铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂的方法与流程

1.本发明涉及一种工业废渣铝灰无害化、资源化、能源化综合利用方法，特别是涉及一种铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂的方法。


背景技术：

2.铝灰主要来源于电解铝企业铝锭铸造、铝型材企业铝加工熔铸及再生铝企业边角料重熔过程，是铝冶炼及加工过程产生的固体废渣。
3.2020年我国原铝（电解铝）产量为3708万吨，较2019年产能增加5.6%，每生产1t 铝约产生一次铝灰110 kg，因而铝灰的排放量也随之日益增长。据报道，我国2019年铝灰产生量近350万吨，且每年增长速率近2%。
4.铝灰，按产生的方式不同，分为一次铝灰和二次铝灰。
5.铝灰成分复杂，主要化学组成为al、si、mg和ca等，同时还含有f、cl、重金属、氰化物等有毒、有害物质；主要物相为氮化铝、氟化盐、氯化盐、氧化铝、金属铝、镁铝尖晶石、方镁石、石英、碳化铝、电解质及盐熔剂等。铝灰中的氮化铝耐高温耐氧化，不易燃烧，遇水接触或受潮湿环境的影响容易发生水解反应，释放出氨气、氰化物等异臭有毒气体，不仅污染空气，还会带来安全隐患；同时铝灰中的电解质会释放游离氟，会给周围环境带来安全风险。2016年，被列入《国家危险废弃物名录》第hw48类。
6.铝灰堆积密度0.828~1.118g/cm3，表观密度2.396~2.528g/cm3，浸出液ph 为9.03~10.1。
7.针对目前铝灰资源化利用存在的不足，国内外科研技术人员已开展相关研究。当前，铝灰资源化利用技术可分为一次铝灰利用技术和二次铝灰利用技术：1.一次铝灰资源化利用技术目前一次铝灰利用方法有炒灰法、压榨法、球磨筛分法、离心分离法、电化学法等，主要针对提取一次铝灰中含量和价值较高的金属铝，其中应用较广的铝灰提铝方法为压榨法，但这类方法因环保不达标或设备应用受限以及金属铝回收率较低等因素影响，无法完全高效利用。
8.2.二次铝灰资源化利用技术（1）重选提铝：如cn201911367926.3公开了一种从二次铝灰渣中提取氧化铝的方法，将二次铝灰渣研磨、水洗、干燥后加入熔融态碳酸钠反应，再加盐酸除杂、碱洗除杂制取氢氧化铝沉淀，高温煅烧得氧化铝。这类方法工艺流程较复杂，由于铝灰含杂质成分较多，提选效率不高。
9.（2）作转炉和铁水脱硫剂：二次铝灰中含有大量的al2o3，可添加一定量的石灰石用作工业锅炉新型脱硫剂，但因二次铝灰中有害物质偏多，使用量受到局限。
10.（3）用作炼钢精炼剂：利用铝灰制备铝酸钙精炼剂，用于脱除高质量钢中的有害元素硫，但工艺较复杂，能耗高，尚未实现规模化应用。
11.（4）制备硫酸铝：铝灰与硫酸反应制取硫酸铝，缺点是产生的硫酸铝的附加值较
低，且制备过程中会产生有害气体，对环境造成二次污染。
12.（5）制备聚合硫酸铝：先制备硫酸铝，再添加多种聚合剂进行聚合反应制备聚合硫酸铝，作为絮凝剂，但工艺过程较为繁琐。
13.（6）制备耐火材料：利用二次铝灰中含有大量的氧化铝作为耐火材料烧结原料，如cn202010075954 .4公开了一种通过将二次铝灰无害化处理以制造耐火材料的方法，将二次铝灰研磨后于1150℃至1550℃氧化煅烧制取氧化铝，高温使二次铝灰中的氟化盐、氯化盐挥发，将煅烧氧化物经电弧熔炼后制成铝镁质的耐火材料。但因盐类杂质的存在，使得耐火材料的抗氧化性能不高。
14.（7）二次铝灰还可以用于生产镁铝尖晶石、清水陶瓷砖及吸附剂、分子筛等。但由于该类技术存在着生产成本高、工艺复杂等不足，目前产业化水平不高。
15.另一方面，我国新型干法旋窑水泥熟料生产线因产能过剩和“双碳”节能减排政策的推行，高能耗、高成本的水泥熟料生产线将面临被淘汰的局面，而能耗高、生产成本高的原因主要来源于原料、燃料、工艺操控及设备等方面，尤其是原料、燃料能否持续稳定供应，成分波动能否控制在合理范围，对稳定生产起到至关重要的作用。许多水泥熟料生产线因缺乏高品位铝质校正原料而不得不采用高价的铝矾土。此外，近期因动力煤价格大幅上涨，导致众多工业企业出现拉闸限电或停产的状况，因而水泥企业也在配置一部分热值偏低相对廉价的烟煤、高硫煤、无烟煤以降低生成成本，此举易造成煤粉燃烧速度和火焰温度降低，对窑系统稳定运行有较大影响，同时影响熟料烧成产量和质量。
16.而铝灰中含有部分高热值的金属铝、氮化铝未被有效利用（金属铝的热值为30222.22kj/kg、氮化铝的生成热约10111kcal/kg），尤其是一次铝灰中的金属铝含量可达15%~70%，目前绝大部分处置方式是用于提铝，提铝后的二次铝灰中的金属铝含量仍有8%~20%；其次，因铝灰的危废特性，一次铝灰和二次铝灰中的氧化铝均未得到充分有效利用。


技术实现要素：

17.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种投资小、处置成本低、利用率高、工艺简单高效的资源化利用铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂的方法。
18.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂的方法，将铝灰和催化燃烧促进剂于输送管道中混合、或燃烧器中混合，经喷吹管或燃烧器喷入干法水泥生产线窑尾分解炉中，在催化燃烧促进剂的催化活化作用下于850～1200℃高温环境中3～8秒内悬浮状况下迅速燃尽，燃烧产生的热能直接供给碳酸钙的分解，燃烧产生的活性氧化铝直接作为生料的铝质校正原料，铝灰中所含的卤化物氟氯及其它原料和作功后的催化元素一起直接成为生料煅烧的助烧剂，以降低回转窑内熟料的烧成热耗；和/或将铝灰和催化燃烧促进剂于输送管道中混合、经喷吹管或燃烧器喷入干法水泥生产线窑头回转窑中，在催化燃烧促进剂的催化活化作用下于1650～2200℃高温环境中1～3秒内迅速燃尽，燃烧产生的热能直接供熟料的烧成，燃烧产生的活性氧化铝直接作为生料的铝质校正原料，铝灰中所含的卤化物氟氯及其它原料和作功后的催化元素一起直接成为熟料烧成的助烧剂，以降低回转窑内熟料的烧成热耗。
19.进一步，所述铝灰优选一次铝灰或/和无盐工艺处理的二次铝灰，亦可采用熔盐工
艺处理的二次铝灰。
20.进一步，所述铝灰的添加量为干法旋窑水泥熟料生产线中生料粉质量的0.3%~3%，优选0.5%～2.5%；经熔盐工艺处理的二次铝灰的添加量为生料质量的0.1%~1.5%，以控制熟料中的氯离子含量不超过0.06%为宜。
21.所述无盐工艺处理是指以等离子体熔融等方法（高温无盐、低温无盐的铝灰处理方法）处理一次铝灰的工艺，整个过程不使用盐类熔剂，环境危害较小，因此二次铝灰中含盐量低，添加比例相对较高。
22.所述熔盐工艺处理是指在一次铝灰处理过程中添加一定比例的盐熔剂（高温加盐的铝灰处理方法），利用盐熔剂与铝灰发生反应来回收铝的工艺方法，其产生的二次铝灰含盐量高，因此二次铝灰的添加比例相对较低。
23.进一步，所述催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的0.5%~5%。
24.进一步，所述铝灰的细度为150目~500目，优选180目~325目。
25.进一步，所述铝灰的含水率≤1.5%。
26.进一步，所述催化燃烧促进剂为含铈等稀土元素和锂、硼等催化活化元素的水溶性离子溶液复合物。
27.进一步，所述将铝灰和催化燃烧促进剂于输送管道中混合或燃烧器中混合的具体操作步骤是：以锁风喂料机构将含催化燃烧促进剂的铝灰连续送入输送管道中混合或燃烧器中混合。
28.进一步，所述的新型干法水泥熟料生产线窑系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.02~1.2。
29.本发明的技术原理及有益效果：（1）采用催化氧化清洁燃烧技术，利用水泥窑烧成系统的高温环境使铝灰中可燃组分快速燃烧放出热量并分解为活性氧化铝和氮气；（2）利用新型干法水泥熟料生产线熟料煅烧生产过程中的兼容性，有效利用铝灰中的各类矿物成分，可节省部分铝、硅、铁、钙等水泥熟料生产用原料，重金属亦可彻底固化，而基本不影响熟料质量及水泥性能，且无毒、无二次污染；（3）本发明方法操作简便，易于实施，投资少，铝灰处置量大，一条正常运行的5000t/d水泥熟料生产线可根据铝灰特性每年消纳8000~80000吨铝灰，对促进我国铝灰等固废、危废资源化循环利用具有重大意义。
30.概而言之，本发明能有效综合利用铝灰中的金属铝、氮化铝和氧化铝作为干法水泥生产用替代燃料和铝质校正料及助烧剂，既可降低水泥生产原燃材料成本，同时还可利用水泥窑协同处置危险废弃物，保护生态环境；操作简便，易于实施，投资少，铝灰处置量大，可以规模化的方式消纳各类铝灰。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明作进一步说明。
32.下述本发明实施例所使用的催化燃烧促进剂，为含铈等稀土元素和锂、硼等催化活化元素的水溶性离子溶液复合物，购自湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司。
33.如无特殊说明，其它原料均通过常规商业途径获得。
34.实施例1取某熔盐工艺处理产生的二次铝灰，其主要化学成分（含量为质量百分数，下同）
为al2o
3 62.0%，al 15.4%，aln 1.52%，f 1.33%，sio
2 8.3%，na2o 5.21%，mgo 3.84%，其他2.4%，作为新型干法旋窑水泥熟料生产线窑尾替代燃料和校正料及助烧剂；同时取某电解铝企业产生的一次铝灰，其主要化学成分为al2o
3 41.86%，al 34.73%，aln 5.86%，f 0.72%，sio
2 8.36%，na2o 5.31%，mgo 2.87%，其他0.29%，作为新型干法旋窑水泥熟料生产线窑头替代燃料和校正料及助烧剂，利用某厂产能为5000t/d新型干法旋窑水泥熟料生产线进行铝灰资源化利用试验，现有实物煤耗为121kg/t熟料。
35.本实施例操作步骤如下：在窑系统生产运行正常状态下，将二次铝灰和催化燃烧促进剂于输送管道中混合，经燃烧器喷入干法水泥生产线窑尾分解炉中，在催化燃烧促进剂的催化活化作用下于920℃高温环境下7秒内悬浮状况下迅速燃尽，燃烧产生的热能直接供给碳酸钙的分解，燃烧产生的活性氧化铝直接作为生料的铝质校正原料，铝灰中所含的卤化物氟氯及其它原料和作功后的催化元素一起直接成为生料煅烧的助烧剂，降低回转窑内熟料的烧成热耗。
36.另一实施方式：将一次铝灰和催化燃烧促进剂于燃烧器中混合、经煤粉燃烧器喷入干法水泥生产线窑头回转窑中，在催化燃烧促进剂的催化活化作用下于1850℃高温环境下3秒内迅速燃尽，燃烧产生的热能直接供熟料的烧成，燃烧产生的活性氧化铝直接作为生料的铝质校正原料，铝灰中所含的卤化物氟氯及其它原料和作功后的催化元素一起直接成为熟料烧成的助烧剂，降低回转窑内熟料的烧成热耗。
37.所述二次铝灰的细度为220目，二次铝灰的含水率为1.4%；所述一次铝灰的细度为200目，一次铝灰的含水率为0.9%。
38.所述窑尾催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的2.6%，二次铝灰的添加量为生料质量的0.8%。
39.所述窑头催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的0.4%，一次铝灰的添加量为生料质量的1%。
40.所述新型干法水泥熟料生产线窑系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.13。
41.试验期间，厂方反馈：窑系统工况正常，窑头火焰白亮有力，黑火头短，熟料升重相当，烧成系统用煤量同比降低7.92%（熟料热耗显著降低），熟料沸煮安定性合格，初凝时间121min，终凝时间184min，标准稠度用水量为24.8%，熟料3d强度为31.7mpa，28d强度为61.4mpa，重金属和氯离子检测均未超标，烟气污染物排放监测未见异常。本次试验显示，铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂效果显著，方法简单，无二次污染。
42.实施例2取某电解铝企业产生的一次铝灰，其主要化学成分（质量百分数）为al2o
3 39.53%，al 37.21%，aln 5.71%，f 1.34%，sio
2 8.68%，na2o 3.74%，mgo 2.92%，其他0.87%，利用某厂产能为5000t/d新型干法旋窑水泥熟料生产线进行铝灰资源化利用试验，现有实物煤耗为122kg/t熟料。
43.本实施例操作步骤如下：在窑系统生产运行正常状态下，将一次铝灰和催化燃烧促进剂于输送管道中混合、经煤粉燃烧器从窑头喷入干法水泥生产线回转窑中，在催化燃烧促进剂的催化活化作用下于1980℃高温环境下2秒内迅速燃尽，燃烧产生的热能直接供熟料的烧成，燃烧产生的活性氧化铝直接作为生料的铝质校正原料，铝灰中所含的卤化物
氟氯及其它原料和作功后的催化元素一起直接成为熟料烧成的助烧剂，降低回转窑内熟料的烧成热耗。
44.所述铝灰的细度为180目，铝灰的含水率为1.3%。
45.所述催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的0.7%，铝灰的添加量为生料质量的0.9%。
46.所述新型干法水泥熟料生产线窑系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.11。
47.试验期间，厂方反馈：窑系统工况正常，窑头火焰白亮有力，黑火头短，熟料升重相当，烧成系统用煤量同比降低5.87%（熟料热耗显著降低），熟料沸煮安定性合格，初凝时间113min，终凝时间175min，标准稠度用水量为22.9%，熟料3d强度为33.4mpa，28d强度为63.2mpa，重金属和氯离子检测均未超标，烟气污染物排放监测未见异常。本次试验显示，一次铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂效果显著，方法简单，无二次污染。
48.实施例3取某再生铝企业产生的二次铝灰，其主要化学成分（质量百分数）为al2o
3 70.56%，al 3.7%，aln 6.32%，f 1.41%，sio
2 8.76%，na2o 2.47%，mgo 4.96%，其他1.82%，利用某厂产能为5000t/d新型干法旋窑水泥熟料生产线进行铝灰资源化利用试验，现有实物煤耗为112kg/t熟料。
49.本实施例操作步骤如下：在窑系统生产运行正常状态下，将二次铝灰和催化燃烧促进剂于输送管道中混合，经燃烧器喷入干法水泥生产线窑尾分解炉中，在催化燃烧促进剂的催化活化作用下于960℃高温环境下6秒内悬浮状况下迅速燃尽，燃烧产生的热能直接供给碳酸钙的分解，燃烧产生的活性氧化铝直接作为生料的铝质校正原料，铝灰中所含的卤化物氟氯及其它原料和作功后的催化元素一起直接成为生料煅烧的助烧剂，降低回转窑内熟料的烧成热耗。
50.所述铝灰的细度为220目，铝灰的含水率为0.8%。
51.所述催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的3.2%，铝灰的添加量为生料质量的2.6%。
52.所述新型干法水泥熟料生产线窑系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.08。
53.试验期间，厂方反馈：窑系统工况正常，熟料升重相当，烧成系统用煤量同比降低1.80%（熟料热耗有所降低），熟料沸煮安定性合格，初凝时间121min，终凝时间164min，标准稠度用水量为22.5%，熟料3d强度为30.5mpa，28d强度为59.2mpa，重金属和氯离子检测均未超标，烟气污染物排放监测未见异常。本次试验显示，二次铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂效果明显，方法简单，无二次污染。
54.实施例4取某铝型材企业产生的二次铝灰，其主要化学成分（质量百分数）为al2o
3 57.6%，al 19.5%，aln 1.31%，f 1.24%，sio
2 10.15%，na2o 5.17%，mgo 2.93%，其他2.1%，利用某厂产能为2500t/d新型干法旋窑水泥熟料生产线进行铝灰资源化利用试验，现有实物煤耗为131kg/t熟料。
55.在窑系统生产运行正常状态下，将二次铝灰和催化燃烧促进剂于燃烧器中混合，
经燃烧器喷入干法水泥生产线窑头回转窑中，在催化燃烧促进剂的催化活化作用下于1860℃高温环境下2秒内迅速燃尽，燃烧产生的热能直接供熟料的烧成，燃烧产生的活性氧化铝直接作为生料的铝质校正原料，铝灰中所含的卤化物氟氯及其它原料和作功后的催化元素一起直接成为熟料烧成的助烧剂，降低回转窑内熟料的烧成热耗。
56.所述的铝灰细度为325目，铝灰的含水率为1.2%。
57.所述催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的0.6%，铝灰的添加量为生料质量的0.8%。
58.所述新型干法水泥熟料生产线窑系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.1。
59.试验期间厂方反馈：窑系统工况正常，窑头火焰白亮有力，黑火头缩短，熟料升重相当，烧成系统用煤量同比降低2.18%（熟料热耗有所降低），熟料沸煮安定性合格，初凝时间107min，终凝时间145min，标准稠度用水量为23.3%，熟料3d强度为28.2mpa，28d强度为59.8mpa，重金属和氯离子检测均未超标，烟气污染物排放监测未见异常。本次试验显示，二次铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂效果较为明显，方法简单，无二次污染。
60.实施例5取某电解铝企业产生的一次铝灰，其主要化学成分（质量百分数）为al2o
3 43.78%，al 31.32%，aln 6.39%，f 0.42%，sio
2 9.51%，na2o 4.43%，mgo 3.84%，其他0.31%，利用某厂产能为3200t/d新型干法旋窑水泥熟料生产线进行铝灰资源化利用试验，水泥熟料生产线现有实物煤耗为124kg/t熟料。
61.本实施例操作步骤如下：在窑系统生产运行正常状态下，将一次铝灰和催化燃烧促进剂于输送管道中混合，经燃烧器喷入干法水泥生产线窑尾分解炉中，在催化燃烧促进剂的催化活化作用下于885℃高温环境下4秒内悬浮状况下迅速燃尽，燃烧产生的热能直接供给碳酸钙的分解，燃烧产生的活性氧化铝直接作为生料的铝质校正原料，铝灰中所含的卤化物氟氯及其它原料和作功后的催化元素一起直接成为生料煅烧的助烧剂，降低回转窑内熟料的烧成热耗。
62.所述铝灰的细度为200目，铝灰的含水率为1.0%。
63.所述催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的0.9%，铝灰的添加量为生料质量的1.2%。
64.所述新型干法水泥熟料生产线窑系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.15。
65.试验期间厂方反馈：窑系统工况正常，熟料升重相当，烧成系统用煤量同比降低6.07%（熟料热耗显著降低），熟料沸煮安定性合格，初凝时间124min，终凝时间176min，标准稠度用水量为24.2%，熟料3d强度为29.1mpa，28d强度为60.7mpa，重金属和氯离子检测均未超标，烟气污染物排放监测未见异常。本次试验显示，一次铝灰作为干法水泥生产用燃料和校正料及助烧剂效果显著，方法简单，无二次污染。