铝灰的资源化利用研究和无害化处理技术展望

1、引言铝灰的资源化综合利用可以使企业在获取经济效益的同时解决环保问题，承担社会责任，对企业来说是发展循环经济，一举两得的事业，企业应该积极谋划和发展固废的资源化综合利用，打造形成“政府支撑、研究机构研发、企业推广运用”的循环发展格局。2、铝灰的来源和简介铝灰是电解铝、铝加工和再生铝等铝工业生产过程中必然产生的有毒有害固体废弃物，一方面含有大量的金属铝及铝的化合物，具有较高的工业回收和再利用价值；另一方面还含有F-、Cl-、CN-等有害离子及Cr、Cd、Pb等重金属元素，处理不当不仅会污染土壤，还会随着重金属元素和有害离子迁移导致地下水污染，产生环境污染问题。铝灰根据其产生和处理工序的先后顺序分为一次铝灰和二次铝灰。一次铝灰是铝生产中产生的初级固体废料，二次铝灰是一次铝灰回收利用金属铝后剩下的固体残渣废料。铝灰资源化综合利用就是以一、二次铝灰为主要原料，从中提取有价成分，提炼铝、制备建材和药剂等工序，此举可以将铝灰“变废为宝”，在创造经济价值的同时减少环境污染，对我国实施全面节约战略，推进各类资源节约集约利用具有重要的现实意义。铝是活泼金属，在高温下和炉内氧气接触反应就产生了大量的铝灰。铝灰是一种固体废渣，分为一次铝灰和二次铝灰。二次铝灰成分非常复杂，主要化学组成为Al、Al2O3，另外含有少量Na、Mg、Ca和Si等物质，同时还含有少量氟化物和氯化物，甚至盐溶剂。主要物相为金属铝、氧化铝、氮化铝以及镁铝尖晶石，其中氮化铝含量10 %~40 %、氧化铝15 %~30 %、单质铝5 %~20 %。一次铝灰中铝含量较高，大概在15 %~75 %左右，具备回收金属铝、制备氧化铝及其它铝化学品的物质条件，具有较高利用价值，因此受到铝企业的重视并且基本得到回收利用。目前对一次铝灰的资源化利用主要是用于提取金属铝、生产氧化铝、硫酸铝、六氟铝酸钠等，少部分被用于生产耐材、陶瓷。二次铝灰作为一次铝灰提取金属铝后的废渣，铝含量比较低，通常在5 %~20 %之间，同时在生产过程中各类熔剂的添加使其还含有氟化物，氯化物等有毒有害物质，一般呈现出灰黑色。其中所含的氮化铝遇水或受潮湿环境的影响容易发生水解反应，释放出氨气和大量热量，对环境造成污染同时存在安全隐患。3、铝灰的资源化技术与利用3.1、回收金属铝从铝灰中回收金属铝的方法很多，大体可以分为热处理回收法和冷处理回收法，上述方法金属铝的回收率可达70%以上。金属铝的热回收工艺主要针对的是一次铝灰，主要有炒灰回收法、回转窑处理法、压榨回收法、等离子体电弧法等；冷处理回收法主要针对的是二次铝灰，即对铝灰浆化之前采用的预处理工艺回收部分金属铝粒，后续再采取酸洗或者碱洗的方式制备其他附加产品；冷处理回收法一般采用重选法、球磨筛分法、离心法等物理手段进行分离。3.2、利用铝灰合成工艺材料利用铝灰合成工艺材料，一般针对的是二次铝灰，利用铝灰中氧化铝含量比较高的特点，合成棕刚玉、钢铁脱硫剂、耐火材料等产品；棕刚玉制备以铝灰为原料，再添加无烟煤、铁屑等成分，熔炼制备氧化铝类产品；钢铁脱硫将铝灰和石灰按照约1∶1质量比例经锤式破碎机加工后用混合机械混合、制粒，再经过回转炉或电弧焊高温熔化烧结，经过急速冷凝和破碎筛分即可得到精炼剂产品，但同样存在着铝灰掺入比例较小(50%左右)，无法满足长期稳定生产的要求；耐火材料在制备过程中，铝灰代替部分烧结原料，最终产品性能满足国家相关要求，但铝灰中含有的盐类对氧化性产生影响，耐火材料抗氧性较差。3.3、利用铝灰制取工艺材料利用铝灰制取工艺材料，一般是针对的是二次铝灰，一般通过加入稀酸、碱、水等方式，处理二次铝灰；制备的产品包括硫酸铝、碱式氯化铝、聚合氯化铝等净水剂、氧化铝溶胶、人造沸石等；硫酸铝制备主要是将二次铝灰与硫酸反应制备得到；碱式氯化铝、聚合氯化铝是将二次铝灰与盐酸、烧碱等反应制备得到；硫酸铝可用于生产中去除杂质、除菌等，碱式氯化铝是常用的一种净水剂，聚合氯化铝是目前使用较为广泛的一种絮凝剂；氧化铝凝胶制备是将铝灰用盐酸浸泡过，搅拌沉淀过滤后，在过滤后的铝灰中添加氨水、助剂后得到氧化铝溶胶；人工沸石的制备是将铝渣与磷酸溶液、三乙胺搅拌混合，均匀之后会出现凝胶，最后在高压釜中得到成品，是一种较为理想的净化材料。3.4、等离子体速熔法该方法是在熔融炉内熔炼铝灰，靠等离子喷嘴产生的风流，向倾动炉内充入适当的CO2、CH4或H2，加上等离子体与铝灰接触，在温度升高至950 ℃左右时，铝块表面的氧化膜开始破裂，铝液流出。该方法的回收率可达90%以上。在操作过程中，需加入氧化钙作为造渣剂，后续可得到铝酸钙和金属铝两种产品。该法具有铝回收率高，又不需要添加盐熔剂的优点，同时得到的副产品铝酸钙还可作为商品出售。但该工艺需要消耗甲烷，氢气等气体，对设备也有较高要求，因此处理成本较高。3.5、ALUREC(Aluminium Recycling)法ALUREC法是瑞典AGAAB(AGA AB Gas Technology Group)气体工艺集团公司与德国霍哥文斯铝业公司共同开发的一种对铝灰进行回收利用的新工艺，此方法采用氧气燃料喷嘴加热可倾斜式回转炉的方式加热，以热传导和热辐射的形式在短时间内把填料加热到1000℃，铝液在炉底沉积，杂质则留在上部。此方法铝回收率高，热能利用率高，操作环境好，且不用向废渣中加盐，也不需要处理回收后的含盐废料，是一种比较优良的处理二次铝灰的新方法。4、铝灰无害化处理技术展望4.1、火法处理工艺铝灰经过球磨和筛分，由于金属铝具有比较好的延展性，在球磨过程中几何尺寸加大，被筛网拦截成为筛上物料；化合态的铝灰被破碎成微粒子穿过筛网成为筛下物，达到将金属铝粉和铝灰分离的目的；将筛分得到的铝粉加入熔铝炉中进行重熔铸锭，产生铝锭，回收金属铝；滚筒筛筛下物料进入到湿法处理工艺；其处理思路如图1所示。

图1 火法处理工艺流程图4.2、湿法处理工艺筛下物料在碱性水体中使金属铝粉，氮化铝水解，水解产生的溶液，经过压滤等操作后，实现氢氧化铝与溶液的分离，得到高铝料；溶液进入后续设备进行苛化和固氟处理；经过固氟处理的溶液进入到蒸发系统，回收盐；苛化溶液返回至系统中，循环利用；固氟、苛化后产生氟化钙污泥、轻质碳酸钙，装袋外售；其处理思路如图2所示。铝灰无害化处理技术，金属铝锭可外售用于生产铝合金制品，高铝料可外售用于生产陶瓷、耐火材料，氨水可外售用于生产农用化肥、脱硝剂、化工原料，轻质碳酸钙可外售用于生产涂料、橡胶、塑料等，混盐可外售作为炼铝精炼剂售，氟化钙污泥可外售作为水泥厂矿化剂或陶瓷釉料的原料，这样对铝灰实现了无害化处理，保障生产过程中的安全。

图2 铝灰无害化处理技术流程图5、结束语铝灰的处理方法主要分为无害化和资源化，无害化工艺即通过酸浸、碱浸、水洗等方式除去铝灰中的有害物质，再进行填埋等后续处理；而资源化工艺则是在脱除有害物质之后，经过一些技术手段制备合成其他产品，有效地节约了资源和成本。