Al2O3赤泥綜合利用關(guān)鍵技術(shù)與推廣應(yīng)用研究

顧明明，栗 偉

（1.中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)，北京 100082；2.天地科技股份有限公司，北京 100013）

Al2O3赤泥綜合利用關(guān)鍵技術(shù)與推廣應(yīng)用研究

顧明明1，栗 偉2

（1.中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)，北京 100082；2.天地科技股份有限公司，北京 100013）

通過分析Al2O3赤泥綜合利用現(xiàn)狀，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外赤泥綜合利用的關(guān)鍵技術(shù)，闡述了赤泥綜合回收有價(jià)金屬、赤泥生產(chǎn)新型建筑材料和赤泥生產(chǎn)環(huán)境修復(fù)材料等綜合利用途徑的特點(diǎn)，指出了目前存在的主要問題，展望了推廣應(yīng)用前景。

赤泥；綜合利用；途徑；有價(jià)金屬回收；新型建筑材料；環(huán)境修復(fù)材料

赤泥是鋁土礦經(jīng)各種物理和化學(xué)處理，制取氧化鋁過程中產(chǎn)生的紅褐色粉泥狀含水的強(qiáng)堿性固體廢棄物，其產(chǎn)生量因礦石品位、生產(chǎn)的方法和技術(shù)水平等而異，每生產(chǎn)1t氧化鋁將同時(shí)產(chǎn)生0.8～1.5t干赤泥。2009年我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量達(dá)到2378.6萬t，據(jù)測(cè)算，赤泥產(chǎn)生量超過3 000萬t。而目前我國(guó)赤泥的綜合利用率僅為4%，赤泥累積堆存量達(dá)2億t。赤泥大量堆存，不僅占用土地，浪費(fèi)資源，而且易造成環(huán)境污染和安全隱患。

1 赤泥的組成

氧化鋁的生產(chǎn)方法有：拜耳法、燒結(jié)法和聯(lián)合法，這三種方法所產(chǎn)赤泥的成分、性質(zhì)、物相各異。燒結(jié)法赤泥的主要化學(xué)組分為50%以上的SiO2、CaO，20%左右的鐵鋁氧化物，少量的TiO2、MgO、Na2O、K2O和幾十種微量元素；與燒結(jié)法赤泥相比，拜耳法赤泥鈉含量較高，氧化鈣含量較低，鐵含量較高。表1為不同的氧化鋁生產(chǎn)方法所產(chǎn)赤泥的化學(xué)成分[1]。

表1不同的氧化鋁生產(chǎn)方法所產(chǎn)赤泥的化學(xué)成分 %

圖1中（a）和（b）分別為拜耳法赤泥和燒結(jié)法赤泥的掃描電鏡圖。可以看出，呈白色的Na2O等以球狀和片狀依附在其它物質(zhì)表面，拜耳法赤泥中的白色物質(zhì)明顯高于燒結(jié)法赤泥。

2 赤泥綜合利用的途徑

赤泥堆存的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)早已引起各氧化鋁生產(chǎn)國(guó)政府及企業(yè)的重視，并達(dá)成共識(shí)：解決赤泥問題的關(guān)鍵是研發(fā)赤泥綜合利用技術(shù)。我國(guó)多年來一直重視赤泥綜合利用的工作，圍繞赤泥的資源化利用及無害化處理兩大主題展開了多領(lǐng)域、多學(xué)科的技術(shù)研究，取得了一些研究成果[2～3]，積累了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，主要是在赤泥的安全堆存與復(fù)墾，有價(jià)金屬的綜合回收，生產(chǎn)水泥、空心磚等建筑材料以及生產(chǎn)環(huán)境材料等方面。表2為赤泥資源化綜合利用的途徑。

圖1 赤泥的掃描電鏡圖

表2 赤泥綜合利用的途徑

2.1 綜合回收有價(jià)金屬

赤泥中富含鐵、鋁、鈣、硅,并含有鈦、鈧、鈮、鉭、鋯、釷和鈾等稀有金屬。從赤泥中經(jīng)濟(jì)有效地提取有價(jià)金屬，并且不產(chǎn)生二次污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

美國(guó)的氧化鋁廠針對(duì)拜耳赤泥氧化鐵含量高的特性，很早就提出利用赤泥生產(chǎn)鐵的方法，并申請(qǐng)了專利。前蘇聯(lián)開發(fā)的高爐或電爐熔煉赤泥、回轉(zhuǎn)窯處理赤泥煉鐵等工藝方法，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。俄羅斯研究出了一種樹脂在赤泥礦漿中回收富集鈧、鈾、釷的吸入溶解工藝。印度提出自赤泥中回收TiO2以減少污染和保護(hù)陸地及礦物資源的方法。匈牙利學(xué)者提出的氯化焙燒處理赤泥熔渣工藝，可獲得TiO2高含量的爐渣，Al2O3和V2O5也在爐渣中得到富集。匈牙利托拉斯工程和發(fā)展中心采用電弧爐熔煉赤泥，爐渣水淬后回收其中的堿和鋁。鹽浸、過濾后的濾渣可用作水泥生產(chǎn)原料。

我國(guó)針對(duì)赤泥提取有價(jià)元素也做了大量的研究工作[4～8]。赤泥中弱磁性鐵占有很大的比例，直接磁選難以獲得高品位鐵精粉。平果鋁和山東鋁采用脈動(dòng)高梯度強(qiáng)磁選分選赤泥中的鐵礦物，選出的鐵精礦品位達(dá)到56%，鐵的回收率達(dá)到90%以上。廣西冶金研究院[14]以平果鋁土礦拜耳法赤泥為原料，以廣西煤炭作為還原劑，進(jìn)行了赤泥直接還原煉鐵的研究，通過磁化焙燒，渣中弱磁性Fe2O3轉(zhuǎn)變成磁性較強(qiáng)的Fe3O4，然后磁選得到高品位鐵精礦。該工藝是將拜耳法赤泥和煤混合制團(tuán)，干燥后進(jìn)行還原焙燒，最后磁選制取高品位的海綿鐵。試驗(yàn)結(jié)果：海綿鐵產(chǎn)品中TFe達(dá)84.17%，鐵的回收率86.96%。

拜耳法高鐵赤泥綜合利用的原則工藝流程見圖2。

圖2 拜耳法高鐵赤泥綜合利用的原則工藝流程

此外，赤泥中含有一定量的鈦、鈧等有用有價(jià)元素，可采用兩段酸浸工藝提取。先用6 mol/L鹽酸浸取，鹽酸浸出液用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的P507萃取，在50℃時(shí)用2.0 mg/L氫氧化鈉溶液反萃取，鈧的提取率達(dá)90%以上；再用17.1 mg/L硫酸浸取，酸渣質(zhì)量比3∶1，浸取溫度200℃，浸取時(shí)間2 h，鈦提取率可達(dá)95%。

2.2 生產(chǎn)新型建筑材料

俄羅斯第聶伯鋁廠利用拜耳法赤泥生產(chǎn)水泥，生料中赤泥配比達(dá)14%。日本三井氧化鋁公司以赤泥為鐵質(zhì)原料配入水泥生料，赤泥利用量達(dá)到5～20 kg/t。日本和美國(guó)曾用赤泥制造人工輕骨混凝土，其強(qiáng)度比天然卵石混凝土高。德國(guó)將赤泥摻混瀝青混凝土中，改善了瀝青混凝土路面使用性能。俄羅斯曾將赤泥用作道路基層材料。

我國(guó)也研制出了一系列利用赤泥制備建筑材料的技術(shù)、工藝和設(shè)備，利用赤泥生產(chǎn)水泥、墻體用磚、微晶玻璃、路基材料、充填材料、防滲和絕熱材料等。

2.2.1 生產(chǎn)水泥

赤泥中含有大量生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料所必需的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等組分，有用成分占總量的75%以上。因此，赤泥可用于水泥生產(chǎn)，生產(chǎn)硅酸鹽水泥、油井水泥及抗硫酸水泥等多種型號(hào)的水泥[9]。中鋁山東分公司上世紀(jì)60年代開始以赤泥代替粘土等工業(yè)原料，采用濕法工藝生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥,主要產(chǎn)品有32.5R和42.5R普通硅酸鹽水泥、API系列油井水泥等。利用赤泥生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥具有抗折強(qiáng)度高、早期抗壓強(qiáng)度高和增進(jìn)率低及抗硫酸鹽侵蝕性能好等特點(diǎn)。這種水泥適用于施工速度快和早期強(qiáng)度要求高的構(gòu)件及水工工程、鹽化工程等硫酸鹽含量高的工作環(huán)境。山東鋁業(yè)公司生產(chǎn)的水泥，赤泥最高加入量可達(dá)30%，40多年來共生產(chǎn)水泥3 000萬t,累計(jì)消耗赤泥800余萬t,是國(guó)內(nèi)目前赤泥綜合利用量最多的。上世紀(jì)90年代,國(guó)家實(shí)行了新的水泥標(biāo)準(zhǔn),對(duì)水泥含堿量的要求提高,致使水泥生產(chǎn)中赤泥的摻加量不斷減少。

2.2.2 生產(chǎn)各種新型墻體材料

（1）生產(chǎn)赤泥粉煤灰燒結(jié)磚。以赤泥、粉煤灰和煤矸石為原料，通過原料自身的發(fā)熱量與燒成熱量相平衡，實(shí)現(xiàn)全內(nèi)燃生產(chǎn)燒結(jié)磚，實(shí)現(xiàn)了制磚不用土，燒磚不用煤。這種工藝?yán)妹喉肥療Y(jié)后所得的偏高嶺土成分與赤泥中的游離堿作用，防止了堿的析出，增大了磚的強(qiáng)度，既節(jié)約了煤炭資源和土地資源，又大量利用赤泥、粉煤灰、煤矸石等工業(yè)廢渣。但國(guó)內(nèi)利用赤泥制成燒結(jié)磚沒能產(chǎn)業(yè)化。

（2）生產(chǎn)赤泥粉煤灰免燒磚。燒結(jié)法赤泥和熱電廠粉煤灰混合，赤泥具有潛在的水化特性，粉煤灰含有活性硅鋁成分，兩者相互作用，在添加劑作用下，水化作用增強(qiáng)，固結(jié)產(chǎn)生類似水泥水化相和膠質(zhì)凝結(jié)物，得到高強(qiáng)硬化體。赤泥和粉煤灰都是質(zhì)輕材料，生產(chǎn)時(shí)只需將赤泥、粉煤灰、膠結(jié)劑、添加劑等按比例混合，進(jìn)行輪碾、壓制和養(yǎng)護(hù)，可制出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的免蒸免燒磚[10～11]。赤泥粉煤灰免燒磚的性能達(dá)到MU15級(jí)優(yōu)等品免燒磚的標(biāo)準(zhǔn)要求。然而由于產(chǎn)品質(zhì)量、投資和效益等原因，目前還未正式投入工業(yè)化生產(chǎn)。

（3）生產(chǎn)低溫陶瓷膠凝材料。赤泥制備低溫陶瓷膠凝材料的關(guān)鍵在于赤泥活化，活化方法有：①低溫?zé)崃罨跈C(jī)械活化，③化學(xué)活化，可根據(jù)用途靈活選用。以赤泥為主要原料生產(chǎn)建筑磚、道路材料、筑壩材料及赤泥固化，赤泥可不經(jīng)熱力活化，直接選用其它工業(yè)廢渣制備的低溫陶瓷膠凝材料與赤泥配用；若以赤泥為主要原料生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，則拜耳法赤泥需要以熱力活化為前提。

2.2.3 用作路基材料

用赤泥作為路基材料既能大量消耗赤泥，又可以顯著降低筑路成本，有較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。2005年中鋁山東分公司修建了一條長(zhǎng)4 km的赤泥路基示范性路段，其以燒結(jié)法赤泥、粉煤灰、石灰等為主要原料，赤泥作為路基材料基本配方，該路段達(dá)到了石灰穩(wěn)定土一級(jí)和高速路的強(qiáng)度要求。這是國(guó)內(nèi)第一項(xiàng)在實(shí)際公路中應(yīng)用的燒結(jié)法赤泥路面基層工程，共消耗燒結(jié)法赤泥2萬余t，是近年來赤泥使用量最大的工程，一直正常使用到現(xiàn)在。2008年該企業(yè)與當(dāng)?shù)毓凡块T再次合作，利用赤泥作為路基材料修建了長(zhǎng)500 m的公路,經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)基本合格。

2.3 生產(chǎn)環(huán)境修復(fù)材料

美國(guó)凱撒鋁化學(xué)公司研究制造出填充廢料覆蓋層和吸收劑兩種赤泥制品。日本報(bào)道，用酸活化過的赤泥吸附水中的鈾，然后用堿液解脫，鈾回收率達(dá)97%。美國(guó)用堿性的赤泥除去HF、AlF3、碳氟化合物冷卻劑等制備過程中產(chǎn)生的含氟酸性廢水。印度將赤泥用作制酪業(yè)廢水處理的絮凝劑。

赤泥具有巨大的比表面積并含有大量的納米和亞微米級(jí)孔隙，可以生產(chǎn)具有可控孔結(jié)構(gòu)、高氣孔率、高比表面積和高強(qiáng)度的環(huán)境修復(fù)材料，如赤泥吸附劑、赤泥絮凝劑等。可以將赤泥進(jìn)行熱處理后制成多孔的吸附劑來吸附酸性污染物，或者利用赤泥制成吸收劑，利用赤泥中的堿性物質(zhì)來吸收空氣中酸性污染物（SO2、CO2、H2S等），同時(shí)還可以對(duì)地表水體、酸性礦水、工業(yè)廢水、城市污水進(jìn)行凈化處理。中科院生態(tài)環(huán)境研究中心也研究開發(fā)了利用赤泥進(jìn)行酸性礦水中和沉淀處理，富營(yíng)養(yǎng)化水體控磷除藻，作為工業(yè)脫硫脫氮?jiǎng)┑鹊?。燒結(jié)法赤泥含有大量活性氧化鈣和鐵鋁硅組分，經(jīng)過簡(jiǎn)單低溫煅燒活化后，可制備高效固磷控重金屬環(huán)境吸附材料，用于農(nóng)村面源、城市污泥、河湖疏駿底泥固磷、重金屬礦山污染修復(fù)（酸性礦水中和劑、酸性重金屬土壤固定劑），活化赤泥摻混量為10%～30%。東南大學(xué)[12]利用赤泥具有比較穩(wěn)定的化學(xué)成分、非常細(xì)的分散度、高的比表面積、較好的吸附性能、在水介質(zhì)中穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，制成多孔的吸附劑對(duì)廢水中的磷進(jìn)行凈化。研究結(jié)果證明：其具有較高的吸附性能，磷的去除率達(dá)到97%以上。

3 赤泥綜合利用存在的主要問題

3.1 對(duì)資源綜合利用的重要性認(rèn)識(shí)不足

氧化鋁行業(yè)為國(guó)家提供了大量性能優(yōu)良的原料和制品，但是對(duì)產(chǎn)生的各種廢棄物的治理和綜合利用沒有應(yīng)有的緊迫感和壓力感。一些企業(yè)僅僅是將赤泥作為廢物進(jìn)行處理，對(duì)資源綜合利用的重要性認(rèn)識(shí)不足。

3.2 赤泥綜合利用的成熟技術(shù)不多

赤泥綜合利用缺乏具有重大帶動(dòng)作用的共性和關(guān)鍵技術(shù)，可利用范圍較窄，途徑較為單一，現(xiàn)有的綜合利用方法技術(shù)含量低，產(chǎn)業(yè)鏈條短，產(chǎn)品附加值不高，且產(chǎn)業(yè)化體系薄弱。而赤泥綜合利用的研發(fā)，存在著一定的技術(shù)和經(jīng)費(fèi)限制，其未能形成合力進(jìn)行解決。因此迫切需要國(guó)家組織人力對(duì)赤泥綜合利用進(jìn)行科技攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)并推廣。

3.3 缺乏統(tǒng)一的資源評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)體系，產(chǎn)品很難與其他下游產(chǎn)業(yè)接軌

赤泥是氧化鋁產(chǎn)業(yè)在冶煉過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，其綜合利用存在著產(chǎn)品與其他行業(yè)銜接的問題。赤泥綜合利用制成的水泥、各種磚、CBC復(fù)合材料、硅肥等需要進(jìn)入水泥、建材、農(nóng)業(yè)等下游行業(yè)進(jìn)行銷售，而進(jìn)入這些行業(yè)面臨一定的行業(yè)壁壘和準(zhǔn)入要求。目前，赤泥綜合利用產(chǎn)業(yè)缺乏資源評(píng)價(jià)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)體系，缺少協(xié)調(diào)單位將鋁行業(yè)生產(chǎn)和廢棄物治理的上下游建立起產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)系，特別是與建材行業(yè)形成產(chǎn)業(yè)鏈的有機(jī)銜接。

3.4 政策法規(guī)和資金支持力度不夠

赤泥資源綜合利用的相關(guān)政策體系和法律規(guī)范還不完整，經(jīng)濟(jì)激勵(lì)力度較弱，沒有形成長(zhǎng)效激勵(lì)機(jī)制，利用赤泥開發(fā)的產(chǎn)品與同類產(chǎn)品相比無國(guó)家政策和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，難以產(chǎn)生較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 赤泥綜合利用的方向

赤泥綜合利用是一項(xiàng)跨越多領(lǐng)域、多學(xué)科的技術(shù)難題，我國(guó)專業(yè)工作者圍繞赤泥的無害化和資源化利用做了大量的研究工作，取得了一定的成果，為赤泥的綜合利用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來赤泥綜合利用的重點(diǎn)和推廣應(yīng)用方向應(yīng)是大宗利用和高附加值利用：

（1）赤泥固液分離、脫水沉降。脫除赤泥中大部分水，是赤泥回收和利用必須進(jìn)行的前期工作。

（2）赤泥低成本脫堿。為赤泥的大宗高值利用奠定重要基礎(chǔ)，還能回收利用其中的堿。

（3）高鐵赤泥及赤泥鐵精礦深度還原再選鐵。高鐵赤泥（含鐵量在30%以上）直接深度還原和赤泥鐵精粉深度還原再選鐵技術(shù)，可以使還原鐵粉的品位達(dá)到90%以上，實(shí)現(xiàn)赤泥中鐵回收率在90%以上。

（4）赤泥脫硫。利用赤泥中Na2O、CaO等堿性物質(zhì)含量高的特點(diǎn)，將其用于煙氣脫硫、脫硝、脫碳。

（5）燒結(jié)法赤泥生產(chǎn)高性能混凝土摻合料。利用燒結(jié)法赤泥堿金屬含量相對(duì)較低，且含有大量亞微米和納米級(jí)超細(xì)礦物顆粒的特點(diǎn)，將赤泥團(tuán)聚體顆粒大部分分散到原始的粒級(jí)后，少量摻入到高性能混凝土中取代水泥或其他摻合料，提高混凝土強(qiáng)度和耐久性。

（6）赤泥配料燒制節(jié)能型空心建筑砌塊。利用赤泥中含有粘土礦物且粒度極細(xì)的特點(diǎn)，將其初步脫水后與煤矸石、粉煤灰及其他工業(yè)廢渣混合生產(chǎn)燒結(jié)空心砌塊。

（7）赤泥生產(chǎn)化學(xué)結(jié)合陶瓷（CBC）復(fù)合材料。利用赤泥單體顆粒的亞微米和納米超細(xì)特征，將赤泥和農(nóng)作物秸稈碎屑、木屑、林業(yè)三剩物碎屑與樹脂復(fù)合，生產(chǎn)化學(xué)結(jié)合陶瓷（CBC）復(fù)合材料。

赤泥的綜合利用是一項(xiàng)世界性的難題，必須聯(lián)合政府、企業(yè)等多方力量進(jìn)行解決。赤泥綜合利用工作應(yīng)該以赤泥的大宗利用為主,開發(fā)高附加值產(chǎn)品為輔,多途徑綜合開發(fā),合理利用,最終實(shí)現(xiàn)零排放,從根本上解決赤泥堆存帶來的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和堆存成本等一系列問題，促進(jìn)赤泥綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的市場(chǎng)化、規(guī)范化和集約化。

[1]南相莉，張廷安，劉 燕，豆志河，趙秋月，蔣孝麗.我國(guó)主要赤泥種類及其對(duì)環(huán)境的影響[J].過程工程學(xué)報(bào)，2009,9(z1):459-464.

[2]朱 軍等.赤泥的綜合回收與利用[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2008,(2):52－54.

[3]全國(guó)氧化鋁赤泥綜合利用技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)交流會(huì)文集[C].2010.

[4]江英海,陳慶海.強(qiáng)磁選礦技術(shù)在赤泥提鐵工藝中的研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦山,2009,（1）:98-100.

[5]劉萬超,楊家寬,肖波.拜耳法赤泥中鐵的提取及殘?jiān)苽浣ú腫J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2008，(1):187-191.

[6]孫永峰,董風(fēng)芝,劉炯天,王淑紅.拜耳法赤泥選鐵工藝研究[J].金屬礦山,2009,（9）:176-178.

[7]黃柱成,蔡凌波,張?jiān)?楊永斌,姜濤.拜耳法高鐵赤泥直接還原制備海綿鐵的研究[J].金屬礦山,2009,（3）:173-176.

[8]羅道成,劉俊峰,易平貴,陳安國(guó).氧化鋁廠赤泥綜合利用的新工藝[J].中國(guó)礦業(yè),2002,（5）:50-53.

[9]任根寬.用改性赤泥為原料制備水泥[J].化工工程，2008,（6）:526-529.

[10]楊家寬,候 健,齊 波,劉 偉,郭懷勝,肖 波.鋁業(yè)赤泥免燒磚中試生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)化[J].環(huán)境工程,2006,（4）:52-54.

[11]王 梅，楊家寬，侯 健.赤泥粉煤灰免燒免蒸磚的原料與制備[J].礦產(chǎn)綜合利用,2005,（8）:30-34.

[12]張志峰,吳浩汀.赤泥處理含磷廢水的試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境工程，2005，12(4):49-5.

Abstract:The key technology for comprehensively utilizing the red mud at home and abroad was summarized based on analyzing the present status of comprehensive utilization of Al2O3red mud.The characteristics of comprehensive utilization ways were presented,including that using the red mud to comprehensively recover the valuable metals,to produce the new building material and environmental remediation materials.The main existing problems were pointed out,and the application prospect of comprehensive utilization of red mud was given.

Key words:red mud;comprehensive utilization;way;recovery of valuable metals;new building material;environ?mental remediation materials

Research of key technology of comprehensively utilizing Al2O3red mud and its application

GU Ming-ming;LI Wei

TF821；X756

B

1672-6103（2011）02-0049-05

顧明明(1980—)，女，碩士研究生，工程師，中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)信息咨詢部項(xiàng)目主管，主要從事資源綜合利用領(lǐng)域技術(shù)及政策研究工作。

2010-11-02

2011-01-17