鋁材工業廢渣向陶瓷制備材料轉換的技術

唐曙光，王興波

佛山科學技術學院機械與電氣工程學院，廣東 佛山 528000

0 引 言

鋁型材產品經過表面清洗(除油脫脂、除氧化皮)后、拋光、保護、封孔才能交付使用.在清洗過程中會產生工業廢料(化學廢料，鋁材行業內稱為廢渣).根據對佛山高明地區一些鋁型材生產制造企業的調查統計，一個年產量為20 000 t的鋁型材生產企業，年產的廢渣量為6 500 t，即每清洗3.3 t鋁材便可產生1 t工業廢渣.圖1某企業的廢渣出口場景照片.

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

我國是鋁型材生產制造的大國.據統計，2012年我國鋁型材產銷量達到約1 440萬t[1].佛山是中國鋁型材生產制造產業集中地.據《大瀝鋁材商務網》(http://www.dalilvcai.com)披露，截至2010年10月，佛山地區的鋁型材加工企業有200多家[2],生產量超過全省產量的60%、超過全國產量的40%.據此計算，佛山地區 2012年鋁材產量將達到500多萬t.按照每3.3t產品產生1 t廢渣的統計數據，2012年，佛山地區將產生超過100萬t的工業廢渣.推算到廣東、全國分別為290萬t、436萬t.鋁材工業廢渣富含化學物質，既是寶又是害.其寶在于可從其中回收有用的工業原料，其害在于它對環境的污染.因此，如何處理這些廢渣一直是困擾環保部門和鋁材生產企業的問題.許多專業技術人員都探討了解決方案.如文獻[3]的作者提出了燒鑄成型后提煉硫酸鋁的方法，文獻[4]介紹了利用工業含鋁廢渣生產高效水處理劑聚合氯化鋁的研究，文獻[5]-[11]介紹了更多的處理方法.但是，鑒于鋁型材生產企業在生產工藝上的差別，目前沒有通用的解決方案.以至于佛山市環保局甚至發出了“不宜再發展鋁型材”的呼吁[12].一些生產企業干脆按照每噸幾十元錢的價格，請人運輸到外地處理.

2012年2月，經高明區經促局中小企業科介紹，佛山科學技術學院王興波教授等人深入高明區對一些鋁型材生產廠家工業廢渣處理的問題進行了調研.經過取樣、分析和一系列實驗，發現高明地區鋁材廢渣的主要成分是水和高嶺土.于是開展了循環利用的試驗.試驗證明佛山地區大部分廢渣在不同溫度和時間進行焙燒，可分別產生固體阻燃劑、高含量氧化鋁，成為消防、陶瓷行業的工業原料.下面介紹試驗及分析過程和轉換方案.

1 鋁材廢渣的分析與實驗

為厘清鋁材廢渣的化學成分及其作用，課題組分別采用了對廢渣進行直接化學分析、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組成.

1.1 分析與實驗過程

1.1.1 毛料分析 鋁型材廢渣的毛料是灰白色泥狀物質.經取樣后，放在陽光充足和通風好的開闊地帶自然風干.一周后，毛料顏色或因氧化原因變為灰色，但水分消失不多.整個樣本仍然處在泥狀.初步斷定樣本所含自然游離水較少、附著水或結晶水較多.取出300 g樣品直接按照GB/T4734-1996,GB/T16537-2010進行化學分析，得到分析數據如表1所示.

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

1.1.2 焙燒實驗 取三組相同質量(300 g)的樣本，另外三組分別在100 ℃、300 ℃、1 000 ℃溫度下焙燒.焙燒后，發現廢渣物質的顏色發生了變化，物質質量分數也發生了變化.具體數據如表2～5所示.

表2 鋁型材廢渣經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 ℃焙燒后分析數據Table 3 Analytical data of aluminium-section waste residue after calcinations under 100 ℃ %

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

1.1.3 氫氧化鋁測定實驗 取經100 ℃、300 ℃焙燒后的膠狀固態物質各100 g，按照YS/T 534.5-2007標準采用滴定法進行氫氧化鋁測定，結果如表6所示.

表6 廢渣經低溫焙燒后經滴定法測定的數據Table 6 Aluminium hydroxide in waste residue after low temperature calcination

1.2 實驗結果

表1給出的分析數據表明，高明區鋁型材生產廠家(部分)工業廢渣的物相組成主要是附著水或結晶水占33.89%、氧化鋁(Al2O3)占54.68%與硫酸鹽占7.76%.有害物質(Cr2O3)占0.02%(未超標).表3、表4的數據表明，經低溫焙燒后，去除了廢渣中的部分附著水或結晶水，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.結合表2、表6的數據，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.根據表2的數據以及氫氧化鋁的性質可以斷定，廢渣經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，其中氧化鋁的質量分數超過90%.

2 鋁材廢渣應用于陶瓷地磚制備原料

前述分析實驗結果表明，經高溫焙燒后，高明區鋁型材生產廠家(部分)工業廢渣可轉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，佛山又是中國陶瓷產業的主要產地，故產生了將這些廢渣轉換成佛山陶瓷、瓷磚制備材料的想法并進行了相應的工作.

2.1 實驗室試制

取5 000 g樣品經900 ℃焙燒后，交與鷹牌陶瓷在窯爐進行制件實驗.鷹牌陶瓷經按照陶瓷地磚實驗標準，制作了三塊餅狀樣本入爐燒制.燒制的樣品如圖2所示，分析結果如表7所示.結果表明，所燒制制件完全符合地磚的企業標準.

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驗結果Table 7 Mohs’ hardness scale and whiteness of waste residue after calcination in furnace

2.2 工業生產試驗

基于實驗室的試制結果，決定進行工業生產實驗.根據前期對焙燒品分析化驗的結果，選擇了一款廁所地磚和一款外廊墻磚作為實驗對象.分別從佛山高明某鋁型材廠家收集廢渣5 t，經GME硅鉬棒高溫箱式電阻爐(該爐焙燒溫度可達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

基于前述分析化驗結果，直接用于制件.經配料、模壓、飾紋、上釉后再燒制、打磨，得到的2款產品，樣品如圖4所示.

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

經企業檢驗中心檢驗，產品完全符合國家標準4100-2006.考慮上述生產過程的配料、飾紋、上釉及燒制打磨等屬于陶瓷制備工藝過程并涉及到企業生產的工藝秘密.這里不再贅述.

3 廢料再利用的途徑及實現方法

3.1 廢料再利用的思路

前述多種實驗結果表明以下事實：

(1)高明地區部分鋁型材制造工藝產生的工業廢渣可以轉換為本地的陶瓷產業原材料；

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

(3)根據氧化鋁的化學性質，進一步焙燒超過1 100 ℃，即可得到氧化鋁材料，可作為生產鋁的原料.

為此，設計了2種基于焙燒爐實施轉換，其中一種為基于垃圾焚燒的固定窯爐，已經申請國家專利，詳見文獻[13].以下介紹另外一種移動方式的車載焙燒轉爐.

3.2 一種移動方式的車載廢渣焙燒轉爐

本款移動方式的車載焙燒轉爐，主要參考混凝土攪拌運輸車的結構作業過程并在其基礎上增加了鼓風、噴油、排氣、排水部分.圖5是該轉爐的外形結構布局.從圖5中可以看出，整個車載回收轉爐分為以下幾個大部分：

載車：采用國內生產的3軸載重卡車.

燃燒轉爐：體積為3.5 m3，有效使用容積為2.2～2.5 m3.

轉爐動力系統：電機及其驅動輪系.

轉爐支架：鋼結構支架.

鼓風機系統：由燃氣輪機多級壓氣機，采用大面積、向前、矩形進氣口.

廢氣過濾排放系統：排氣方向斜向上，過濾系統主要過濾粉狀物或顆粒.

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：進料出料系統.

油箱及噴油系統：由4個燃油油箱及燃油噴射系統組成，郵箱總容量為1 000 L.

圖5 車載工業廢渣回收回轉爐外形結構布局Fig.5 Appearance and configuration of vehicle-mounted recycle-rotary furnace for industrial waste residue

該移動車載焙燒轉爐的工作原理是這樣的：鋁型材廢渣經入料口進入爐膛，達到規定載荷后關閉入料口；汽車發動駛向目的地(陶瓷生產廠家)，同時啟動轉爐轉動驅動電機系統開啟轉爐的轉動.鼓風機系統開始向爐膛鼓風同時噴油系統向爐膛噴射霧狀燃油，點火器點火開始燃燒燃油，由此加熱廢渣.在整個車輛行駛過程中，轉爐循環轉動、燃油不間歇燃燒以保持焙燒的過程，間歇啟動廢氣過濾排放系統以及廢水收集箱處理廢氣廢水以保持環境干凈.廢渣處理到規定的標準后，汽車停在泄料臺，打開出料口泄出陶瓷制備初級材料.再實現第二次裝料處理的循環.

由于該移動焙燒轉爐的詳細設計涉及到大量的機械專業數據且超出本文范圍，這里不再贅述.該車已經由佛山某企業經改裝試制出樣車，如圖6所示.但由于涉及到交管、上牌、環評等行政許可問題，目前僅在工業園區內部試運行，達到預期效果.

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

4 結 語

佛山地區擁有全國最大的建筑陶瓷生產基地，也擁有全國最大的鋁型材生產基地.通過對高明地區部分鋁型材生產企業產生廢渣的分析與實驗得到如下結果：

a.工業廢渣的主要成分是氫氧化鋁、硫酸鹽與附著水或結晶水.

b.經300 ℃焙燒后去除部分附著水，廢渣轉換成以氫氧化鋁為主的固態膠狀物質，可作為工業阻燃劑.

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

d.采用專門的轉換裝備，易于將廢渣轉換成有價值的工業原料.

由此可見，佛山地區大量的鋁型材生產企業與陶瓷制備企業之間存在良好的循環經濟結構，具有很大的發展空間.本文所給的方法，為二者之間的結合和互惠提供了參考，有益于佛山地區經濟發展.

致 謝

本文研究工作得到了國家星火計劃項目(2013GA780052)、廣東省工業攻關項目(2012B010600018)、廣東省數控一代機械產品創新應用示范工程專項資金項目(2012B011300068)、佛山市科技發展專項資金項目(2011AA100021)、佛山市產學研項目(2012HC100131)、佛山科技創新平臺項目(2013AG10007)、禪城區產學研項目(2012B1011)、(2013B1018)、禪城區科技計劃項目(2013A1021)等的支持.在此對相關部門和人員一并表示感謝！

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