 在单因素条件下研究了外加石灰对反应特性的影响
4. 主要研究结果
经过对30多种物质共存的气固液体系的热力学解析和近500个试样的测试分析，从理论和实验两方面证明了含氯化剂的钢铁生产废料可用于处理电炉炉尘，并得到以下结果：
(1)在氧化条件下，含氯废料能分离电炉炉尘中的Zn、Pb、Cd、Cu有害元素，脱锌率达97.5%，脱铅率达99.47%，处理效果优于还原法；
(2)温度是影响处理效果的主要因素，对CaO 含量较低的炉尘，要达到95%以上脱锌率所须温度约800∼900°C，对CaO 含量高达20%左右的电炉炉尘，则大约为1000°C；
(3)氯化剂的用量主要取决于炉尘中待去除元素的含量，氯与待去除元素重量之比可控制在2∼2.5。