一种粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法与流程

1.本发明涉及一种工业废渣铝灰无害化、资源化、能源化综合利用的方法，特别是涉及一种粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法。


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。属于有色金属冶炼、加工过程形成的废渣。
3.2020年，我国电解铝产量为3708万吨，较2019年增加5.6%。
4.铝灰，按产生的方式不同，分为一次铝灰和二次铝灰。电解铝企业铝锭铸造产生的铝灰称为一次铝灰。一次铝灰提铝后产生的铝灰，或铝型材企业铝加工熔铸及再生铝企业边角料重熔过程产生的铝灰，称为二次铝灰。
5.每生产1t 电解铝，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，2019年，我国铝灰（包括一次铝灰和二次铝灰）产生量约350万吨，且每年增长速率接近2%。
6.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；同时铝灰中的氟化盐等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。
7.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。
8.目前，铝灰资源化利用较少。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利用研究。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，可概括为：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。
9.2.二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。
10.（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。
11.（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。
12.（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。
13.（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。
14.（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。
15.（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。
16.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。
17.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，既污染环境，又浪费资源。
18.目前，尚无简单有效对铝灰进行规模化资源化充分利用的方法。


技术实现要素：

19.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、操作简便高效，适于规模化消纳铝灰的粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法。
20.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法，将铝灰和催化燃烧促进剂混合，直接喷入粉磨站的热风供给系统内，一起催化氧化清洁燃烧供热，铝灰中的铝、氮化铝经催化活化氧化燃烧，形成活性氧化铝和氮气，燃烧产生的高温气体直接送入粉磨系统或烘干系统，或送入烘干系统和粉磨系统，供粉磨渣粉干燥之用；铝灰经催化氧化清洁燃烧后产生的含活性氧化铝的灰渣经配料进入粉磨站的渣料粉磨系统，作为粉磨渣粉的矿物早强剂，或形成活性硅铝酸盐矿物作为建材产品生产的原料。
21.进一步，所述铝灰为一次铝灰或/和经无盐工艺处理的二次铝灰，或为采用熔盐工艺处理的二次铝灰。
22.进一步，所述一次铝灰或/和经无盐工艺处理的二次铝灰的用量为粉磨渣料质量的0.2%~3%，经熔盐工艺处理的二次铝灰的用量为粉磨渣料质量的0.1%~1%，以控制粉磨渣粉中的氯离子含量不超过0.06%为宜。
23.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，添加比例相对高。
24.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低。
25.进一步，所述催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的0.5%~5%。
26.进一步，所述铝灰的细度为150目~500目，优选180目~325目。
27.进一步，所述铝灰的含水率≤1.5%。
28.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。
29.进一步，所述将铝灰和催化燃烧促进剂混合，直接喷入粉磨站的热风供给系统的具体操作步骤是：将铝灰和催化燃烧促进剂混合料，以锁风喂料机构连续送入输送管道，直接喷入热风供给系统内。
30.进一步，所述热风供给系统主要包括热风炉、沸腾炉、等离子体火焰炉等热风供给装置中的至少一种。
31.进一步，所述热风供给系统的燃烧系统内的气氛，为氧化性气氛，空气过剩系数为1.02~1.2。
32.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，利用粉磨站的热风供給系统的高温使铝灰中可燃组分如铝、氮化铝等快速燃烧，放出热量，并生成活性氧化铝和氮气；（2）利用粉磨站活性渣的兼容性，有效利用铝灰中的各类矿物成分，可节省部分硅铝质原料，铝灰中的重金属亦可彻底固化，而基本不影响粉磨活性渣粉质量及性能，且无毒、无二次污染；（3）本发明方法操作简单，易于实施，投资少，可节能减排；铝灰处置量较大，一条正常运行的100万吨/年的渣粉粉磨生产线，根据使用铝灰特性的差别，每年可消纳3000~30000吨不等的铝灰，对促进我国铝灰等固废、危废资源化循环利用具有重要意义。
具体实施方式
33.下面结合实施例对本发明作进一步说明。
34.下述本发明各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。
35.如无特殊说明，其它原材料均通过常规商业途径获得。
36.实施例1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 58.82%，al 11.26%，aln 9.81%，f 2.24%，sio
2 7.83%，na2o 5.31%，mgo 3.01%，其他1.72%；利用某厂
年产100万吨水泥粉磨生产线进行铝灰资源化利用试验，水泥粉磨站配有球磨机系统、混合材电解锰渣物料烘干机系统和热风炉系统，电解锰渣含水率约为26.4%。
37.本实施例操作步骤如下：在水泥粉磨系统、电解锰渣物料烘干机系统和热风炉系统生产运行正常状态下，将铝灰和催化燃烧促进剂的混合料，以锁风喂料机构连续送入输送管道，直接喷入热风炉系统内，一起催化氧化清洁燃烧供热；铝灰中的铝、氮化铝催化活化氧化燃烧，生成活性氧化铝和氮气，燃烧产生的高温气体直接送入电解锰渣物料烘干机系统，供电解锰渣物料干燥；铝灰经催化氧化清洁燃烧产生的含活性氧化铝的灰渣经配料进入水泥粉磨系统，作为成品水泥的矿物早强剂。
38.所述铝灰的细度为180目，铝灰的含水率为1.1%。
39.所述的铝灰的用量为粉磨渣料质量的1.3%，催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的2.5%。
40.所述热风供给系统为燃油热风炉。
41.所述热风炉燃烧系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.08。
42.试验期间，厂方反馈：水泥粉磨系统、电解锰渣物料烘干机系统和热风炉系统工况正常，烘干用热耗同比降低1.9%，水泥安定性合格，初凝时间112min，终凝时间176min，80μm方孔筛余＜3.5%，水泥3d抗压强度为22.3mpa，3d抗压强度较之前提高2.7%，28d抗压强度为48.3mpa，重金属和氯离子检测均未超标，其余物检性能指标相当。本次试验显示，粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法效果显著，方法操作简单，无二次污染。
43.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 41.67%，al 33.86%，aln 5.12%，f 1.84%，sio
2 9.73%，na2o 3.41%，mgo 2.89%，其他1.48%，利用某厂年产200万吨水泥粉磨生产线进行铝灰资源化利用试验，水泥粉磨站配有球磨机系统、磷石膏物料烘干机系统和热风炉系统，磷石膏含水率为23.7%。
44.本实施例操作步骤如下：磨系统、磷石膏物料烘干机系统和热风炉系统生产运行正常状态下，将铝灰和催化燃烧促进剂的混合料，以锁风喂料机构连续送入输送管道，直接喷入热风炉系统内，一起催化氧化清洁燃烧供热；铝灰中的铝、氮化铝经催化活化氧化燃烧，生成活性氧化铝和氮气，燃烧产生的高温气体直接送入磷石膏物料烘干机系统，供磷石膏物料干燥；铝灰经催化氧化清洁燃烧产生的含活性氧化铝的灰渣，经配料进入水泥粉磨系统，作为成品水泥的矿物早强剂。
45.所述铝灰的细度为240目，铝灰的含水率为0.8%。
46.所的铝灰的用量为粉磨渣料质量的2.5%，催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的0.7%。
47.所述热风供给系统为燃气热风炉。
48.所述热风炉的燃烧系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.06。
49.试验期间，厂方反馈：水泥粉磨系统、磷石膏物料烘干机系统和热风炉系统工况正常，烘干用热耗同比降低4.1%，水泥安定性合格，初凝时间124min，终凝时间187min，比表面积336m2/kg，水泥3d抗压强度为26.7mpa，3d抗压强度较之前提高3.1%，28d抗压强度为
57.6mpa，重金属和氯离子检测均未超标，其余物检性能指标相当。本次试验显示，粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法效果显著，方法操作简单，无二次污染。
50.实施例3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 65.1%，al 9.2%，aln 4.26%，f 2.73%，sio
2 7.95%，na2o 4.82%，mgo 3.23%，其他2.71%，利用某厂年产60万吨钢渣微粉生产线进行铝灰资源化利用试验，该钢渣粉磨站配有球磨机系统、钢渣物料烘干系统和热风炉系统，钢渣水分约为16.2%。
51.本实施例操作步骤如下：在钢渣粉磨系统、钢渣物料烘干系统和热风炉系统生产运行正常状态下，将二次铝灰和催化燃烧促进剂的混合料，以锁风喂料机构连续送入输送管道，直接喷入热风炉系统内，一起催化氧化清洁燃烧供热；铝灰中的铝、氮化铝经催化活化氧化燃烧，生成活性氧化铝和氮气，燃烧产生的高温气体直接送入钢渣物料烘干机系统，供钢渣物料干燥；铝灰经催化氧化清洁燃烧产生的含活性氧化铝的灰渣形成活性硅铝酸盐矿物，作为商混站的活性掺和材原料。
52.所述的铝灰细度为200目，铝灰的含水率为1.4%。
53.所述的铝灰的添加量为入磨钢渣质量的0.8%，催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的3.5%。
54.所述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，为市售供应产品（湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司开发）。
55.所述的热风炉燃烧系统内为氧化性气氛，空气过剩系数为1.1。
56.所述的热风供给系统为沸腾炉。
57.试验期间，厂方反馈：钢渣粉磨系统、钢渣物料烘干机系统和热风炉系统工况正常，烘干用热耗同比降低1.7%，安定性合格，7d活性指数为72.1%，较之前提高1.6%，28d活性指数为91.3%，重金属和氯离子检测均未超标，其余物检性能指标相当。本次试验显示，粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法效果显著，方法简单，无二次污染。
58.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 61.4%，al 17.3%，aln 5.72%，f 1.33%，sio
2 6.51%，na2o 4.36%，mgo 1.86%，其他1.52%，利用某厂年产30万吨粒化高炉矿渣粉磨生产线进行铝灰资源化利用试验，该粒化高炉矿渣粉磨站配有立磨系统和热风炉系统，粒化高炉矿渣水分约为14.6%。
59.本实施例操作步骤如下：在粒化高炉矿渣粉磨系统生产运行正常状态下，将铝灰和催化燃烧促进剂混合，以锁风喂料机构连续送入输送管道，直接喷入热风炉，一起催化氧化清洁燃烧供热；铝灰中的铝、氮化铝经催化活化氧化燃烧，生成活性氧化铝和氮气，燃烧产生的高温气体直接送入粒化高炉矿渣立磨系统，供粒化高炉矿渣物料干燥；铝灰经催化氧化清洁燃烧产生的含活性氧化铝的灰渣经配料入粒化高炉矿渣粉磨系统，作为矿渣粉的矿物早强剂。
60.所述的铝灰细度为240目，铝灰的含水率为1.5%。
61.所述的铝灰的添加量为入磨矿渣质量的1.6%，催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的4.2%。
62.所述热风供给系统为燃气热风炉。
63.所述热风炉燃烧系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.11。
64.试验期间，厂方反馈：粒化高炉矿渣微粉粉磨系统工况正常，烘干用热耗同比降低1.7%，粒化高炉矿渣微粉比表面积352m2/kg，7d活性指数为64.7%，较之前提高1.9%，28d活性指数为86.3%，重金属和氯离子检测均未超标，其余物检性能指标相当。本次试验显示，粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法效果显著，方法简单，无二次污染。
65.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 45.15%，al 28.81%，aln 8.16%，f 1.21%，sio
2 8.55%，na2o 3.97%，mgo 2.89%，其他1.26%，利用某厂年产60万吨气化炉水渣微粉生产线进行铝灰资源化利用试验，水渣微粉粉磨站配有立磨系统、水渣原料烘干系统和热风炉系统，水渣水分约为21.2%。
66.本实施例操作步骤如下：在水渣微粉粉磨系统生产运行正常状态下，将铝灰和催化燃烧促进剂混合，直接喷入等离子体火焰炉内，一起催化氧化清洁燃烧供热；铝灰中的铝、氮化铝经催化活化氧化燃烧，生成活性氧化铝和氮气，燃烧产生的高温气体直接送入水渣物料烘干机系统和粉磨系统，供水渣物料干燥；铝灰经催化氧化清洁燃烧产生的含活性氧化铝的灰渣经配料入水渣粉磨系统，作为粉磨渣粉的矿物早强剂。
67.所述铝灰的细度为325目，铝灰的含水率为0.7%。
68.所述铝灰的用量为入磨水渣物料质量的1.9%，催化燃烧促进剂的用量为铝灰质量的0.7%。
69.所述的热风供给系统为等离子体火焰炉。
70.所述热风炉燃烧系统内的气氛为氧化性气氛，空气过剩系数为1.09。
71.试验期间，厂方反馈：水渣微粉粉磨系统工况正常，烘干用热耗同比降低4.1%，水渣微粉比表面积417m2/kg，7d活性指数为77.1%，较之前提高2.2%，28d活性指数为99.2%，重金属和氯离子检测均未超标，其余物检性能指标相当。本次试验显示，粉磨站资源化清洁利用铝灰的方法效果显著，方法简单，无二次污染。