文/寧增超 王 濤 趙玉兵 鄭紅亮 侯立濤 田海偉
在國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家“雙碳戰(zhàn)略”的背景下,傳統(tǒng)鋁行業(yè)從業(yè)人員及相關(guān)科研技術(shù)單位也在積極探索新的鋁資源發(fā)展方向[1]。循環(huán)經(jīng)濟(jì)中對(duì)資源利用,體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面重視減少資源的實(shí)際損耗;另一方面重視資源的回收利用。國(guó)家“雙碳戰(zhàn)略”更是將環(huán)境保護(hù)與能源有效利用提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。鋁金屬資源既有“可再生”屬性,也具有“降能”“節(jié)能”等循環(huán)資源和環(huán)保屬性,因而備受矚目。其中,鋁灰是鋁冶煉、熔煉、鑄造過(guò)程中,由于鋁金屬的燒損浮在鋁熔體表面的浮渣。鋁灰的組成主要有鋁金屬、氧化物、氯鹽、氟鹽、氮化鋁等。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)表明,2021年中國(guó)鋁產(chǎn)量3850 萬(wàn)噸,而1t 鋁可產(chǎn)生鋁灰30~60kg[2],可提取的鋁金屬占10~15%,如果僅把鋁灰作為廢棄物處理,將造成極大的浪費(fèi)。鋁灰作為鋁工業(yè)生產(chǎn)中的全流程出現(xiàn)的副產(chǎn)品,對(duì)灰中金屬的回收一直是大家關(guān)注的熱點(diǎn)。從鋁灰中提取鋁金屬,可以起到降低鋁金屬的損耗、降低鋁金屬原料的消耗,以及降低鋁金屬生產(chǎn)的能源消耗的作用,所以如何從鋁灰中高效提取鋁金屬,在鋁資源的循環(huán)利用體系中尤為重要。因此,本文對(duì)鋁灰的回收現(xiàn)狀進(jìn)行分析與探討,以期得到最佳的鋁金屬回收方式。
鋁灰產(chǎn)生于電解鋁、變形鋁加工、再生鋁加工等所有存在鋁融熔的工序。其來(lái)源可分為三種:1)鋁冶煉鋁灰;2)變形鋁合金熔鑄鋁灰;3)再生鋁鋁灰。鋁灰一般指鋁冶煉、變形鋁合金及再生鋁加工生產(chǎn)過(guò)程中漂浮于鋁熔體表面的不熔夾雜物、氧化物、添加劑以及與添加劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物。鋁灰作為鋁工業(yè)重要的固體廢棄物,其組成成分非常復(fù)雜,主要含有Al、Cl、Na、N 等元素[4],其中Al元素,以Al 金屬、Al2O3、AlN 等形式存在。
鋁冶煉鋁灰是指氧化鋁經(jīng)熔鹽電解生產(chǎn)鋁的過(guò)程中,由于操作和測(cè)定器具的攜帶、陽(yáng)極更換、出鋁、鑄錠以及電解槽大修,產(chǎn)生的鋁灰。一般每生產(chǎn)1 噸鋁會(huì)產(chǎn)生不少于30~50kg的鋁灰。鋁灰的物相組成為Al2O3、MgAl2O4、AlN、NaAl11O17和K1.6Al11O17。
在變形鋁合金生產(chǎn)中,為避免鋁的氧化物對(duì)熔體的污染,會(huì)將浮在熔體表面的氧化渣、覆蓋劑和與它們混合的一部分殘余鋁金屬等扒出爐外,形成熔煉鋁灰。這種鋁灰中主要成分是覆蓋劑KCl、NaCl 等鹽類、Al2O3、MgO、Al等。因?yàn)楦采w劑鹽類對(duì)環(huán)保有一定危害,一些鋁加工企業(yè)開(kāi)始不使用覆蓋劑,所以其鋁灰成分主要以殘余鋁及氧化物為主。
在再生鋁生產(chǎn)中,與變形鋁生產(chǎn)工藝相類似,也需要扒出一部分鋁灰。只是因?yàn)樵偕X熔煉過(guò)程中需要多次加入廢雜鋁,并采用低溫浸沒(méi)式熔化,即所謂的“泡料”工藝,所以在其熔煉過(guò)程中一般不使用覆蓋劑。熔煉過(guò)程中扒出的鋁灰以浮渣中的各種氧化物、鋁金屬,以及未熔的鐵等金屬為主。
在生產(chǎn)中,對(duì)鋁灰往往會(huì)按照是否經(jīng)過(guò)回收處理而籠統(tǒng)的分成兩類:“一次灰”和“二次灰”。這種方法分類的鋁灰,由于生產(chǎn)廠家和來(lái)源不同,其中的含鋁量也不相同。有些直接冷卻的“一次灰”,也歸類到“二次灰”,既不經(jīng)濟(jì)也不科學(xué)。
在實(shí)際生產(chǎn)中另一種分類方法則是按照鋁灰的顆粒度,分成大灰、中灰和細(xì)灰三類。這種分類方式一般是針對(duì)破碎、篩分后的鋁灰進(jìn)行的分級(jí)。大灰是剛從爐內(nèi)扒出的鋁灰,直接進(jìn)行冷卻降溫成固態(tài),所以含有很多大的灰鋁凝塊,含鋁量較高。中灰是顆粒尺寸≥0.6mm 以上的鋁灰,含有很多小的鋁顆粒,含鋁量12%~35%。細(xì)灰則是小于100ppm 的粉狀的鋁灰,灰中含鋁量只有5%-18%。
為了更好的選擇鋁灰的處理方法,可以按照鋁灰的含鋁量來(lái)進(jìn)行分級(jí)。這種分級(jí)方式等好處是可以根據(jù)鋁含量的多少選擇不同難度的鋁灰提取方式,可以避免鋁金屬的損失。例如:含鋁量40%~85%的作為一級(jí)灰料,含鋁量在12%~40%的作為二級(jí)灰料,5%~12%的作為三級(jí)灰料,5%以下的作為四級(jí)灰料。一級(jí)灰料可以利用剛出爐時(shí)的溫度進(jìn)行熱炒灰回收液態(tài)鋁,也可以快速冷灰后,進(jìn)行物理篩分回收固態(tài)鋁。二級(jí)灰需要采用熱炒灰,回收液態(tài)鋁。三級(jí)灰不能單獨(dú)使用,需作為熱炒灰過(guò)程中冷卻料使用,待鋁金屬熔融后回收。5%以下的四級(jí)灰,需要采用可以分離灰分的鹽浴加熱,以及更準(zhǔn)確的加熱溫度控制才能實(shí)現(xiàn)灰中鋁金屬,已失去常規(guī)手段工業(yè)化提取價(jià)值。
隨著鋁回收技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的研制開(kāi)發(fā),鋁冶煉、鋁加工企業(yè)中,鋁灰中鋁金屬的回收過(guò)程中傳統(tǒng)的人工熔煉生產(chǎn)模式,正逐步被專用回收設(shè)備所替代。鋁灰的回收處理的基本處理過(guò)程如下:
扒渣→熱灰處理→冷卻→冷卻灰篩選→二次熱灰處理→冷卻→冷卻灰篩分→廢灰處理
鋁灰回收率主要受到鋁灰溫度、鋁灰的含鋁量、鋁灰中夾雜物等多種因素的影響,所以鋁灰的回收應(yīng)當(dāng)根據(jù)灰的類型有區(qū)別的進(jìn)行。
(1)鋁灰的溫度
鋁的溫度對(duì)灰中鋁金屬的燒損尤為重要,高溫會(huì)使鋁金屬的氧化加劇,鋁灰溫度溫度越高鋁金屬燒損越大,可回收的金屬損失越大。
鋁灰的溫度也不能過(guò)低,過(guò)低的溫度液態(tài)鋁金屬粘度大,不利于鋁液的析出與沉降。
此外,鋁灰中如果含有覆蓋劑鹽類,熔融的鹽類對(duì)金屬有一定附著力,灰鋁分離必須達(dá)到一定溫度條件,且不同類型的熔融鹽類還有不同的灰鋁分離溫度,在熱會(huì)處理之前必須選擇好合適的熱灰溫度,利于灰鋁分離。
(2)鋁灰的含鋁量
鋁灰中的含鋁量影響體現(xiàn)在回收難度上,含鋁量越大的鋁灰,回收難度越小。含鋁量越小的鋁灰,回收難度越大,需要采用的工藝越復(fù)雜。
(3)鋁灰的夾雜物
鋁灰中夾雜物主要會(huì)對(duì)回收的金屬成分的產(chǎn)生影響,例如:鐵雜質(zhì)可能造成回收的鋁中鐵成分超標(biāo),導(dǎo)致材料化學(xué)成分不合格。
鋁灰處理的主要對(duì)象分別是高溫鋁灰和冷卻灰。高溫鋁灰回收的是液態(tài)鋁,冷卻灰中回收的是固態(tài)鋁。對(duì)熱鋁灰的處理方法,可采用壓榨法、炒灰法(或稱裘灰法、糗灰法、搓灰法)、離心分離法。冷卻灰處理一般要先進(jìn)行破碎、球磨、吸鐵,然后采用密度篩分法,篩分出固態(tài)鋁金屬。
(1)壓榨機(jī)
壓榨機(jī)是采用壓榨法對(duì)渣盆里的鋁灰進(jìn)行擠壓,鋁灰渣中含有的液態(tài)鋁被擠壓出來(lái)。鋁液擠出以后,與外界的渣盆壁或冷空氣接觸后,就會(huì)凝固成殼,形成鋁包渣的“元寶”形。待冷卻后將鋁殼破開(kāi),將里面的鋁灰清除后復(fù)熔。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備占地??;缺點(diǎn)是回收處理效率較低,只有在回收工序與生產(chǎn)工序分離的情況下采用。
(2)漿式炒灰機(jī)
漿式炒灰機(jī)是采用炒灰法處理鋁灰的設(shè)備。炒灰處理時(shí),將熱的鋁灰放入炒灰機(jī)灰鍋中,炒灰機(jī)的攪拌槳對(duì)熱灰進(jìn)行攪拌,攪拌促使液態(tài)鋁與灰分離,鋁液在重力作用下沉降到灰鍋底部,并從放鋁口放出。在攪拌過(guò)程中也可根據(jù)鋁灰的溫度,適當(dāng)加入升溫劑(或降溫料),調(diào)整鋁灰的溫度促進(jìn)鋁液析出、沉降。此種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是鋁的回收率較高,鋁灰溫度可控;缺點(diǎn)是生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境較差,需要配備相應(yīng)的除塵設(shè)備。
(3)離心式炒灰機(jī)
離心式炒灰機(jī)是離心分離法進(jìn)行熱灰處理的一種設(shè)備。處理鋁灰時(shí),將熱鋁灰放入離心式炒灰機(jī)的滾筒中,通過(guò)滾筒的旋轉(zhuǎn)對(duì)鋁灰進(jìn)行攪拌,并利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將鋁灰中的鋁液甩出來(lái)。當(dāng)鋁液積聚到一定液位,將鋁液傾倒出來(lái)。離心分離法的優(yōu)點(diǎn)是一次處理量大,裝卸料方便;缺點(diǎn)是灰鋁分離不徹底,回收效率低。
(4)等離子體熔融處理設(shè)備
等離子體處理爐是采用熔融法處理鋁灰的一種設(shè)備。它是一種利用等離子體作為熱源,在二氧化碳、甲烷、氫氣等形成還原性火焰,在乏氧條件下對(duì)鋁灰渣加熱,使鋁金屬表面的氧化膜破裂,熔融的鋁液可以匯聚到一起,與其灰分分離并沉降到底部,從放鋁口流出。此種方法設(shè)備投資較高,目前只在國(guó)外少數(shù)工廠有應(yīng)用。
(5)鋁灰篩選機(jī)
鋁灰篩選機(jī)主要是對(duì)冷卻的鋁灰塊進(jìn)行破碎,并對(duì)鋁灰進(jìn)行振動(dòng)篩分、磁選篩分篩分處理的設(shè)備。這種方法可將鋁灰渣中的固態(tài)鋁和雜質(zhì)金屬分選出來(lái),再進(jìn)行熔化回收。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直接回收固體金屬,并能將鐵金屬夾雜物分離出來(lái);缺點(diǎn)是在鋁灰冷卻過(guò)程中,鋁金屬已經(jīng)有一部分燒損,降低了灰中鋁的回收率,且還需要破碎等預(yù)處理過(guò)程,生產(chǎn)環(huán)境噪音較大。
炒灰劑的主要成分是升溫劑和熔劑,升溫劑是為了提高鋁灰的溫度,熔劑則是為了破壞鋁表面的氧化膜,降低鋁表面的張力,提高鋁的浸潤(rùn)性,使鋁液滴可以更好地相互匯聚融合。在炒灰劑使用中應(yīng)注意保證鋁灰的溫度在適當(dāng)?shù)膮^(qū)間,以促進(jìn)升溫劑能夠快速起效,并使熔劑處于熔融狀態(tài),方能達(dá)到快速出鋁,且又能保證升溫劑不燒損金屬。在鋁含量5~8%的鋁灰炒灰回收時(shí),需要適當(dāng)提高炒灰劑中熔劑的占比,提高鋁液微小液滴的浸潤(rùn)性,促進(jìn)鋁液滴融合。炒灰劑的優(yōu)點(diǎn)是在熱灰處理時(shí)有效提高鋁金屬的回收率;缺點(diǎn)是炒灰劑會(huì)產(chǎn)生一定量的有害氣體,造成環(huán)境污染。
在國(guó)家大力倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的趨勢(shì)下,鋁灰中鋁金屬的高效回收是鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文對(duì)鋁灰的類型、成分構(gòu)成,以及特點(diǎn)做了分析,通過(guò)分析我們可以看到,鋁灰回收處理過(guò)程具有復(fù)雜性和多樣性。針對(duì)不同類型的鋁灰可以采用以下措施可以提高鋁灰中金屬的回收效率:
1.通過(guò)選擇適當(dāng)鋁灰的溫度、對(duì)鋁灰的攪拌時(shí)間,以及選擇添加炒灰劑的時(shí)機(jī)和用量等工藝參數(shù),可以提高鋁灰中鋁金屬的回收效率。
2.針對(duì)不同的鋁灰類型,合理選擇鋁灰回收處理設(shè)備,可以高效地實(shí)現(xiàn)鋁灰中金屬的回收處理;不同的回收處理工藝,改進(jìn)回收工藝參數(shù),選用專用的回收設(shè)備,加入適當(dāng)?shù)某椿覄?,均可以提高鋁灰中金屬的回收的效率。
我們也應(yīng)該看到,目前我國(guó)鋁灰中鋁金屬處理處于相對(duì)初級(jí)的發(fā)展階段,鋁灰回收處理技術(shù)及工序仍然比較粗放,設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)陋,生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣,無(wú)論是回收工藝、生產(chǎn)設(shè)備都需要提高和完善,我們對(duì)鋁灰回收技術(shù)的研究還有待進(jìn)一步深入和拓展。
此外,鋁灰回收只集中在對(duì)灰中金屬的回收,鋁灰中AlN、Al2O3等可利用成分仍然與鋁灰回收后的產(chǎn)物一起處理,并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)資源的有效利用和循環(huán)發(fā)展。鋁灰有毒有害的固體廢物,仍然對(duì)環(huán)境造成較大破壞,所以鋁生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視鋁灰回收和利用技術(shù)的研究,從而推動(dòng)我國(guó)鋁行業(yè)向“綠色”“低碳”“環(huán)?!钡目沙掷m(xù)道路上發(fā)展。