一种铝灰无害化及资源化处理系统及运行调控方法与流程

1.本发明涉及工业废物资源化处理技术领域，尤其涉及一种铝灰无害化及资源化处理系统及运行调控方法。


背景技术：

2.随着铝工业的大发展，当前所面临的能源、资源短缺矛盾日益突出，同时环境保护问题日益严峻。据统计，每生产和铸造1吨铝，大约排放30-50kg铝灰。传统处置方式基本是填埋或露天堆放，这样的处置措施不仅占用了大量土地，而且其中所含的可溶性盐和反应产生的氨气会通过风吹、日晒、雨淋的作用转移，或挥发进入大气，或随雨水混入江河、渗入地下污染土壤和地下水，对动植物生长及人体产生很大损害，破坏生态环境，影响生态平衡。
3.根据铝含量不同，铝灰可以分为一次铝灰和二次铝灰：
①
一次铝灰：主要为金属铝和铝氧化物的混合物，铝含量可达15％～70％，在电解原铝及铸造等不添加盐熔剂过程中产生，呈灰白色，又称白铝灰；
②
二次铝灰：为经盐浴处理回收一次铝灰或铝合金精炼之后产生的混合物，因其固结成块状又被称为盐饼。主要成分包括少量的金属铝、氧化铝和一定量的nacl、kcl等盐类。其金属铝含量较一次铝灰低。
4.铝灰的环境危害性主要体现在以下三点：
①
二次铝灰中的氟化物浸出毒性超出标准，腐蚀性较高，直接堆存会导致周边地下水和土壤ph值升高，并引起氟污染；
②
二次铝灰中含氮化铝、金属铝、碳化铝等，遇水会释放大量氨气，并产生氢气、甲烷、等易燃易爆气体，污染大气环境，存在安全隐患；
③
二次铝灰中含有大量的可溶性盐，溶解渗出积聚会导致土壤盐碱化和水体污染。
5.由于二次铝灰铝含量低，杂质成分复杂，处理成本高，综合利用困难。目前大部分企业产生的二次铝灰主要通过车辆外运进行无害化处理，资源化利用率很低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种铝灰无害化及资源化处理系统及运行调控方法，在最大化提取金属铝的基础上，将铝灰中的危险特性因子进行处理，其活性组分深度解离，气相回收氨水和可燃气，固相惰性转化为高铝料，液相后续可蒸发结晶。
7.将铝灰湿法浸出分为两个阶段，对应反应釜系统的一二级反应釜布置，一级反应釜充分利用反应的放热特性，实现节能、反应高效，二级反应釜承接一级反应釜的后续反应，提升一级反应釜的时间与空间利用率同时，加长反应时间、调节液固比，尤其保证铝灰无害化关键指标之一铝灰总氮去除率达到90%以上。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案。
9.一种铝灰无害化及资源化处理系统，包括：铝灰料预处理系统、反应釜系统、氨气回收系统、水洗系统。
10.所述铝灰料预处理系统包括铝灰下料仓、滚筒筛、细铝灰给料仓、球磨机，所述铝
灰下料仓输出端管道连接所述滚筒筛输入端，所述滚筒筛通过两通分料阀构成两个输出端，分别独立管道连接所述细铝灰给料仓输入端、球磨机输入端。
11.所述球磨机输出端管道连接所述铝灰下料仓输入端。
12.所述反应釜系统包括碱液给料仓、铝灰碱液混料仓、一级反应釜、二级反应釜，所述细铝灰给料仓输出端管道连接所述铝灰碱液混料仓输入端，所述碱液给料仓输出端管道连接所述铝灰碱液混料仓输入端，所述铝灰碱液混料仓输出端管道连接所述一级反应釜顶部料口。
13.所述一级反应釜底部料口管道连接所述二级反应釜顶部料口。
14.所述氨气回收系统包括气体缓冲罐、氨气回收射流塔组、氨水储罐，所述一级反应釜、二级反应釜的顶部料口分别独立气道连接所述气体缓冲罐输入端，所述气体缓冲罐输出端气道连接所述氨气回收射流塔组输入端，所述氨气回收射流塔组液体输出端管道连接所述氨水储罐输入端，所述氨气回收射流塔组气体输出端气道连接后续系统外处理设备。
15.所述水洗系统包括真空过滤皮带机、浓盐水储罐，所述二级反应釜底部料口管道连接所述真空过滤皮带机输入端，所述真空过滤皮带机液体输出端管道连接所述浓盐水储罐，所述真空过滤皮带机滤饼输出端连接后续系统外储存设备。
16.优选的，所述一级反应釜、二级反应釜的数量比例为1:2。
17.优选的，所述氨气回收射流塔组可以由多个所述氨气回收射流塔重复串联组成。
18.本发明还提供铝灰无害化及资源化处理系统运行调控方法，包括以下步骤。
19.步骤a，铝灰料预处理筛分阶段，铝灰进入所述滚筒筛进行筛分，筛下的细铝灰直接管道输送到所述细铝灰给料仓，筛上的的粗铝灰进入所述球磨机，研磨后重新进入所述滚筒筛再次筛分。
20.步骤b，铝灰湿法浸出一阶段，筛后的细铝灰通过所述细铝灰给料仓进入所述铝灰碱液混料仓，碱液通过所述碱液给料仓进入所述铝灰碱液混料仓与细铝灰混合后进入所述一级反应釜，所述一级反应釜加入水，调整液固比，调节温度。
21.步骤c，铝灰湿法浸出二阶段，所述步骤b生成的固液混合物经所述一级反应釜底部料口进入二级反应釜内，所述二级反应釜加入水，调整液固比，调节温度。
22.步骤d1，氨气回收阶段，所述步骤b、步骤c生成的含氨气体通过所述一级反应釜、二级反应釜的顶部料口分别独立进入所述气体缓冲罐输入端，含氨气体由所述气体缓冲罐进入所述氨气回收射流塔组，氨气以氨水形式储存至所述氨水储罐。
23.步骤d2，水洗阶段，所述步骤c反应完毕的固液混合物通过所述二级反应釜底部料口进入所述真空过滤皮带机，在所述真空过滤皮带机完成固液分离、四次清水洗涤，其所述真空过滤皮带机液体输出端管道连接所述浓盐水储罐，过滤洗涤后滤饼作为高铝料进入后续系统外储存设备。
24.优选的，所述步骤b的液固比为2:1，反应时间为60分钟。
25.优选的，所述步骤c的液固比为4:1，反应时间为60分钟。
26.优选的，所述步骤b与步骤c控制反应温度在70-80℃。
27.优选的，所述步骤b加入的所述碱液的溶剂为cao。
28.优选的，所述cao溶剂投加质量分数大于等于6%。
29.本发明的有益效果为。
30.1、在最大化提取金属铝的基础上，将铝灰中的危险特性因子进行处理，其活性组分深度解离，气相回收氨水和可燃气，固相惰性转化为高铝料，液相后续可蒸发结晶。
31.2、将铝灰湿法浸出分为两个阶段，对应反应釜系统的一二级反应釜布置，一级反应釜充分利用反应的放热特性，实现节能、反应高效，二级反应釜承接一级反应釜的后续反应，提升一级反应釜的时间与空间利用率同时，加长反应时间、调节液固比，保证铝灰总氮去除率达到90 %以上。
附图说明
32.图1是本发明铝灰无害化及资源化处理系统一个实施例的工艺流程图。
33.图2是本发明铝灰无害化及资源化处理系统运行调控方法确定总氮去除率单因素实验结果图。
34.其中，铝灰下料仓1；滚筒筛2；细铝灰给料仓4；球磨机5；碱液给料仓6；铝灰碱液混料仓7；一级反应釜8；二级反应釜9；气体缓冲罐10；氨气回收射流塔组11；氨水储罐12；真空过滤皮带机13；浓盐水储罐14；两通分料阀15。
具体实施方式
35.下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
36.铝灰的环境危害性主要体现在以下三点：
①
二次铝灰中的氟化物浸出毒性超出标准，腐蚀性较高，直接堆存会导致周边地下水和土壤ph值升高，并引起氟污染；
②
二次铝灰中含氮化铝、金属铝、碳化铝等，遇水会释放大量氨气，污染大气环境，存在安全隐患；
③
二次铝灰中含有大量的可溶性盐（氯化盐和氟化盐），溶解渗出积聚会导致土壤盐碱化和水体污染。
37.由此可知，对二次铝灰中氟、氮进行无害化甚至资源化处理，使之转化为可以利用，或至少稳定存在（不向外界释放氨气、浸出氟化物、氯化盐、氟化盐）是铝灰无害化及资源化处理的核心目标。
38.本发明采用湿法浸出工艺，通过高效强化连续多段反应，可实现金属铝、碳化铝、氮化铝等活性组分的高效水解及可溶盐的快速浸出。分解释放的氨气吸收制成9%左右浓度的氨水，氢气、甲烷等可燃气收集后作为产品售出；浓盐水可通过蒸发结晶制成复合型盐，惰性氧化物则经过滤、洗涤、烘干制备成氧化铝含量》70%的高铝料。高铝料主要成分为al2o3、caal2o4、mgal2o4、al(oh)3等，折算干基al2o3含量》70%，高铝料不具有反应性和浸出毒性，符合一般工业固废要求，可作为陶瓷、耐火材料、冶金辅料、建筑材料等产品的替代原料，拓宽产品资源化利用渠道，实现铝灰的增值利用。
39.主要反应原理。
40.al h2o 碱
→
al(oh)3 h2↑
。
41.al4c3 h2o 碱
→
al(oh)3 ch4↑
。
42.aln h2o 碱
→
al(oh)3 nh3↑
。
43.hf 碱
→
难溶性氟盐 h20。
44.为了上述湿法浸出工艺得到全量资源化利用，根据单因素实验设计规则，对二次铝灰湿法浸出工艺具有潜在影响的条件因素（液固比、温度、时间、水洗剂）进行实验。
45.如图2所示，不同液固比对二次铝灰氮含量和总氮去除率的影响如图2所示。根据检测结果可以看出，总氮去除率在76.22 %～84.76 %之间，液固比从3:1上升至7:1，总氮去除率上升了8.54 %，增加程度较小。而提高液固比会导致湿法浸出反应的剧烈强度降低，为了兼顾反应效率、利用放热、保证总氮去除，铝灰无害化及资源化处理系统采用一、二级反应釜布置，一级反应釜液固比相对低，提高反应效率并可以利用放热达到节能效果，二级反应釜液固比相对高，根据图2结果，能更好提高总氮去除率，且二级反应釜的设计为一级反应釜腾挪出空间，有利于连续处理。
46.由图2可以看出，水洗温度对总氮去除率的影响较为明显。在40 ℃时，总氮去除率仅有64.94 %；在80 ℃时，氮含量去除率达到85.37 %。随着温度的升高，氮含量的去除率越高，主要原因是在碱性溶液环境下，溶液温度的提升有利于去除氮化铝表面的保护层，加快氮化铝的反应速率。故为此，一、二级反应釜均需要调节温度，由于一级反应釜内反应相对剧烈，产生了大量热量，故一级反应釜仅需稍微加热即可满足优选温度，二级反应釜能借助自身放热较少。
47.水洗时间对铝灰总氮去除率影响结果如图2所示。从图中可以看出，当水洗时间增加时，总氮去除率有所增大，增长幅度为7.92 %，小于改变水洗温度时增长的幅度20.43 %，比改变液固比因素时的增长幅度8.54 %略小。同时，在实验过程中发现随着时间的增加，样品出现了少量的水损。因随着液固比降低，总氮去除率存在下降趋势，所以在3 h后的总氮去除率较2 h时的总氮去除率降低了1.83 %。因此，选择2 h为最佳水洗时间。
48.如图2所示，二次铝灰中盐主要为钠盐，且二次铝灰中含有氟化物，对其安全处置具有重要影响。因此，选择四种水洗剂（cao、ca(oh)2、naoh、na2co3）进行水洗实验，总氮去除率结果如图2。从结果看出，随着不同水洗剂浓度的增加，总氮去除率逐渐提高。其中，ca(oh)2的总氮去除率最低，最高时仅有79.27；naoh的总氮去除率最高，可达92.27 %。其次，naoh的总氮去除率差值较小，为4.47 %；ca(oh)2的总氮去除率波动性最强，差值为22.88 %。四种水洗剂的总氮去除率效果排列为：naoh》cao》na2co3》ca(oh)2。造成该现象的主要原因是naoh属于强碱，且在水中的溶解度较其他三种水洗剂的高，能在水溶液中形成较多的oh-与二次铝灰中的氮元素反应。在反应过程中，naoh的反应剧烈程度较高，cao的反应较为温和，且在工业上，cao的成本较naoh的成本低。综上所述，选择cao为最优水洗剂，且在cao投入量大于或等于6 %时，总氮去除率处于较为稳定状态。
49.根据图2结果分析，为了上述湿法浸出工艺得到全量资源化利用，得出了具有潜在影响的条件因素（液固比、温度、时间、水洗剂）的优选。以此为导向，得到铝灰无害化及资源化处理系统的技术方案。
50.一种铝灰无害化及资源化处理系统，包括：铝灰料预处理系统、反应釜系统、氨气回收系统、水洗系统。
51.所述铝灰料预处理系统包括铝灰下料仓1、滚筒筛2、细铝灰给料仓4、球磨机5，所述铝灰下料仓1输出端管道连接所述滚筒筛2输入端，所述滚筒筛2通过两通分料阀15构成两个输出端，分别独立管道连接所述细铝灰给料仓4输入端、球磨机5输入端。
52.所述球磨机5输出端管道连接所述铝灰下料仓1输入端。
53.所述反应釜系统包括碱液给料仓6、铝灰碱液混料仓7、一级反应釜8、二级反应釜9，所述细铝灰给料仓4输出端管道连接所述铝灰碱液混料仓7输入端，所述碱液给料仓6输
出端管道连接所述铝灰碱液混料仓7输入端，所述铝灰碱液混料仓7输出端管道连接所述一级反应釜8顶部料口。
54.所述一级反应釜8底部料口管道连接所述二级反应釜9顶部料口。
55.所述氨气回收系统包括气体缓冲罐10、氨气回收射流塔组11、氨水储罐12，所述一级反应釜8、二级反应釜9的顶部料口分别独立气道连接所述气体缓冲罐12输入端，气体缓冲罐12主要作用是为了是产气均质化。因为化学反应的产气量会有一定的波动，有了气体缓冲罐12，可以适当的产气进行波峰波谷调节，所述气体缓冲罐12输出端气道连接所述氨气回收射流塔组11输入端，所述氨气回收射流塔组11液体输出端管道连接所述氨水储罐12输入端，所述氨气回收射流塔组11气体输出端气道连接后续系统外处理设备。
56.所述水洗系统包括真空过滤皮带机13、浓盐水储罐14，所述二级反应釜9底部料口管道连接所述真空过滤皮带机13输入端，所述真空过滤皮带机13液体输出端管道连接所述浓盐水储罐14，所述真空过滤皮带机13滤饼输出端连接后续系统外储存设备。
57.优选的，所述一级反应釜8、二级反应釜9的数量比例为1:2。
58.优选的，所述氨气回收射流塔组11可以由多个所述氨气回收射流塔重复串联组成。四个所述氨气回收射流塔重复串联组成的氨气回收射流塔组11可实现9%氨水的生产。
59.本发明还提供铝灰无害化及资源化处理系统运行调控方法，包括以下步骤。
60.步骤a，铝灰料预处理筛分阶段，铝灰进入所述滚筒筛2进行筛分，筛下的细铝灰直接管道输送到所述细铝灰给料仓4，筛上的的粗铝灰进入所述球磨机5，研磨后重新进入所述滚筒筛2再次筛分。小颗粒度的铝灰有利于提升湿法浸出工艺反应速度，更大的反应表面积减少形成氧化铝或氢氧化铝保护层对湿法浸出反应的影响。
61.步骤b，铝灰湿法浸出一阶段，筛后的细铝灰通过所述细铝灰给料仓4进入所述铝灰碱液混料仓7，碱液通过所述碱液给料仓6进入所述铝灰碱液混料仓7与细铝灰混合后进入所述一级反应釜8，所述一级反应釜8加入水，调整液固比，调节温度。一级反应釜液8固比相对低，提高反应效率并可以利用放热达到节能效果。
62.步骤c，铝灰湿法浸出二阶段，所述步骤b生成的固液混合物经所述一级反应釜8底部料口进入二级反应釜9内，所述二级反应釜9加入水，调整液固比，调节温度。二级反应釜9液固比相对高，根据图2结果，能更好提高总氮去除率，且二级反应釜9的设计为一级反应釜8腾挪出空间，有利于连续处理。
63.步骤d1，氨气回收阶段，所述步骤b、步骤c生成的含氨气体通过所述一级反应釜8、二级反应釜9的顶部料口分别独立进入所述气体缓冲罐10输入端，含氨气体由所述气体缓冲罐10进入所述氨气回收射流塔组11，氨气以氨水形式储存至所述氨水储罐12。
64.步骤d2，水洗阶段，所述步骤c反应完毕的固液混合物通过所述二级反应釜9底部料口进入所述真空过滤皮带机13，在所述真空过滤皮带机13完成固液分离、四次清水洗涤，其所述真空过滤皮带机13液体输出端管道连接所述浓盐水储罐14，过滤洗涤后滤饼作为高铝料进入后续系统外储存设备。高铝料主要成分为al2o3、caal2o4、mgal2o4、al(oh)3等，折算干基al2o3含量》70%，高铝料不具有反应性和浸出毒性，符合一般工业固废要求，可作为陶瓷、耐火材料、冶金辅料、建筑材料等产品的替代原料。浓盐水可通过蒸发结晶制成复合型盐。
65.优选的，所述步骤b的液固比为2:1，反应时间为60分钟。
66.优选的，所述步骤c的液固比为4:1，反应时间为60分钟。
67.优选的，所述步骤b与步骤c控制反应温度在70-80℃。
68.优选的，所述步骤b加入的所述碱液的溶剂为cao。
69.优选的，所述cao溶剂投加质量分数大于等于6%。
70.实施例：二次铝灰由外部进入铝灰下料仓1，后进入所述滚筒筛2进行筛分，筛下的细铝灰直接管道输送到所述细铝灰给料仓4，筛上的的粗铝灰进入所述球磨机5，研磨后重新进入所述滚筒筛2再次筛分，最终所有铝灰研磨至细铝灰全部进入细铝灰给料仓4。后进入所述铝灰碱液混料仓7，投加质量分数为6%的cao碱液通过所述碱液给料仓6进入所述铝灰碱液混料仓7与细铝灰混合后进入所述一级反应釜8，所述一级反应釜8加入水，调整液固比为2:1，调节温度80℃，反应60分钟。随后进入二级反应釜9内，所述二级反应釜9加入水，调整液固比为4:1，调节温度80℃，反应60分钟。一级反应釜8、二级反应釜9产生的含氨气体通过所述一级反应釜8、二级反应釜9的顶部料口分别独立进入所述气体缓冲罐10输入端，含氨气体由所述气体缓冲罐10进入所述氨气回收射流塔组11，氨气以氨水形式储存至所述氨水储罐12。二级反应釜9反应完毕的固液混合物通过二级反应釜9底部料口进入所述真空过滤皮带机13，在所述真空过滤皮带机13完成固液分离、四次清水洗涤，其所述真空过滤皮带机13液体输出端管道连接所述浓盐水储罐14，过滤洗涤后滤饼作为高铝料进入后续系统外储存设备。
71.以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。