一种高效无害化处理铝灰的方法与流程

本发明属于环保材料技术和有色金属冶炼技术领域，特别涉及一种铝工业生产中铝灰的处理方法。

背景技术：

铝灰是原铝生产、铝合金及加工、废铝回收等铝工业过程中产生的一种高污染废弃物。该废弃物为高温下铝与空气反应形成的必然产物，产量巨大。铝灰的成分复杂，因生产环节不同、生产厂家的原料及操作条件不同而略有变化，但通常含有金属铝，铝的氧化物、氮化物，氯盐以及一些其他成分。目前铝灰分离出夹带的金属铝以后，大部分堆存或填埋处理。但由于铝灰含有的氮氧化物很不稳定，易发生化学反应，形成易燃的、有害的刺激性气体，造成空气污染。另外，铝灰中还会存在一些可溶于水的盐类污染物，可对土壤和地下水造成严重污染。铝工业生产及加工铝过程中常伴随着铝灰等废弃物的产生，在铝电解生产中，每产出原铝大约1t的量，相应的就要产生30～50kg的待处理铝灰；在铝加工及再利用生产中，每吨铝又将产生30～40kg的待处理铝灰。经调查，2019年我国铝产量已达3500万吨/年，铝灰实际产量已经突破200万吨，且以2%左右的速度在持续增加。

近年来，已有不少专家学者对铝灰的处理进行的大量的研究，东北大学的康天宇等人做了铝灰处理与循环利用研究，将铝灰中的金属铝回收后，剩下的二次铝灰加入到电解槽中，实现了铝灰的循环利用；昆明理工大学的周扬明等人做了铝灰的无害化处理及综合利用研究，通过加入液固比大于4：1的水洗涤，然后加入添加剂焙烧的方法达到无害化铝灰的目的。

专利cn201410499871.2公开了一种铝灰无害化处理并回收利用的方法，该方法将铝灰二次处理回收金属铝、水浸脱除氮化物、焙烧脱除氟化物、碱熔融烧结、烧结料溶出、铝酸钠溶液脱除杂质后作为生产砂状氧化铝原料。专利cn201611099617.9公开了一种铝灰资源化处理方法，该方法将铝灰进行脱氮、氟、砷处理后焙烧，得到的熟料破碎酸浸除金属杂质，得到成品氧化铝。专利201611266169.7公开了一种无害化处理铝灰的方法，该方法将铝灰经球磨分铝后加水搅拌浸出，除去铝灰中的氮化物，然后除铁离心脱水干燥，得到无害化后的铝灰。专利cn201710104633.0公开了铝灰回收再利用方法，该方法先将铝灰调浆，进行脱氨处理，然后将浆料输送进反应釜中，待反应结束后固液分离干燥煅烧，得到氧化铝。专利cn201710678051.3公开了一种二次铝灰无害化综合利用的方法，该方法采用湿法工艺，脱除铝灰中的氮化物和盐类，经固液分离后得到滤饼用于制备铝酸钙材料。专利cn201710893673.8公开了一种调压-水热旋流工艺强化铝灰脱氮的方法，该方法分为灰/铝分离，喂料，脱氮，沉降过滤洗涤，干燥五个步骤，通过在反应器中施加旋流，控制氨气逸出速率，控制铝灰脱氮反应速率，提高铝灰脱氮效率。专利cn201810731116公开了一种铝灰处理工艺中惰性铝灰处理的方法，该方法将铝灰和生料浆的混合物依次经回转窑烧成，冷却机冷却，最后在球磨机中进行熟料溶出。专利cn201810862255公开了一种低污染的二次铝灰处理方法，该方法步骤主要包括二次铝灰水洗脱盐、液固分离滤液脱氟、滤液蒸发结晶回收复合盐、液固分离滤饼焙烧脱氮，处理后的铝灰达到国家无害化要求。专利cn201811279802.5公开了一种安全无害化处理铝灰的方法，该方法主要通过一次脱氨处理、制浆再脱氨、催化脱氨三个步骤，使铝灰中的氮化铝分阶段进行分解产生氨气并安全回收，从而达到无害化处理铝灰的目的。

随着我国电解铝产量、铝加工、废铝回收量的逐年增加，将产生大量的铝灰，如不妥善处理，不仅浪费了资源，而且还污染环境，所以对铝灰的无害化处理与利用具有重要的意义。

技术实现要素：

为了解决铝工业生产中产生的大量铝灰废弃物的问题，本发明的目的在于提供一种高效处理铝灰的方法，该方法以湿化学法球磨工艺强化铝灰反应为主，并加入催化剂、促进剂等加强铝灰水解反应效果，达到除去铝灰中氮的目的，将铝灰通过无害化处理后变为一种可利用的无害化粉体材料。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种无害化处理铝灰的方法，具体步骤如下。

步骤1、将未处理的铝灰加入调浆槽中，加入水，开启搅拌，调浆，此时会有少部分的氨气产生，通过负压排气口排出收集处理。

步骤2、将调好的浆料输送进湿法球磨罐中，球磨罐中预先装好的研磨球，再加入水，加入催化剂和促进剂，加速反应，反应产生的氨气通过负压排气口排出收集处理。

步骤3、待反应结束后，通过筛分、水洗，分离出研磨球、铝粒和浆料，分离出的研磨球返回球磨罐再次使用，分离出的铝粒集中回收干燥后用于重熔铝锭，分理出的浆料通过除铁器除去铝灰中自带的铁以及球磨产生的铁。

步骤4、步骤3得到的除去铝灰中自带的铁以及球磨产生的铁的浆料，经过洗涤、过滤、干燥，最终得到可供耐火材料方面使用的无害化铝灰。

进一步地，所述步骤1中向调浆槽中加入水的质量为铝灰质量的0.5~2倍。

进一步地，所述步骤1中加入水的温度为25℃~100℃。

进一步地，所述步骤1中产生的氨气由排气口排出后，用稀硫酸吸收，用于制备硫酸铵。

进一步地，所述步骤2中湿法球磨罐中研磨球为氧化锆球、氧化铝球、铁球中的一种或多种，研磨球的加入量为铝灰质量的0.5~2倍。

进一步地，所述步骤2中水的加入量为铝灰质量的0.5~1倍。

进一步地，所述步骤2中湿法球磨机转速为30r/min~120r/min。

进一步地，所述步骤2中湿法球磨机两端在加料后加盖密封，盖上加有排气口，产生的氨气由排气口排出后，用稀硫酸吸收，用于制备硫酸铵。

进一步地，所述步骤2中，浆料输送进湿法球磨罐后，用油浴加热或蒸汽加热的方式，使反应温度达到85℃~100℃。

进一步地，所述步骤2中加入的催化剂是氢氧化钠、碳酸钠、氧化钙、氢氧化铝中的一种或多种混合物，催化剂的加入量为铝灰质量的0.01~0.05倍。

进一步地，所述步骤2中加入的促进剂是过氧化氢、氨水、盐酸、碳酸钠、乙醇中的一种或多种混合物，促进剂的加入量为铝灰质量的0.01~0.05倍。

进一步地，所述步骤2中反应时间为1h~3h。

进一步地，所述步骤3中筛分用筛子的目数为80~150目，目筛网材质为尼龙材质。

进一步地，步骤3中水洗目的是为了洗去研磨球及铝粒表面沾附的铝灰，洗水的加入量为铝灰质量的0.1~0.3倍。

进一步地，所述步骤4中洗涤过程中采用新水逆流洗涤1~5遍，新水加入量为铝灰质量的0.5~2倍，洗水返回到步骤1和步骤2中循环使用。

进一步地，所述步骤4中过滤的滤液经过蒸发结晶，结晶产物用于回收氯化盐，蒸发产生的水蒸气返回到步骤1和步骤2中循环使用。

进一步地，所述步骤4中对过滤的滤饼反复洗涤1~5次，洗水返回到步骤1和步骤2中循环使用。

进一步地，所述步骤4中对过滤后的滤饼采用桨叶干燥、喷雾干燥、闪蒸干燥等中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下。

（1）本发明提供的无害化铝灰的的处理方法采用湿法处理铝灰，避免了铝灰易燃易爆等危险性，提高了操作安全系数；用湿法球磨的方式代替机械搅拌，在搅拌的过程中，利用球磨的机械力，强化铝灰与水的反应。

（2）本发明提供的无害化铝灰的的处理方法采用湿法球磨的方式处理铝灰，缩短了工艺流程，在球磨分铝的同时，不仅进一步细化铝灰，还使脱氮反应同时进行并缩短反应时间。在工业生产上能够极大地节约能源。

（3）本发明提供的无害化铝灰的的处理方法采用湿法球磨的方式处理铝灰，以料浆的状态进行分铝和除铁过程，可以有效地降低粉尘的逸出，避免粉尘污染。

（4）经本发明提供的无害化铝灰处理方法处理的铝灰进一步细化，铝灰的粒度分布中位径能够达到30μm以下，更利于后续产品的使用。

（5）本发明提供的无害化铝灰的的处理方法所用原料为目前大量堆积且没有得到充分利用的铝灰，经该方法处理后将铝灰资源化，节约资源，变废为宝，工艺简单，是一种节能环保且成本低的处理方法，对铝灰的利用及无害处理具有重要意义。

附图说明

图1是本发明一种高效无害化处理铝灰的方法的流程图。

图2是反应温度对球磨水解效果的影响实验结果。

图3是球磨反应浆料液固比对球磨水解效果的影响实验结果。

图4是球磨反应时间对球磨水解效果的影响实验结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步的阐述。

一种高效无害化处理铝灰的方法的工艺流程图如图1所示，具体步骤如下。

步骤1、将未处理的铝灰加入调浆槽中，加入水，开启搅拌，调浆，此时会有少部分的氨气产生，通过负压排气口排出收集处理。

步骤2、将调好的浆料输送进湿法球磨罐中，球磨罐中预先装好研磨球，再加入水，加入催化剂和促进剂，加速反应，反应产生的氨气通过负压排气口排出收集处理。

步骤3、待反应结束后，通过筛分、水洗，分离出研磨球、铝粒和浆料，分离出的研磨球返回球磨罐再次使用，分离出的铝粒集中回收干燥后用于重熔铝锭，分理出的浆料通过除铁器除去铝灰中自带的铁以及球磨产生的铁。

步骤4、步骤3得到的除去铝灰中自带的铁以及球磨产生的铁的浆料，经过洗涤、过滤、干燥，最终得到可供耐火材料方面使用的无害化铝灰。

进一步地，所述步骤1中向调浆槽中加入水的质量为铝灰质量的0.5~2倍。

进一步地，所述步骤1中加入水的温度为25℃~100℃。

进一步地，所述步骤1中产生的氨气由排气口排出后，用稀硫酸吸收，用于制备硫酸铵。

进一步地，所述步骤2中湿法球磨罐中研磨球为氧化锆球、氧化铝球、铁球中的一种或多种，研磨球的加入量为铝灰质量的0.5~2倍。

进一步地，所述步骤2中水的加入量为铝灰质量的0.5~1倍。

进一步地，所述步骤2中湿法球磨机转速为30r/min~120r/min。

进一步地，所述步骤2中湿法球磨机两端在加料后加盖密封，盖上加有排气口，产生的氨气由排气口排出后，用稀硫酸吸收，用于制备硫酸铵。

进一步地，所述步骤2中，浆料输送进湿法球磨罐后，用油浴加热或蒸汽加热的方式，使反应温度达到85℃~100℃。

进一步地，所述步骤2中加入的催化剂是氢氧化钠、碳酸钠、氧化钙、氢氧化铝中的一种或多种混合物，催化剂的加入量为铝灰质量的0.01~0.05倍。

进一步地，所述步骤2中加入的促进剂是过氧化氢、氨水、盐酸、碳酸钠、乙醇中的一种或多种混合物，促进剂的加入量为铝灰质量的0.01~0.05倍。

进一步地，所述步骤2中反应时间为1h~3h。

进一步地，所述步骤3中筛分用筛子的目数为80~150目，目筛网材质为尼龙材质。

进一步地，步骤3中水洗目的是为了洗去研磨球及铝粒表面沾附的铝灰，洗水的加入量为铝灰质量的0.1~0.3倍。

进一步地，所述步骤4中洗涤过程中采用新水逆流洗涤1~5遍，新水加入量为铝灰质量的0.5~2倍，洗水返回到步骤1和步骤2中循环使用。

进一步地，所述步骤4中过滤的滤液经过蒸发结晶，结晶产物用于回收氯化盐，蒸发产生的水蒸气返回到步骤1和步骤2中循环使用。

进一步地，所述步骤4中对过滤的滤饼反复洗涤1~5次，洗水返回到步骤1和步骤2中循环使用。

进一步地，所述步骤4中对过滤后的滤饼采用桨叶干燥、喷雾干燥、闪蒸干燥等中的一种。

实施例1无害化处理铝灰的方法关键工艺参数考察实验。

本发明提供的无害化处理铝灰的方法中影响铝灰无害化水解的关键条件主要是：球磨反应温度、球磨料浆液固比、球磨反应时间。本发明通过单因素实验选取最优参数区间，实验选用含氮量5.4%的原铝灰。

1、反应温度对球磨水解效果的影响。

实验确定反应时间为2h，球磨反应浆料液固比1：1，通过对比65℃、75℃、85℃、95℃、100℃反应温度下球磨水解后铝灰粉体的氮含量，随着温度的球磨反应温度升高，铝灰粉体的氮含量呈降低趋势；当反应温度大于等于85℃时，铝灰粉体的氮含量随温度的增长变化趋势明显减，小趋于平稳，如图2所示，因此本发明提供的无害化处理铝灰的方法温度选取85~100℃。

2、球磨反应浆料液固比对球磨水解效果的影响。

实验确定反应温度为90℃，反应时间为2h，通过对比球磨反应浆料液固比0.6：1、1：1、1.5：1、2：1、2.5：1、3：1下球磨水解后铝灰粉体的氮含量，发现随着液固比升高，铝灰粉体的氮含量呈降低趋势，但当液固比大于等于2.5：1时，随着液固比的增加，铝灰粉体的氮含量基本不随液固比的增长而变化，并且在液固比大于2.5；1时，球磨细化、分铝效果变差。如图3所示，因此本发明提供的无害化处理铝灰的方法选取液固比区间为1：1~2：1，相对于传统无害化处理工艺，用水量明显降低。

3、球磨反应时间对球磨水解效果的影响。

实验确定反应温度为90℃，球磨反应浆料液固比1：1，通过对比球磨反应时间0.5h、1h、2h、3h、4h、5h后铝灰粉体的氮含量，随着球磨反应时间增加，铝灰粉体的氮含量呈降低趋势，但当反应时间大于等于3h时，随着反应时间的增加，铝灰粉体的氮含量基本不随反应时间的增长而变化，如图4所示，因此本发明提供的无害化处理铝灰的方法选取球磨反应时间区间为1~3h，相对于传统机械搅拌无害化处理工艺，效率明显提高。

因此，本发明提供的无害化处理铝灰的方法选取反应最优参数区间为球磨反应温度：85~100℃、球磨料浆液固比：1：1~2.5：1、球磨反应时间：1~3h。

实施例2。

取1000kg待处理铝灰加入到调浆槽中，加入800kg温度为25℃的水，开启搅拌，以60r/min的速度匀速搅拌约0.5h，产生的氨气由排气口排出后，用稀硫酸吸收，浆料通过螺旋给料机输送进湿法球磨罐中，球磨罐中预先装有1000kg研磨球，再向球磨罐中加入200kg25℃的水，并加入20kg碳酸钠作为催化剂和20kg浓氨水作为促进剂，启动球磨罐，以60r/min的速度运转，加热球磨罐中的浆料，使反应温度达到95℃，反应时间1h，反应产生的气体由排气口排出后，用稀硫酸吸收，反应结束后，浆料和研磨球的混合物倒入筛分机中，通过100目筛，筛分过程中以共计100kg水淋洗筛上物，以洗去研磨球及铝粒表面沾附的铝灰，得到筛上部分的研磨球1020kg和铝粒160kg，筛下部分的处理后铝灰浆料1900kg（球上附着20kg水，铝粒上10kg水，蒸发带走270kg水），向浆料中加入絮凝剂并转移至带式过滤机中过滤，得到含水率为30%的滤饼1357kg和滤液543kg，滤液输送至结晶槽中结晶，滤饼输送至干燥机中干燥，最终得到中位径d50=21μm，氮含量0.44%的干燥粉体955kg。

实施例3。

取1000kg待处理铝灰加入到调浆槽中，加入1200kg温度为25℃的水，开启搅拌，以45r/min的速度匀速搅拌约0.5h，产生的氨气由排气口排出后，用稀硫酸吸收，浆料通过螺旋给料机输送进湿法球磨罐中，球磨罐中预先装有1500kg研磨球，再向球磨罐中加入400kg经过预热的75℃水，并加入10kg氢氧化钠和15kg氧化钙的混合物作为催化剂，15kg浓氨水和15kg无水乙醇作为促进剂，启动球磨罐，以50r/min的速度运转，加热球磨罐中的浆料，使反应温度达到90℃，反应时间1.5h，反应产生的气体由排气口排出后，用稀硫酸吸收，反应结束后，浆料和研磨球的混合物倒入筛分机中，通过100目筛，筛分过程中以共计200kg水淋洗筛上物，以洗去研磨球及铝粒表面沾附的铝灰，得到筛上部分的研磨球1575kg和铝粒170kg，筛下部分的处理后铝灰浆料2360kg（球上附着75kg水，铝粒上15kg水，蒸发带走400kg水），向浆料中加入絮凝剂并转移至板框式压滤机中过滤，得到含水率为15%的滤饼1075kg和滤液1235kg，滤液输送至结晶槽中结晶，滤饼输送至干燥机中干燥，最终得到中位径d50=19μm，氮含量0.55%的干燥粉体930kg。

实施例4。

取1000kg待处理铝灰加入到调浆槽中，加入2000kg温度为25℃的水，开启搅拌，以30r/min的速度匀速搅拌约0.5h，产生的氨气由排气口排出后，用稀硫酸吸收，浆料通过螺旋给料机输送进湿法球磨罐中，球磨罐中预先装有2000kg研磨球，再向球磨罐中加入500kg经过预热的80℃水，并加入10kg碳酸钠、10kg氧化钙和15kg氢氧化铝作为催化剂，加入10kg过氧化氢、10kg浓盐酸和15kg无水乙醇作为促进剂，启动球磨罐，以40r/min的速度运转，加热球磨罐中的浆料，使反应温度达到90℃，反应时间2h，反应产生的气体由排气口排出后，用稀硫酸吸收，反应结束后，浆料和研磨球的混合物倒入筛分机中，通过120目筛，筛分过程中以共计300kg水淋洗筛上物，以洗去研磨球及铝粒表面沾附的铝灰，得到筛上部分的研磨球2100kg和铝粒260kg，筛下部分的处理后铝灰浆料3075kg（球上附着75kg水，铝粒上30kg水，蒸发带走620kg水），向浆料中加入絮凝剂并转移至板框压滤机中过滤，得到含水率为16%的滤饼945kg和滤液2130kg，滤液输送至结晶槽中结晶，滤饼输送至干燥机中干燥，最终得到中位径d50=18μm，氮含量0.42%的干燥粉体830kg。

对比例。

取1000kg待处理铝灰，按液固比6:1配置成料浆，在密封的脱氨反应装置内进行加热搅拌脱氨反应，反应温度95℃，反应时间10h，反应的氨气用水吸收氨水，反应后的料浆进行液固分离，液相在120℃下蒸发结晶得到氯化盐和氟化盐混合物；分离的脱氮铝灰固相洗涤、脱水、烘干，最终得到终得到中位径d50=180μm，氮含量0.8%的干燥滤饼1137kg。

实施例2与对比例提供的铝灰处理方法对比可知，本发明提供的无害化铝灰的处理方法反应温度低于对比例，铝灰脱氮反应时间小于对比例时间，制得的粉体含氮量低，铝灰的粒度分布中位径能够达到30μm以下等，表明本发明提供的无害化铝灰的处理方法通过湿法球磨的方式代替传统机械搅拌，不仅强化了铝灰脱氮效果、降低了反应温度、缩短了铝灰脱氮反应时间、减少了废水的产生，降低了蒸发结晶的能耗，还同时实现了高效分铝和细化物料的效果，大大缩短了工业流程，对无害化铝灰的进一步使用提供了便利，适合工业生产，实现了铝灰资源化，节能环保且成本低，对铝灰的利用及无害处理具有重要意义。

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