鋁材工業(yè)廢渣向陶瓷制備材料轉(zhuǎn)換的技術(shù)

唐曙光，王興波

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 佛山 528000

0 引 言

鋁型材產(chǎn)品經(jīng)過(guò)表面清洗(除油脫脂、除氧化皮)后、拋光、保護(hù)、封孔才能交付使用.在清洗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生工業(yè)廢料(化學(xué)廢料，鋁材行業(yè)內(nèi)稱為廢渣).根據(jù)對(duì)佛山高明地區(qū)一些鋁型材生產(chǎn)制造企業(yè)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，一個(gè)年產(chǎn)量為20 000 t的鋁型材生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)的廢渣量為6 500 t，即每清洗3.3 t鋁材便可產(chǎn)生1 t工業(yè)廢渣.圖1某企業(yè)的廢渣出口場(chǎng)景照片.

圖1 高明某鋁型材企業(yè)日產(chǎn)的廢渣Fig.1 Waste residue produced per day by an aluminum-section producer in Gaoming District,Foshan

我國(guó)是鋁型材生產(chǎn)制造的大國(guó).據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)鋁型材產(chǎn)銷量達(dá)到約1 440萬(wàn)t[1].佛山是中國(guó)鋁型材生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)集中地.據(jù)《大瀝鋁材商務(wù)網(wǎng)》(http://www.dalilvcai.com)披露，截至2010年10月，佛山地區(qū)的鋁型材加工企業(yè)有200多家[2],生產(chǎn)量超過(guò)全省產(chǎn)量的60%、超過(guò)全國(guó)產(chǎn)量的40%.據(jù)此計(jì)算，佛山地區(qū) 2012年鋁材產(chǎn)量將達(dá)到500多萬(wàn)t.按照每3.3t產(chǎn)品產(chǎn)生1 t廢渣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2012年，佛山地區(qū)將產(chǎn)生超過(guò)100萬(wàn)t的工業(yè)廢渣.推算到廣東、全國(guó)分別為290萬(wàn)t、436萬(wàn)t.鋁材工業(yè)廢渣富含化學(xué)物質(zhì)，既是寶又是害.其寶在于可從其中回收有用的工業(yè)原料，其害在于它對(duì)環(huán)境的污染.因此，如何處理這些廢渣一直是困擾環(huán)保部門和鋁材生產(chǎn)企業(yè)的問(wèn)題.許多專業(yè)技術(shù)人員都探討了解決方案.如文獻(xiàn)[3]的作者提出了燒鑄成型后提煉硫酸鋁的方法，文獻(xiàn)[4]介紹了利用工業(yè)含鋁廢渣生產(chǎn)高效水處理劑聚合氯化鋁的研究，文獻(xiàn)[5]-[11]介紹了更多的處理方法.但是，鑒于鋁型材生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)工藝上的差別，目前沒(méi)有通用的解決方案.以至于佛山市環(huán)保局甚至發(fā)出了“不宜再發(fā)展鋁型材”的呼吁[12].一些生產(chǎn)企業(yè)干脆按照每噸幾十元錢的價(jià)格，請(qǐng)人運(yùn)輸?shù)酵獾靥幚?

2012年2月，經(jīng)高明區(qū)經(jīng)促局中小企業(yè)科介紹，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院王興波教授等人深入高明區(qū)對(duì)一些鋁型材生產(chǎn)廠家工業(yè)廢渣處理的問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)研.經(jīng)過(guò)取樣、分析和一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高明地區(qū)鋁材廢渣的主要成分是水和高嶺土.于是開(kāi)展了循環(huán)利用的試驗(yàn).試驗(yàn)證明佛山地區(qū)大部分廢渣在不同溫度和時(shí)間進(jìn)行焙燒，可分別產(chǎn)生固體阻燃劑、高含量氧化鋁，成為消防、陶瓷行業(yè)的工業(yè)原料.下面介紹試驗(yàn)及分析過(guò)程和轉(zhuǎn)換方案.

1 鋁材廢渣的分析與實(shí)驗(yàn)

為厘清鋁材廢渣的化學(xué)成分及其作用，課題組分別采用了對(duì)廢渣進(jìn)行直接化學(xué)分析、焙燒后分析，最終確定了廢渣的毛料及其焙燒后的主要物質(zhì)組成.

1.1 分析與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1.1 毛料分析 鋁型材廢渣的毛料是灰白色泥狀物質(zhì).經(jīng)取樣后，放在陽(yáng)光充足和通風(fēng)好的開(kāi)闊地帶自然風(fēng)干.一周后，毛料顏色或因氧化原因變?yōu)榛疑?，但水分消失不?整個(gè)樣本仍然處在泥狀.初步斷定樣本所含自然游離水較少、附著水或結(jié)晶水較多.取出300 g樣品直接按照GB/T4734-1996,GB/T16537-2010進(jìn)行化學(xué)分析，得到分析數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 鋁型材廢渣樣品直接分析的數(shù)據(jù)Table 1 First hand analytical data from waste residue of aluminum section %

1.1.2 焙燒實(shí)驗(yàn) 取三組相同質(zhì)量(300 g)的樣本，另外三組分別在100 ℃、300 ℃、1 000 ℃溫度下焙燒.焙燒后，發(fā)現(xiàn)廢渣物質(zhì)的顏色發(fā)生了變化，物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也發(fā)生了變化.具體數(shù)據(jù)如表2～5所示.

表2 鋁型材廢渣經(jīng)不同溫度焙燒后的顏色變化Table 2 Color variation of aluminium-section waste residue after calcination under different temperature

表3 鋁型材廢渣樣品100 ℃焙燒后分析數(shù)據(jù)Table 3 Analytical data of aluminium-section waste residue after calcinations under 100 ℃ %

表5 鋁型材廢渣樣品1 000 ℃焙燒后分析數(shù)據(jù)Table 5 Analytical data of aluminium-section waste residue samples after calcination under 1 000 ℃ %

1.1.3 氫氧化鋁測(cè)定實(shí)驗(yàn) 取經(jīng)100 ℃、300 ℃焙燒后的膠狀固態(tài)物質(zhì)各100 g，按照YS/T 534.5-2007標(biāo)準(zhǔn)采用滴定法進(jìn)行氫氧化鋁測(cè)定，結(jié)果如表6所示.

表6 廢渣經(jīng)低溫焙燒后經(jīng)滴定法測(cè)定的數(shù)據(jù)Table 6 Aluminium hydroxide in waste residue after low temperature calcination

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1給出的分析數(shù)據(jù)表明，高明區(qū)鋁型材生產(chǎn)廠家(部分)工業(yè)廢渣的物相組成主要是附著水或結(jié)晶水占33.89%、氧化鋁(Al2O3)占54.68%與硫酸鹽占7.76%.有害物質(zhì)(Cr2O3)占0.02%(未超標(biāo)).表3、表4的數(shù)據(jù)表明，經(jīng)低溫焙燒后，去除了廢渣中的部分附著水或結(jié)晶水，其物相組成中的氧化鋁與硫酸鹽的含量比例增加，三氧化二鉻的比例保持不變.結(jié)合表2、表6的數(shù)據(jù)，可以斷定，廢渣的主要成分是氫氧化鋁，另有少許硫酸鹽以及極少量的其他物質(zhì).根據(jù)表2的數(shù)據(jù)以及氫氧化鋁的性質(zhì)可以斷定，廢渣經(jīng)1 000 ℃焙燒后的主要成分是氧化鋁和少許硫酸鹽以及極少量的其他物質(zhì)，其中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)90%.

2 鋁材廢渣應(yīng)用于陶瓷地磚制備原料

前述分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)高溫焙燒后，高明區(qū)鋁型材生產(chǎn)廠家(部分)工業(yè)廢渣可轉(zhuǎn)化為高含量氧化鋁及少許和硫酸鹽的混合物.由于氧化鋁是制作陶瓷、地磚等建材用品的主要原材料，佛山又是中國(guó)陶瓷產(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)地，故產(chǎn)生了將這些廢渣轉(zhuǎn)換成佛山陶瓷、瓷磚制備材料的想法并進(jìn)行了相應(yīng)的工作.

2.1 實(shí)驗(yàn)室試制

取5 000 g樣品經(jīng)900 ℃焙燒后，交與鷹牌陶瓷在窯爐進(jìn)行制件實(shí)驗(yàn).鷹牌陶瓷經(jīng)按照陶瓷地磚實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制作了三塊餅狀樣本入爐燒制.燒制的樣品如圖2所示，分析結(jié)果如表7所示.結(jié)果表明，所燒制制件完全符合地磚的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

圖2 鷹牌陶瓷試制的瓷磚樣品Fig.2 Tile samples trial-produced by Eagle Brand Ceramics

表7 廢渣在窯爐燒制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Mohs’ hardness scale and whiteness of waste residue after calcination in furnace

2.2 工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)

基于實(shí)驗(yàn)室的試制結(jié)果，決定進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn).根據(jù)前期對(duì)焙燒品分析化驗(yàn)的結(jié)果，選擇了一款廁所地磚和一款外廊墻磚作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象.分別從佛山高明某鋁型材廠家收集廢渣5 t，經(jīng)GME硅鉬棒高溫箱式電阻爐(該爐焙燒溫度可達(dá)1 700 ℃)焙燒處理后，得到約1.2 t白色粉末狀材料，如圖3所示.

圖3 廢渣經(jīng)高溫焙燒出的白色粉末Fig.3 White powder of waste residue produced by high temperature calcination

基于前述分析化驗(yàn)結(jié)果，直接用于制件.經(jīng)配料、模壓、飾紋、上釉后再燒制、打磨，得到的2款產(chǎn)品，樣品如圖4所示.

圖4 試制的瓷磚樣品Fig.4 Trial-produced tile samples

經(jīng)企業(yè)檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，產(chǎn)品完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4100-2006.考慮上述生產(chǎn)過(guò)程的配料、飾紋、上釉及燒制打磨等屬于陶瓷制備工藝過(guò)程并涉及到企業(yè)生產(chǎn)的工藝秘密.這里不再贅述.

3 廢料再利用的途徑及實(shí)現(xiàn)方法

3.1 廢料再利用的思路

前述多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明以下事實(shí)：

(1)高明地區(qū)部分鋁型材制造工藝產(chǎn)生的工業(yè)廢渣可以轉(zhuǎn)換為本地的陶瓷產(chǎn)業(yè)原材料；

(2)鑒于這種廢渣在1 000 ℃溫度時(shí)大量脫水形成固體粉末，它也可以經(jīng)低溫焙燒后直接制作固體阻燃劑.事實(shí)上，工業(yè)所使用固體阻燃劑的主要成分是氫氧化鋁[Al2O3·3H2O].

(3)根據(jù)氧化鋁的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步焙燒超過(guò)1 100 ℃，即可得到氧化鋁材料，可作為生產(chǎn)鋁的原料.

為此，設(shè)計(jì)了2種基于焙燒爐實(shí)施轉(zhuǎn)換，其中一種為基于垃圾焚燒的固定窯爐，已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專利，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13].以下介紹另外一種移動(dòng)方式的車載焙燒轉(zhuǎn)爐.

3.2 一種移動(dòng)方式的車載廢渣焙燒轉(zhuǎn)爐

本款移動(dòng)方式的車載焙燒轉(zhuǎn)爐，主要參考混凝土攪拌運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)作業(yè)過(guò)程并在其基礎(chǔ)上增加了鼓風(fēng)、噴油、排氣、排水部分.圖5是該轉(zhuǎn)爐的外形結(jié)構(gòu)布局.從圖5中可以看出，整個(gè)車載回收轉(zhuǎn)爐分為以下幾個(gè)大部分：

載車：采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的3軸載重卡車.

燃燒轉(zhuǎn)爐：體積為3.5 m3，有效使用容積為2.2～2.5 m3.

轉(zhuǎn)爐動(dòng)力系統(tǒng)：電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)輪系.

轉(zhuǎn)爐支架：鋼結(jié)構(gòu)支架.

鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)：由燃?xì)廨啓C(jī)多級(jí)壓氣機(jī)，采用大面積、向前、矩形進(jìn)氣口.

廢氣過(guò)濾排放系統(tǒng)：排氣方向斜向上，過(guò)濾系統(tǒng)主要過(guò)濾粉狀物或顆粒.

廢水收集箱：用于收集處理后的廢水，容積為1 m3.

原料與成品裝卸系統(tǒng)：進(jìn)料出料系統(tǒng).

油箱及噴油系統(tǒng)：由4個(gè)燃油油箱及燃油噴射系統(tǒng)組成，郵箱總?cè)萘繛? 000 L.

圖5 車載工業(yè)廢渣回收回轉(zhuǎn)爐外形結(jié)構(gòu)布局Fig.5 Appearance and configuration of vehicle-mounted recycle-rotary furnace for industrial waste residue

該移動(dòng)車載焙燒轉(zhuǎn)爐的工作原理是這樣的：鋁型材廢渣經(jīng)入料口進(jìn)入爐膛，達(dá)到規(guī)定載荷后關(guān)閉入料口；汽車發(fā)動(dòng)駛向目的地(陶瓷生產(chǎn)廠家)，同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)啟轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng).鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始向爐膛鼓風(fēng)同時(shí)噴油系統(tǒng)向爐膛噴射霧狀燃油，點(diǎn)火器點(diǎn)火開(kāi)始燃燒燃油，由此加熱廢渣.在整個(gè)車輛行駛過(guò)程中，轉(zhuǎn)爐循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)、燃油不間歇燃燒以保持焙燒的過(guò)程，間歇啟動(dòng)廢氣過(guò)濾排放系統(tǒng)以及廢水收集箱處理廢氣廢水以保持環(huán)境干凈.廢渣處理到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)后，汽車停在泄料臺(tái)，打開(kāi)出料口泄出陶瓷制備初級(jí)材料.再實(shí)現(xiàn)第二次裝料處理的循環(huán).

由于該移動(dòng)焙燒轉(zhuǎn)爐的詳細(xì)設(shè)計(jì)涉及到大量的機(jī)械專業(yè)數(shù)據(jù)且超出本文范圍，這里不再贅述.該車已經(jīng)由佛山某企業(yè)經(jīng)改裝試制出樣車，如圖6所示.但由于涉及到交管、上牌、環(huán)評(píng)等行政許可問(wèn)題，目前僅在工業(yè)園區(qū)內(nèi)部試運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期效果.

圖6 車載工業(yè)廢渣回收回轉(zhuǎn)爐樣車Fig.6 Prototypes for vehicle-mounted recycle-rotary furnace for industrial waste residue

4 結(jié) 語(yǔ)

佛山地區(qū)擁有全國(guó)最大的建筑陶瓷生產(chǎn)基地，也擁有全國(guó)最大的鋁型材生產(chǎn)基地.通過(guò)對(duì)高明地區(qū)部分鋁型材生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生廢渣的分析與實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)果：

a.工業(yè)廢渣的主要成分是氫氧化鋁、硫酸鹽與附著水或結(jié)晶水.

b.經(jīng)300 ℃焙燒后去除部分附著水，廢渣轉(zhuǎn)換成以氫氧化鋁為主的固態(tài)膠狀物質(zhì)，可作為工業(yè)阻燃劑.

c.經(jīng)1 100 ℃焙燒后，廢渣轉(zhuǎn)換成以氧化鋁為主的白色粉末，可作為生產(chǎn)制造建筑陶瓷的原材料.

d.采用專門的轉(zhuǎn)換裝備，易于將廢渣轉(zhuǎn)換成有價(jià)值的工業(yè)原料.

由此可見(jiàn)，佛山地區(qū)大量的鋁型材生產(chǎn)企業(yè)與陶瓷制備企業(yè)之間存在良好的循環(huán)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，具有很大的發(fā)展空間.本文所給的方法，為二者之間的結(jié)合和互惠提供了參考，有益于佛山地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展.

致 謝

本文研究工作得到了國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2013GA780052)、廣東省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(2012B010600018)、廣東省數(shù)控一代機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2012B011300068)、佛山市科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2011AA100021)、佛山市產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2012HC100131)、佛山科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目(2013AG10007)、禪城區(qū)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2012B1011)、(2013B1018)、禪城區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013A1021)等的支持.在此對(duì)相關(guān)部門和人員一并表示感謝！

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