浅析铝灰资源化利用处理处置工艺技术

蔡海立

（东莞市新东欣环保投资有限公司，广东 东莞 523000）

1 背景

铝灰是铝工业生产过程中产生的废弃物，根据处理处置程度不同将铝灰分为一次铝灰和二次铝灰[1]。一次铝灰主要为电解铝工段和再生铝熔融工段中直接产出的铝灰，体现为熔融工段直接排出的铝渣[1]和电解氧化铝工段产生的浮渣[2]，未提取金属铝，主要成分为金属铝、氟化盐、氧化铝和氮化铝等物质[3]，有较高的金属铝回收利用价值；二次铝灰为一次铝灰熔融提取金属铝后的废弃物或铝精炼过程产生的含铝废渣，所含金属铝含量相比一次铝灰显著降低，总铝含量按氧化铝计一般在65%左右。

铝灰中各化学组成成分对环境和人体健康造成危害。铝灰遇水或潮湿空气，所含氮化铝极易发生水解反应，生成刺激性气味的氨气，对空气造成污染[4]。所含金属铝遇水反应生成氢气，碳化铝遇水反应生成甲烷，氢气和甲烷均具有燃烧爆炸的风险。铝灰中含有较高的碱金属氧化物，并含有氟化物、氯化物等，长期堆积将污染土壤和地下水，严重影响生态环境及人民健康安全[5]。因具有明显的毒性（T）和反应性（R），2020 年11 月25 日，生态环境部发布了《国家危险废物名录（2021 年版）》，正式将再生铝和铝材加工过程中及铝回收过程产生的二次铝灰列入了危废名录中，即在《国家危险废物名录（2016 年版）》将一次铝灰列入危废名录的基础之上，再次将二次铝灰列为危废。

据统计，我国电解铝行业生产规模约4 770 万t[6]，铝材产量已超4 000 万t[7]，据数据显示，铝冶炼、铝材加工及废杂铝再生过程每生产1 t 金属铝将分别产生30 kg～50 kg、30 kg～40 kg 和150 kg～250 kg 铝灰[2]，目前，我国年铝灰产出量已超过300 万t[1]。同时，由于电解铝行业对电能的巨大依赖和其高能耗的客观情况，将再生铝产业作为主导产业逐步占据更大市场份额将更加有利于铝业市场的健康稳定和长期发展，这也将造成铝灰的产量持续增大。

目前大部分铝灰是作为危险固体废物以传统处置方式填埋或者露天堆放于生态环境中，不仅造成了铝资源和土地资源浪费，更是对环境和人体健康带来较大威胁。同时，此次《国家危险废物名录（2021 年版）》的发布对整个铝行业产生了较大影响，铝加工企业面临的环保问题更加突出，企业面临环保与经济负担更加沉重。因此，对铝灰进行有效的无害化处理及资源化利用十分迫切且意义重大。

2 铝灰资源化处理处置工艺现状

对铝灰进行资源化处理处置，其实质是通过物理化学方法将铝灰中含有的金属铝进一步提取熔铸，并对铝灰中高含量的氧化铝进行进一步精炼、提纯达到产品标准或进一步制备耐火材料、建筑材料、聚合氯化铝等相关产品[8]，并在此过程中对铝灰进行无害化，即脱除或分解其中所含氮化铝、金属铝、碳化铝，消除其反应性，从根本上解决铝灰潮解所释放氨气、氢气、甲烷对环境和安全所造成的影响，同时，脱除固化所含的氟化物、固化重金属，进而消除由氟化物和重金属对土壤、地表水及地下水的污染。

目前铝灰资源化利用技术主要分为火法工艺和湿法工艺两种方式[3]。火法工艺是将铝灰中的金属铝加热熔化，利用金属铝液与灰的不润湿性及密度差，实现金属铝的提取[8]。目前，火法工艺已有较多应用，但采用火法工艺处置铝灰，氮化铝、碳化铝等去除率低，且无法去除盐类，难以从根本上达到无害化的目的，同时，火法工艺存在生产环境差、烟气处理相对困难、燃料消耗高的问题，在可靠性、环保性、经济性等方面存在一定的不足[9]，湿法工艺逐渐受到企业青睐。

3 铝灰湿法处置工艺技术应用进展

当前，被人所熟知的铝灰脱氮技术是水浸法，该法是通过对铝灰进行水浸，使所含氮化铝水解生成氢氧化铝和氨气，并进一步将氨气吸收制取氨水或制备铵盐。虽可以在一定程度达到脱氮效果，但在氮化铝水解过程中反应生成的氢氧化铝胶体会对氮化铝微粒形成包裹，阻止或减缓水与氮化铝之间反应的进行，使脱氮效果受到限制，相关研究[10]表明单纯水解脱氮工艺脱氮率仅为30%～40%。同时，在吸收氨气制备氨水的工艺过程中，由于氨气的易挥发性及吸收率等因素影响，存在尾气难以达标排放、所得氨水浓度达不到产品标准等问题，在回收铵盐时，又存在着所得铵盐溶液浓度低、蒸发结晶成本较高等不足。徐林炜等[11]研究发现，升高反应温度或减小粒径可以加快氮化铝水解反应。在高温条件下进行，氢氧化铝胶体包裹问题仍存在，且能耗较高，若缺少对水解液中氟、氯元素进行分离提取的可靠方法，所产生的废水会对环境造成二次污染。

电解铝工艺中熔融冰晶石作为溶剂是不可或缺的生产原料，使得电解铝工段产生的铝灰中含有一定量的NaF、CaF2及Na3AlF6等氟化物。目前，对铝灰中氟化物、氯化物的处理方式基本为水洗法，因反应体系均是水溶液，铝灰脱氯可以和脱氮同步进行。研究[12]显示，铝灰中氟和氯等有害元素在水溶液中的浸出率较高，无害化处置效果较好，且滤液中的氟盐、氯盐可进一步资源化回收。但是回收氯盐需对脱氯废水进行蒸发结晶，存在工艺流程长、设备投资相对较大、处理过程能耗较高诸多问题。

4 结论与展望

为解决湿法处置工艺所存在的脱氮效率低、脱氟效果不稳定、脱氯流程长、氨气回收不彻底、尾气难以达标排放、设备投资大、运行成本高等问题，强化脱氮、固化脱氟的湿法处置改进工艺迫切被进一步研究应用。

一是通过采用多级磨选等金属铝分离技术，在铝灰预处理阶段最大限度地提升铝灰中金属铝提取率，降低进入湿法工艺的铝灰中的金属铝含量，进而减少残余金属铝水解过程氢气的产生和释放，同时也实现金属铝最大程度的资源化利用；二是在反应系统中添加氢氧化钠等促进剂，强化水解工序，并通过控制工艺条件促进氮化铝、金属铝和碳化铝的水解反应速率和反应程度；三是强化水解过程产生的氨气、氢气、甲烷等混合气逸出后进入优化硫酸铵制备系统或多级氨气吸收系统，制得农用硫酸铵晶体产品或标准浓度氨水，实现尾气达标排放；四是工艺系统内的废水经过固氟和固液分离后主要成分为氯化钠或氯化钾等氯盐，该废液可在湿法处置系统中循环使用，达到一定浓度后将其中的氯盐蒸发回收。

然而，铝灰湿法处置工艺自身仍存在一定的不足需要不断克服。例如，如何进一步降低氨泄漏风险，防止氨氮污染和臭气污染问题，如何进一步降低高盐废水处理成本，进而防止废水的二次污染问题等。此外，目前一些铝灰资源化利用湿法处置工艺缺乏对反应过程中氢气、甲烷浓度及排放设施的严格把控，如何降低氢气、甲烷等可燃性气体与空气混合后的爆炸风险，提高生产管理团队管理水平和工人安全意识等安全方面仍是企业必须重视的关键问题。