赤泥治理 如何才能“吃干榨净”
一种处理工艺的实施，需要三个科学的版块作为支撑：一是正确的工艺构想；二是足够宽大能够包容工艺思想的装备生产线；三是有一个安全稳定的能够包容工艺构想和装备运转的操作系统
£李朝侠 文/图
洛阳市洛华粉体工程特种耐火材料有限公司董事长李朝侠、公司总经理黄河
赤泥是氧化铝工业生产过程中产生的高碱性废弃物，成分复杂，综合利用难度大。截至目前，尚未有经济有效的大规模处置及综合利用技术，致使全球利用率不足10%。挑战世界性难题，将赤泥“吃干榨净”，实现资源化利用，有望成为氧化铝生产的下一个利润风口。
现状
赤泥是氧化铝生产过程中，铝土矿在强碱浸出时，由于矿石中的铁、钛等杂质与大部分的硅不溶解而形成的固体废渣，因多呈红色或褐色而得名。我国作为世界第四大氧化铝生产国，由于近年来使用的铝土矿品位低，导致赤泥的产生量逐年增加。
据统计，按国内现有生产方法与技术水平，平均每生产1吨氧化铝，可产生1吨～2.5吨赤泥。2019年，我国氧化铝产量约为7247.4万吨，按每生产1吨氧化铝产生1.5吨赤泥计算，赤泥年排放量可达到1亿吨左右。依据《2019-2020年中国大宗工业固体废物综合利用产业发展报告》等分析，2020年，我国赤泥综合利用量为849万吨，综合利用率仅为8%，不到1成。这距离“十三五”时期提出的“到2020年赤泥综合利用率提高到10%”的政策目标还存在一定差距。
随着赤泥产出量的日益增加以及人们对环境问题的不断重视，最大限度地综合利用赤泥，限制赤泥的危害已迫在眉睫。这也是“十四五”时期，推进工业绿色发展需要解决的一项重要任务。新形势下，随着法律法规、政策、技术、环境等条件的变化，赤泥综合利用正处于突破规模化利用的关键时期。
而在我国，现实情况是，处理赤泥的方法还大都停留在堆场堆放、筑坝湿法堆存或赤泥干燥脱水后干法堆存的低浅储存层面。赤泥的堆存不仅占用了大量土地和农田，晒干的赤泥形成的粉尘也到处飞扬。这些方法在破坏生态环境的同时，也使得赤泥中的许多可利用成分得不到合理利用。如何将赤泥实现资源化利用，在既保证环保的同时又能创造出最大的效益，成为政府和企业关注的焦点。
困境
赤泥依据氧化铝生产过程中生产方法的不同，可分为拜耳法赤泥、烧结法赤泥和混联法赤泥。前者多在铝土矿中铝含量高时使用，而后两者则是在铝土矿中铝含量低时采用。
虽然这三类赤泥在组分上有所不同，但有一点是相同的——均由0µm~10µm的细微粉组成，且由于长期浸泡沉淀，粘度极强。在后期处理过程中，倘若方法不当，一味蛮横地对赤泥微粉团聚块进行破离，极易发生粉尘燃爆，变成“赤泥尘霾”大面积扩散。而“赤泥尘霾”因无法承受和吸收外加能量，不能进行有效收集，从而失去物质性转化的条件，最终致使处理失败。此外，由于与赤泥结合的化学碱难以脱除且含量大，如采用多工艺段逐步分解的方法对赤泥进行先除碱再分离转化的话，生产线繁杂，装备体量巨大，热效率低而成本高，对于逐年递增、堆积如山的赤泥来说，解决力度甚微。
而且，由于赤泥具有强碱性，其综合利用难度远大于其他工业废渣。中共工程院院士徐德龙在接受媒体采访时就曾公开表示：“氧化铝等工厂产生的赤泥浆一般含有铝、铁及其他重金属盐类等成分，从赤泥中能有效地回收铝、铁等物质，但要做到回收无公害化，确实存在技术上的难度。”
面对赤泥“量大无用”且无处安放的困境，国内有关部门与部分企业也曾提出并实施相关的具体处理方法，但后期实践证明，大都治标不治本。
如，掺入均化的“植被改良法”。这种方法将少量的赤泥加入大量的普通黏土，没有物质性的分解或合成，直接铺设在地面种植植物，美其名曰“土壤植被改造”，实则是在做“人造盐碱地”。
再如，掺入均化的“建筑物填充法”。过程中，把少量的赤泥加入到建筑混凝土、灰渣砖、建筑陶粒中，意在使赤泥取代一些水泥，以赤泥的重碱水玻璃物质代替一部分水泥中的硅凝胶，这其实也是一种“赤泥搬家”的做法。因为，水泥内的硅酸钙凝胶来源于天然矿物，自身具有稳定的组织结构，是“水硬性凝胶”，而赤泥是浸没在铝酸凝胶和复合重碱硅酸钙凝胶里的不稳定的“热固性微细粉团聚”，加入到常温的混凝土类构筑物中，会一直以不稳定状态存在，引起一系列严重的衍生后果。
又如，赤泥物理选铁减量法。将高铁赤泥进行压滤除去部分液体，然后对赤泥中的铁磁物进行磁选。这是一种赤泥综合利用的方式，耗能但并不“合算”。因为，虽然提走了部分铁磁物，但是赤泥总量的有害物质并没有减少，剩余赤泥的堆积密度更小，碱浓度更大，使干赤泥更接近可燃爆炸物的危废标准。
国内的赤泥处理方法尚不可行，放眼国际，对于赤泥的无害化利用也一直难以实现。世界各国专家对赤泥的综合利用进行了大量的科学研究，目前进展并不大。赤泥的销纳仍主要采取海底或陆地堆放处置的方法。但随着铝工业的发展，生产氧化铝排出的赤泥量日益增加，堆存处置所带来的一系列问题随之而来。在我国，平均每吨赤泥每年花堆存费约50元，结合每年产生的上千万吨赤泥总量来看，堪称一笔极为巨大的资金消耗。而其他损失如对环境造成的污染、对人体造成的损伤等等，更是难以计数。
面对这道氧化铝行业发展过程中不可回避的世界性难题，要想实现无害化处理，仍须各方做出大量努力，尤其需要突破关键技术难点。本着“系统化，零排放”的原则，研发联合回收新技术，优化现有工艺，以实现赤泥综合回收利用的减量化、资源化和无害化。
构想
根据多年的科技开发经历，笔者认为，一种处理工艺的实施，需要三个科学的版块作为支撑：一是正确的工艺构想；二是足够宽大能够包容工艺思想的装备生产线；三是有一个安全稳定的能够包容工艺构想和装备运转的操作系统。
在赤泥处理的工艺构想方面，针对我国历年来将大量排出的赤泥积存于地面，并且每年以数千万吨赤泥量持续增加的紧急情况来看，现阶段，国内亟需开展“将赤泥资源化处理产业化”的生产线的开发和研究，以保护我国生存环境，防患于未然。
为此，在该工艺构想的基础之上，笔者专门向有关部门申请了《回转窑法资源化处理赤泥的工艺及回转窑》的发明专利。该专利以“赤泥一次性转化为立即进入工业和民用市场的资源性物资”为目的，其工艺构想可大致概括为：赤泥的处理工艺是一条以回转窑作为主要设备、可多能源利用、防爆节能的短流程粉体化工工艺生产线。具体来说，是指在含钠（钙）碱溶液的赤泥中，掺入含碳物料和其他外加调整剂，以一条回转窑作为工艺处理主设备，将含有铁酸钠重碱水玻璃溶液、铝酸钠混合溶液的赤泥与碳等外加剂的混合物料，加入回转窑中。通过在回转窑内的冶化反应，以不同于常规的冶化工艺，将赤泥进行分离分解、还原或合成，依次提取铁磁物等金属、工业琉璃，以及在烟尘中收集到的钠（钙）金属盐超细粉和高纯气相二氧化硅超细粉等物质。
与传统的处理工艺不同，该工艺在实行过程中，所使用的能源包含重碱液体对赤泥的水化能、化学侵蚀能，重碱液体在中低温蒸养沸腾时对混合物料的分散和聚集的动能，含碳物质在钠（钙）盐环境的催化下对赤泥的水煤气侵蚀能，一氧化碳生成和向二氧化碳转化时放出的热能，以及对赤泥的强还原冲击破解热动势。
而本专利工艺在实施的过程中，也必须以物料和温度变化得“双快、双高”作为严格要求。“双快”是指混合物料一旦加入回转窑，物料的理化性质和温度提升速度都会快速变化；“双高”包含两个方面，一是指回转窑的富氧吹炼高温工艺利用了赤泥的碱性水化能和赤泥的物质自恢复稳定性的趋势能量，是一个高节能工艺，二是指将不稳定结构的赤泥脱碱成为稳定物质的转化率高。
“双快、双高”的要求使得该工艺在运行过程中面临着各种严苛的考验。如，赤泥是高碱性高活性微粉团聚物质，而且成分多样，这就需要灵活多样的配料系统；赤泥资源化热工艺反应激烈的能量节点颇多，技术人员必须严格把握节点，以保证生产安全稳定；赤泥粒子的比表面积值很高，要在工艺中设置防止微粉团聚块的破解而没有同时进入物料分子结构的稳定性转化的特种防护措施，杜绝碱性尘霾；以及处理活性赤泥时，须考虑工艺需求和工艺装备的相互适应性等等，都必须包含在工艺研发人员以及企业的考虑范围之内。
装备
在我国环保工业对工业固废进行处理的过程中，大型回转窑凭借其在工艺运行中显示出的环保、节能、易操作等显著性能，成为处理工业固废和危废的主流设备之一。“只要大窑转，就有千千万”这句民谣，就是对固废处理过程中回转窑重要程度的生动描述。
回转窑，又叫旋转煅烧窑，俗称旋窑。在施工过程中，其通过回转圆筒设备，对固体物料进行机械、物理或化学处理，现已广泛应用于建材、化工、环保等诸多生产领域。而在赤泥处理方面，笔者认为，冶金回转窑设备凭借其优良性能，堪称现今最理想的装备之一。
——设备体型大，物料包容性强，无论是泥浆状物料或者块状团粒状物料，无论是颗粒状还是粉状物料，都可以采用回转窑这种设备进行处理，而且根据物料特点可以采用多样灵活的加料形式。
——相对于窑内的物料，回转窑的工作容积可以被看作无穷大，满足对大规模大处理量的工艺要求。
——借助回转窑的机械转动模式，入窑的物料获得了自身的动能和势能。在使物料一直保持较为激烈的相互碰撞、翻滚、摩擦的运动状态下，促进热态下物泥的转变，降低回转窑内赤泥对其他冶化能量的要求。这也是回转窑特有的节能模式。
——回转窑装备可以对物料进行“细功慢火”加热冶化。入窑的物料，能够渐次提升冶化场强的积累值，以提高冶化效率，降低能源成本。
——在回转窑中，物料从窑尾加入，并与产生的热烟气逆向而行，激发物料的冶化反应以便获得更高的冶化能级。这种直接利用热烟气提高冶化过程的“正反馈”热效应的节能形式，也是回转窑冶化工艺所特有的。
——回转窑具备弹性半闭合工作腔体的特点，具有自我平复突发事件、防燃防爆的能力。让含有激化的活性物料和含有液态物质的物料直接进窑处理的高负荷短流程工艺成为可能。
此外，回转窑设备体量大、制作难度相对较小、产量大、易操作，因而容易为投资者所接受。采用大型回转窑也由此成为冶金行业的重要设备之一。但是，由于传统的回转窑炉衬的品质和使用寿命不能满足工业的需要，现阶段人们只能把回转窑放在比较低端的物料处理工艺中，无法充分显示其从冶金装备形式上的节能、大产量、适应性强等诸多优点。
为此，笔者所在的洛阳洛华粉体特种耐火材料有限公司专门发明了“长寿命大型回转窑浇注料整体炉衬技术”系列。和旧式回转窑炉衬技术相比，该技术系列针对炉衬结构和炉衬材料，进行了颠覆性的改造创新，使得产品除了节能环保外，还具有显著的扩产、提高设备运行效率、运行时间长等优越性能。具体到处理赤泥这类物料，过硬的炉衬技术能进一步确保当赤泥进入回转窑内，对其进行富氧吹炼提高温度时，可加速赤泥分离，使赤泥的金属还原、非金属氧化以及金属盐合成反应同步进行，并快速分解合成为金属铁磁物、非金属氧化物琉璃、金属盐和碱性硅化物超细粉三类物质。同时，利用回转窑旋转运行的机械能，能够使赤泥混合物高效率地不断重复交叉均化，从而提高冶化效率，加速同类物质的集聚与不同物质的分离速度，最终在回转窑头出口处以不同物料转换后的物质性特征分离出去，排出炉体之外。
由此，笔者认为，在“长寿命大型回转窑组合炉衬”的科技成果基础之上，可以借鉴多年来持续开发并投入实施的《红土镍矿还原—吹炼冶化流程工艺》（专利号：ZL201910492256.1）、《浇注料炉衬及具有该炉衬的锌浸出渣回转窑》（专利号：ZL201910477732.2）工艺与装备路线经验，以及发明的《回转窑法资源化处理赤泥的工艺及回转窑》（211149AP在审）的专利路线，针对赤泥处理进行精准的装备配置，从而进一步开展对赤泥产业化的研究开发与实施。
操作
最后，落实到能够包容工艺构想与装备运转的操作系统方面，笔者也就此提出几点自己的想法与建议，以便后期运行工作能够稳定有效地开展。
第一，借助于我国已有的先进完善的大型建材回转窑的操作系统和经验，将洛阳市洛华粉体工程特种耐火材料有限公司的专利思想、专利成果，和在回转窑炉衬材料技术和建造技术上积累的经验和数据，结合氧化铝生产工艺和标准以及水泥生产工艺和标准，制定基本工艺流程。
第二，对现有的水泥建材回转窑生产线进行适合赤泥处理的改良改造，使之满足“回转窑法资源化处理赤泥”的生产线需要。
第三，先行进行产业化的工艺试验，待经过工艺的考验和工艺路线的修正之后，将各种工艺数据和修正方法存入计算机，利用计算机进行工艺程序的跟踪、修正和完善实时工艺。
作为我国冶金工业仅次于钢铁行业钢渣量的第二大宗待处理固废物料，赤泥因常年以高碱微粉团聚块形式在地面大量堆存，使其对环境的危害性大，堆存代价高。但是，凡事皆有两面性，由于赤泥的母体是稳定性很高的优质铝矾土，其主成分的逆向合成原理直指向重金属铁磁物、黏土类非金属氧化物和钠盐等金属化合物等工业必需金属原料方面，且化学成分统一，产量大，因而极其适于进行产业化布局。我们也相信，在不远的将来，赤泥的资源化利用一定会焕发出勃勃生机，从而开辟出一个全新的绿色环保产业。而赤泥类转化产品，也一定会成为新型资源的宝库之一，为我国的绿水蓝天事业增光添彩。
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