赤泥资源化综合利用途径及可行性评析

赤泥是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的污染性固体废物，每生产1t氧化铝产生0.6～1.8t赤泥。赤泥作为氧化铝生产过程中的大宗固废，目前我国综合利用率不超过7%。2024年底，工业与信息化部等六部门联合发布了《赤泥综合利用行动方案》。去年以来，有关赤泥资源化利用的各种会议不断召开，对赤泥的资源化利用成为有色金属行业和社会各界关注的热点。

 

客观地讲，赤泥的利用存在很多难题，其主要瓶颈在于缺乏合适的资源化利用途径，处置成本难以控制，不能为投资者创造经济效益等。那么赤泥作为一种含有铁、铝、钛元素及微量稀土和稀散金属元素的二次资源，究竟应该如何利用呢？笔者从工业实践的角度出发，对目前国内已报道的赤泥资源化利用技术进行简要介绍与评析，以期对赤泥资源化利用产业的发展有所裨益。

一、赤泥的性质

1.赤泥的化学成分及矿物组成

 赤泥是铝土矿生产氧化铝过程所产生的强碱性一般工业固体废弃物，因铝土矿来源、生产工艺的不同，赤泥的化学和矿物组成存在差异。化学组成主要有Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂、CaO、Na₂O 及 TiO₂，此外还含有微量的稀散金属、稀土元素等。矿物组成主要有赤铁矿、针铁矿、石英石、钙霞石、铝酸三钙、锐钛矿、方解石等。

 

2. 物理性质

 赤泥因Fe₂O₃含量不同，外观呈红色、红褐色、暗红色或灰色。赤泥颗粒小，多孔，比表面积大，呈强碱性，浸出液pH12.1～13.0。

 目前，有价金属回收是赤泥综合利用的主流方法。此外可以赤泥为原料生产水泥、混凝土和路基材料，还有将其作为吸附材料用于土壤修复、烟气处理、污水处理等。

二、从赤泥中回收有价金属

1.赤泥中铁的回收

 目前，己报道的从赤泥中回收铁的方法有直接磁选法、磁化焙烧法磁选法、深度还原法磁选法、熔融法和酸法。

（1）直接磁选法

 赤泥中的赤铁矿和针铁矿磁性较弱，常规磁选方法很难有效回收。直接磁选法是采用高梯度强磁选工艺将赤泥中的铁直接选出，所用设备为立环脉动高梯度磁选机或超导高梯度磁选分离系统，结合脉动流动力和重力场等多种力场综合效应，实现弱磁性矿物和小磁性颗粒的有效分选。工业实践证明，直接磁选法铁回收率在18%~35%之间。所得铁精粉铁品位按TFe计35~45%。

 

 该法的优点是工艺简单，设备投资少，易操作。但存在较多的缺点，如铁选出率较低，所得铁精粉铁品位不高，同时还存在着铁精粉杂质较多等问题，以山东某企业所选铁精粉为例，氧化铝含量高达17.5%，以至于冶炼企业无法使用。由于应用受限，这种铁精粉无法得到市场认可，目前售价160~180/吨。此外，对选铁后剩余赤泥缺乏合理的利用途径，二次尾渣产生量大，污染环境。从资源化利用、环境影响和经济效益角度考虑，直接磁选法局限性较大。

（2） 磁化焙烧磁选法

 磁化焙烧是以煤或还原性气体为还原剂，将赤泥中的弱磁性的铁矿物（Fe₂O₃）还原为强磁性的铁矿物(Fe₃O₄)，再经磁选将赤泥中的铁回收。在优化工艺条件下铁回收率可达80%，所得铁精矿铁品位按TFe计60~65%。同时，赤泥中的铝、钛得到有效分离，被富集到磁选尾渣中。

 该法的优点是工艺简单，设备投资少，铁选出率高，所得铁精矿铁品位高。缺点是运行成本高，产品附加值较低。以TFe62%的铁精矿为例，目前售价约为750元/吨，每处理1吨含TFe38%的赤泥，还原率按90%，选出率按85%计，可收得铁精矿520kg，销售收入390元。

 

 每处理1吨赤泥的物资能源消耗量为：赤泥1000kg，不计价；还原煤410kg，单价900元/吨，金额369元；生石灰100kg，单价500元/吨，金额50元；电50Kwh，单价0.8元/Kwh，金额40元；水1m³，单价3元/m³，金额3元；折旧费25元；工资及福利10元；其它制造费用3元，总计500元。显然，由于铁精粉附加值较低，采用磁化焙烧磁选法工艺处理赤泥生产铁精粉难以获得经济效益。同时，对选铁后剩余赤泥的处理也是一个难题。从经济效益角度考虑，磁化焙烧磁选法处理赤泥回收铁精粉的工业化可行性不高。

（3）深度还原磁选法

 深度还原磁选法又称直接还原法，是在低于铁熔融温度的条件下把铁氧化物还原为金属铁。再采用磁选工艺将金属铁从赤泥中选出，所得选出物即海绵铁，标准名称炼钢用直接还原铁。在优化工艺条件下，铁还原率≥98%，选出率不低于90%，所得炼钢用直接还原铁TFe≥92%，符合YB/T 4170-2008 标准H92牌号要求。

 

 该法的优点是铁还原率、选出率高，资源化利用水平高，所得产品铁质量符合国家标准要求，附加值较高，以H92为例，目前售价在3000元/吨以上。同样以含TFe38%的赤泥为例，每处理一吨赤泥可产出炼钢用直接还原铁371kg，单价按3元/kg计，销售收入1113元。

 每处理1吨赤泥的物资能源消耗量为：赤泥1000kg，不计价；还原煤410kg，单价900元/吨，金额369元；生石灰100kg，单价500元/吨，金额50元；其他助剂100kg，单价1按1.2元/kg，金额120元；电55Kwh，单价0.8元/Kwh，金额44元；水1m³，单价3元/m³，金额3元；折旧费30元；工资及福利10元；其它制造费用5元，总计631元。每处理一吨赤泥可获利482元。由此可以看出，由赤泥生产炼钢用直接还原铁可以获得显著的经济效益。

 但是，该工艺和前述两种方法相比生产流程稍长，设备投资稍大，尤其是设备选型难度较大，在选用回转窑时，必须解决运转过程的结圈问题、测温与控温方式问题、气氛控制问题等。此外，该法也存在着选铁后剩余赤泥的处置问题。但从经济效益角度考虑，该工艺具有较高的工业可行性。

（4）熔炼法

 熔炼是指氧化铁在熔融状态下被还原的过程，熔炼法可以实现更高的铁回收率，此法主要用于高铁赤泥综合利用，所使用的窑炉通常为电弧炉。在优化工艺条件下，铁还原率可以达到98%以上，回收率可以达到97%以上，铁金属化率＞98%。所得产品质量符合YB/T 4170-2008 标准H92牌号以上要求。

 该工艺的优点是工艺成熟，流程短，操作简便，缺点是还原温度高，生产过程能耗高，不适宜处理中、低铁品位赤泥等。相比较于深度还原磁选法工艺，该法工业可行性不高。

（5）酸法

 酸法工艺指的是将赤泥用无机酸分解，使其中的铁转化为铁盐进入液相，经过滤收得酸浸出液。将酸浸出液净化收得纯净的铁盐溶液后用于生产铁化合物产品，所述铁化合物产品包括颜料氧化铁、电池用氧化铁、铁氧体氧化铁、电池用磷酸铁等。

 

 在酸浸过程赤泥中所含铝、钛也被浸出进入液相，在酸浸出液净化过程与铁分离分别制得偏钛酸和铝沉淀物。进一步处理偏钛酸制得钛白粉，处理铝沉淀物得铝化合物产品，所述铝化合物包括阻燃级氢氧化铝、冶金级氧化铝、冰晶石、氟化铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铝等。

 在优化工艺条件下，铁、铝、钛的浸出率分别为96%、93%和90%，收得率分别为98%、97%和98%。所得产品质量符合国家标准。

 本工艺的优点是铁、铝、钛三元素均得到利用，资源化利用水平高，产品附加值高，经济效益显著。缺点是工艺流程较长，设备投资稍大，同时有少量的二次废渣产生，而且受产品市场的限制，处理规模不宜过大。但从资源化利用水平和经济效益角度考虑，以该工艺处理赤泥是一个不错的选择，具有较高的工业可行性。

2.赤泥中铝的回收

 拜耳法赤泥的Al₂O₃含量一般为2.12%～33.10%，通常在20~25%之间。回收赤泥中Al₂O₃的方法包括酸法和碱法，酸法有盐酸、硫酸等直接浸出法，属于湿法冶金的范畴；碱法主要有碱化还原培烧法、亚熔融盐法及钙化-碳化法等，属于火法冶金范畴。这里所述酸法与前述酸法工艺相近，不再赘述，仅就火法工艺进行介绍。

（1）碱化还原烧结法

 碱化还原烧结法是生产Al₂O₃的一种方法，该法是将赤泥与碱、石灰、还原剂混合研磨后在高温下进行碱化还原焙烧，烧成料研磨后用水或碱溶液浸出，使氧化铝转化为铝酸钠进入液相，经分离收得铝酸钠溶液和分铝后残渣。处理铝酸钠溶液可以制得氢氧化铝、氧化铝、铝酸钠、硅铝酸钠、冰晶石、氟化铝等铝化合物产品。将分铝后残渣磁选收得铁精矿或炼钢用直接还原铁。在优化工艺条件下，铝浸出率在85%以上，铁回收率88%以上。

 该法的优点是可同步解决铝、铁的回收问题，资源化利用水平相对较高，产品附加值高，经济效益可观。缺点是工艺流程稍长，需要投资建设窑炉。从运行成本、经济效益、资源化利用角度考虑，此法是具有较好利用前景的赤泥资源化利用技术。

 

（2）钙化-碳化法

 钙化-碳化法中钙化转型和碳化分解是两个关键环节，工艺过程是对赤泥进行钙化转型，使其中的含硅矿物转化为水化石榴石（硅铝酸钙），再对水化石榴石进行碳化分解，使水化石榴石转化为氢氧化铝、碳酸钙和硅酸钙。用氢氧化钠溶液浸出碳化产物使铝转化为铝酸钠进入液相，再处理铝酸钠溶液制得Al₂O₃。在优化工艺条件下铝回收率在35~50%之间。

 该工艺的明显缺点是工艺流程长，铝回收率低，在钙化过程加入氧化钙，残渣产生量大。由于该法缺点较多，没有优势可言，因此不建议采用。

3. 赤泥中钛的回收

 钛在赤泥中主要以锐钛矿、钙钛矿等形式存在，一般含量为4%～12%，赤泥中钛的回收方法有火法和湿法两种。

 火法是先将赤泥进行碱化还原培烧，通过碱培烧、磁选、浸出除去赤泥中的Fe、Si、Al，得到富钛渣，将富钛渣用酸浸出得含钛溶液，处理含钛溶液得钛化合物。在优化工艺条件下钛回收率为70%。

 湿法是以无机酸为浸出剂将钛从赤泥中浸出，然后处理浸出液进行相关钛化合物制备。在优化工艺条件下钛浸出率80%左右，回收率98%（以浸出率为基数），所得产品为钛白粉，质量符合GB/T 1706-2006标准要求。

 

 火法工艺存在的缺点较多，一是需要投资建设窑炉，二是钛浸出率不高，资源化利用水平低，如果加上铁、硅、铝的资源化利用，则流程相应延长，因此，采用火法工艺处理赤泥仅生产钛化合物不是一个很好的产业化方向。湿法工艺流程较火法工艺相对较短，钛浸出率高于火法，所得产品符合国家标准，附加值较高，因此具有一定的推广价值。

4. 赤泥中稀土元素的回收

 赤泥除含有Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂、TiO₂和CaO等元素外，还含有La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu等稀土元素和V、Sc、Ni、Ga等稀散金属。

 目前，赤泥中稀土元素的回收有湿法（酸浸-萃取法）和火法（焙烧浸出-萃取法）两种。前者的原理是用酸直接浸出赤泥中的稀土元素，再使用离子交换或萃取的方法提取目标金属。该方法工艺流程简单，能有效回收稀土元素。但由于赤泥中稀土元素含量较低，浸出过程其它伴生的大量元素和稀散金属也将同步消耗无机酸，单纯的为提取稀土而去酸浸，酸耗量过高。后者的原理是将干扰杂质如铝、铁、钙、硅等通过碱化还原焙烧-浸出去除后得到稀土元素富集体，再进一步浸出富集体中的稀土，得到含稀土溶液。然后用离子交换或萃取的方法从溶液中提取稀土元素。以钪为例，在优化工艺条件下萃取率可以达到92~95%，经处理所得氧化钪纯度≥99%。

 

 从赤泥中分离稀土元素，由于赤泥中含量极微，因此必须结合着大量元素如铁、铝、钛的利用而进行分离。不对大量元素进行资源化利用，单纯地进行稀土分离和提取，从经济效益角度考虑是走不通的。以大量元素的分离、提取为基础，过程对稀土元素进行分离、提取，是由赤泥分离稀土的正确途径。

三、赤泥的整体利用技术

所述赤泥的整体利用主要指赤泥在建材、环保等领域的应用。

1.制备建筑结构材料

 赤泥可以用来生产建筑用砖、水泥、陶瓷及微晶玻璃等，还可以用作堤坝、路基等的填充材料。

 赤泥含有大量无定形的铝硅酸盐、CaCO₃及Al₂O₃等，具有优异的水硬活性，可作为水泥的黏合剂使用，在掺入量低于15%时，可以提高水泥的流动性、降低水泥熟料的烧成温度，节约生产成本。但拜耳法赤泥碱含量高，水泥行业用量较少，水泥行业利用的基本是烧结法赤泥。

 赤泥颗粒细，成型性好，添加成孔剂后材料内部可以形成气孔，起到保温效果。以赤泥与粉煤灰为原料生产免烧砖，抗压强度较好，在最佳工艺条件下，其抗压强度为18.5～19.2MPa。

 将赤泥用于建筑材料的制备，虽然对环境的污染程度较小，是对赤泥进行大宗量利用的重要途径，但是由于产品附加值低，尤其是作为堤坝、路基的填充材料，虽然能够大量的消纳赤泥，具有明显的社会效益和环境效益，但消纳过程难以创造经济效益，从经济效益角度考虑不是一项好的选择，同时还会造成赤泥中铁、铝、钛等有价资源的流失与浪费。

 

2. 用于环境修复

（1） 废气处理

 赤泥具有比表面积大、吸附性强、可溶性碱含量高、颗粒细微、多孔疏松、有效固硫成分含量高等特性，对废气有较强的吸附能力，因而可替代氢氧化铵、石灰石、石灰等对废气进行吸收处理。赤泥处理废气是利用赤泥中的可溶性碱与废气中的酸性成分发生化学反应，从而使废气中的酸性成份得到脱除。处理方法有干法和湿法两种，干法是赤泥在干燥状态下吸附废气，湿法是将废气通入赤泥浆液中进行反应。由于干法吸收率不高，处理过程赤泥粉末易飞扬、团聚，且堆场中的赤泥含有一定水分，无法直接投入干法工艺流程，需要先进行烘干，导致使用成本过高。目前，由赤泥处理废气主要采用湿法工艺。

 例如将赤泥用于尾气脱硫时，在赤泥浆液中通入SO₂，赤泥中的方钠石与二氧化硫反应生成可溶性钠盐，脱碱后赤泥中Na₂O残留量可降至低于1%。

 将拜耳法赤泥用于CO₂固化时，在赤泥浆液中通入CO₂，当反应时间达到330min，赤泥中CO₂含量达到饱和状态。

 

 以上所述废气处理过程仍然归属于赤泥脱碱过程，应用过程工作量巨大，不易操作，且处理后所产废渣为脱碱后赤泥，产生量大，仍然要考虑尾渣的后续处理问题，单纯从废气处理的角度考虑，赤泥对废气处理有一定的作用，但未必为简便、有效的办法，实际应用的可能性不大。

（2）废水处理

 赤泥孔隙率高，在水中化学性质稳定，可以被用来吸附水中污染物，达到以废治废的目的。例如，用直接焙烧和盐水焙烧对赤泥进行联合改性，改善赤泥对酸性废水的处理效果，改性后的赤泥对Mn²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Ni²⁺等重金属的吸附能力明显提高。也可以将赤泥作为吸附剂去除亚甲基蓝，活化赤泥对亚甲基蓝的去除效果良好。吸附试验发现，在pH=7.0时，活化赤泥吸附容量为274mg/g。

 

 废水处理主要是利用赤泥的化学活性和物理活性对废水中的有害物质进行吸附的过程，但是和将赤泥用于废气处理一样，应用过程工作量巨大，不易操作，且处理后废渣产生量大，仍然要考虑废渣的后续处理问题，处理不慎还有使赤泥由一般废物转变为危险废物的可能，从现象上看，赤泥对废水中的有害物质具有吸附作用，但对废水处理更合适、使用更简便、效果更好的其它处理剂很多，将赤泥应用于废水处理的实际应用价值不高。

（3）修复污染土壤

 赤泥具有高碱性，可作为酸性土壤的改良剂，使用过程能够提高土壤的固磷能力。在土壤中添加赤泥，土壤pH有所增加。向土壤中施加赤泥还可降低碳排放，减少养分流失。但是，由于赤泥中除含有较高的游离碱，还含有一定量的重金属离子，在用作土壤修复剂时一是需对赤泥中的有害元素作去除或络合处理，二是需要对赤泥做土壤化处理，不能直接用作土壤修复剂。赤泥在修复污染土壤方面的应用是有限的。

四、结论

 我国是氧化铝生产大国，赤泥堆存量和年产生量巨大。对赤泥进行资源化利用，虽然报道了一些工艺，但大部分存在技术缺陷，无法实际应用。纵观国内赤泥资源化利用技术，真正在应用过程能够创造显著的经济效益、社会效益和生态效益的，一是深度还原-磁选法分选炼钢用直接还原铁，并以分选尾渣生产氢氧化铝、氧化铝或聚合氯化铝，钛白粉及耕地复垦材料技术；二是采用湿法工艺对赤泥进行浸出生产氧化铁、磷酸铁、氢氧化铝、氧化铝或聚合氯化铝、钛白粉及耕地复垦材料技术；三是采用碱化还原培烧技术处理赤泥，生产炼钢用直接还原铁和氧化铝等，并以分选铁铝后尾渣制备耕地复垦材料技术。所述技术具有良好的实际应用前景和推广价值。