鋁材工業(yè)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(chǎn)品經(jīng)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(chǎn)生工業(yè)廢料(化學廢料，鋁材行業(yè)內稱為廢渣).根據(jù)對佛山高明地區(qū)一些鋁型材生產(chǎn)制造企業(yè)的調查統(tǒng)計，一個年產(chǎn)量為20 000 t的鋁型材生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)的廢渣量為6 500 t，即每清洗3.3 t鋁材便可產(chǎn)生1 t工業(yè)廢渣.圖1某企業(yè)的廢渣出口場景照片.

圖1 高明某鋁型材企業(yè)日產(chǎn)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(chǎn)制造的大國.據(jù)統(tǒng)計，2012年我國鋁型材產(chǎn)銷量達到約1 440萬t[1].佛山是中國鋁型材生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)集中地.據(jù)《大瀝鋁材商務網(wǎng)》(http://www.dalilvcai.com)披露，截至2010年10月，佛山地區(qū)的鋁型材加工企業(yè)有200多家[2],生產(chǎn)量超過全省產(chǎn)量的60%、超過全國產(chǎn)量的40%.據(jù)此計算，佛山地區(qū) 2012年鋁材產(chǎn)量將達到500多萬t.按照每3.3t產(chǎn)品產(chǎn)生1 t廢渣的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年，佛山地區(qū)將產(chǎn)生超過100萬t的工業(yè)廢渣.推算到廣東、全國分別為290萬t、436萬t.鋁材工業(yè)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(yè)原料，其害在于它對環(huán)境的污染.因此，如何處理這些廢渣一直是困擾環(huán)保部門和鋁材生產(chǎn)企業(yè)的問題.許多專業(yè)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(yè)含鋁廢渣生產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)工藝上的差別，目前沒有通用的解決方案.以至于佛山市環(huán)保局甚至發(fā)出了“不宜再發(fā)展鋁型材”的呼吁[12].一些生產(chǎn)企業(yè)干脆按照每噸幾十元錢的價格，請人運輸?shù)酵獾靥幚?

2012年2月，經(jīng)高明區(qū)經(jīng)促局中小企業(yè)科介紹，佛山科學技術學院王興波教授等人深入高明區(qū)對一些鋁型材生產(chǎn)廠家工業(yè)廢渣處理的問題進行了調研.經(jīng)過取樣、分析和一系列實驗，發(fā)現(xiàn)高明地區(qū)鋁材廢渣的主要成分是水和高嶺土.于是開展了循環(huán)利用的試驗.試驗證明佛山地區(qū)大部分廢渣在不同溫度和時間進行焙燒，可分別產(chǎn)生固體阻燃劑、高含量氧化鋁，成為消防、陶瓷行業(yè)的工業(yè)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(jīng)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?yōu)榛疑窒Р欢?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(shù)據(jù)如表1所示.

表1 鋁型材廢渣樣品直接分析的數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)廢渣物質的顏色發(fā)生了變化，物質質量分數(shù)也發(fā)生了變化.具體數(shù)據(jù)如表2～5所示.

表2 鋁型材廢渣經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jīng)100 ℃、300 ℃焙燒后的膠狀固態(tài)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(jīng)低溫焙燒后經(jīng)滴定法測定的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表明，高明區(qū)鋁型材生產(chǎn)廠家(部分)工業(yè)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(shù)據(jù)表明，經(jīng)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(shù)據(jù)，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(jù)表2的數(shù)據(jù)以及氫氧化鋁的性質可以斷定，廢渣經(jīng)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(shù)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(jīng)高溫焙燒后，高明區(qū)鋁型材生產(chǎn)廠家(部分)工業(yè)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(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)地，故產(chǎn)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(jīng)900 ℃焙燒后，交與鷹牌陶瓷在窯爐進行制件實驗.鷹牌陶瓷經(jīng)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(yè)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(yè)生產(chǎn)試驗

基于實驗室的試制結果，決定進行工業(yè)生產(chǎn)實驗.根據(jù)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(jīng)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(jīng)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(jīng)配料、模壓、飾紋、上釉后再燒制、打磨，得到的2款產(chǎn)品，樣品如圖4所示.

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

經(jīng)企業(yè)檢驗中心檢驗，產(chǎn)品完全符合國家標準4100-2006.考慮上述生產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)的工藝秘密.這里不再贅述.

3 廢料再利用的途徑及實現(xiàn)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(qū)部分鋁型材制造工藝產(chǎn)生的工業(yè)廢渣可以轉換為本地的陶瓷產(chǎn)業(yè)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(jīng)低溫焙燒后直接制作固體阻燃劑.事實上，工業(yè)所使用固體阻燃劑的主要成分是氫氧化鋁[Al2O3·3H2O].

(3)根據(jù)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(chǎn)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(jīng)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(yè)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(chǎn)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(tǒng)：電機及其驅動輪系.

轉爐支架：鋼結構支架.

鼓風機系統(tǒng)：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(tǒng)：排氣方向斜向上，過濾系統(tǒng)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(tǒng)：進料出料系統(tǒng).

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

圖5 車載工業(yè)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(jīng)入料口進入爐膛，達到規(guī)定載荷后關閉入料口；汽車發(fā)動駛向目的地(陶瓷生產(chǎn)廠家)，同時啟動轉爐轉動驅動電機系統(tǒng)開啟轉爐的轉動.鼓風機系統(tǒng)開始向爐膛鼓風同時噴油系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)以及廢水收集箱處理廢氣廢水以保持環(huán)境干凈.廢渣處理到規(guī)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(xiàn)第二次裝料處理的循環(huán).

由于該移動焙燒轉爐的詳細設計涉及到大量的機械專業(yè)數(shù)據(jù)且超出本文范圍，這里不再贅述.該車已經(jīng)由佛山某企業(yè)經(jīng)改裝試制出樣車，如圖6所示.但由于涉及到交管、上牌、環(huán)評等行政許可問題，目前僅在工業(yè)園區(qū)內部試運行，達到預期效果.

圖6 車載工業(yè)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(qū)擁有全國最大的建筑陶瓷生產(chǎn)基地，也擁有全國最大的鋁型材生產(chǎn)基地.通過對高明地區(qū)部分鋁型材生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生廢渣的分析與實驗得到如下結果：

a.工業(yè)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(jīng)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(tài)膠狀物質，可作為工業(yè)阻燃劑.

c.經(jīng)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(chǎn)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(yè)原料.

由此可見，佛山地區(qū)大量的鋁型材生產(chǎn)企業(yè)與陶瓷制備企業(yè)之間存在良好的循環(huán)經(jīng)濟結構，具有很大的發(fā)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(qū)經(jīng)濟發(fā)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(yè)攻關項目(2012B010600018)、廣東省數(shù)控一代機械產(chǎn)品創(chuàng)新應用示范工程專項資金項目(2012B011300068)、佛山市科技發(fā)展專項資金項目(2011AA100021)、佛山市產(chǎn)學研項目(2012HC100131)、佛山科技創(chuàng)新平臺項目(2013AG10007)、禪城區(qū)產(chǎn)學研項目(2012B1011)、(2013B1018)、禪城區(qū)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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