科技日报记者 孙 越
在河南一家大型铝加工企业的厂区内，每天有数百吨铝灰渣被送入一套密闭装置。而装置另一端“吐”出的却是可燃气、氨水、工业盐、高铝料。铝灰渣处理全程没有废水外排，没有废渣出厂。
铝灰渣在2016年被列入《国家危险废物名录》，我国年产生量突破300万吨。然而在中铝郑州研究院工程师们的眼中，危废铝灰渣却是被错放的“城市矿山”。中铝郑州研究院团队研发出的技术——“铝灰渣多场景全量化循环利用关键技术开发及应用”，有效解决了铝灰渣处理难题。日前，该技术在第51届日内瓦国际发明展颁奖典礼上获得金奖。
破译反应机理
铝灰渣是铝冶炼、铝加工和再生铝熔炼过程中产生的副产物。电解铝液接触空气中的氧气和氮气，发生氧化、氮化、碳化反应，在铝液表层形成渣料。这些渣料中含有金属铝、氮化铝、碳化铝、硫化铝等活性组分。一旦遇水，氮化铝会生成氨气，金属铝生成氢气，碳化铝生成甲烷，硫化铝生成硫化氢。氢气、甲烷是可燃气体，氨气是有毒气体，混合在一起，形成易燃易爆气体。此外，电解铝灰渣中还含有氟化物，易具有浸出毒性。
“2015年前后，我们就收到消息，国家要修订危险废物名录。”中铝郑州研究院环境所副所长刘中凯说，“那时候，很多小厂提取金属铝后就将铝灰渣随意倾倒，对环境造成很大负担。所以我们决定提前布局，研发铝灰渣处理技术。”
铝灰渣列入新版《国家危险废物名录》的同年，中铝郑州研究院正式立项，启动铝灰渣无害化、资源化技术研发。
这条路并不好走。研发的核心难点在于：氮化铝、金属铝遇水反应的吉布斯自由能数值接近，常规条件下，氨气、氢气、甲烷会同步释放，无法分开收集。
研发团队从基础理论入手，开始了一场漫长的攻关。
他们要做的事情，本质上是在化学反应层面“排兵布阵”：让不同的活性组分按预定顺序依次反应，而不是一拥而上。这需要在微观层面精准控制反应进程。
经过上千组对比实验，团队找到了一把“钥匙”——自主开发的表面功能化修饰剂。这种药剂能够在氮化铝颗粒表面形成一层阻隔膜，暂时抑制氮化铝与水反应，让金属铝和碳化铝先行水解。第一段反应释放的气体中，氢气和甲烷占比超过95%，可以被安全收集作为燃料使用。
第一段反应结束后，团队再加入另一种自主开发的复合活化剂，破坏氮化铝表面的阻隔膜，激活氮化铝高效水解生成氨气，氮化铝水解率超过95%。
“每一次报警声响起，都意味着一轮方案被推翻。”刘中凯回忆说。无数次失败之后，水解曲线终于平稳的那一天，团队知道，这把“锁”算是打开了。
落地工业产线
原理跑通了，更大的挑战接踵而至。
“从几百克到几吨，差的不仅是规模，更是整个工程体系的重新构建。”中铝郑州研究院环境工程技术研究所所长闫琨这样形容。
实验室里，反应温度和压力可以精确控制。但到了工业现场，蒸汽加热使得温度波动大，反应剧烈时可能大量起泡、物料溢出。更要命的是，反应过程持续释放氢气，存在爆炸风险。为此，设备必须密闭、防爆，还要精准控温控压。可市场上根本没有现成的设备。
“中铝郑州研究院下属的华慧有色工程设计有限公司专门负责科技成果工程转化。”刘中凯说，“研发团队、工程设计团队同属一个单位，没有信息壁垒。研发人员同步对接设备选型、材质、工况设计。设计人员在设备开发、现场调试中发现工艺缺陷，立刻反馈给研发团队，各项参数都能得到及时调整。”
这套“研发+设计”一体化的机制，打通了实验室到工业化落地的“最后一公里”。
2020年5月，在河南巩义明泰铝业股份有限公司（以下简称“明泰铝业”）的项目现场，一场“硬仗”正式打响。单条年处理6万吨铝灰渣的生产线，常规设计、采购、建设周期至少1年，而明泰铝业的要求是7个月。
“我们在现场搭建了简易板房，十几名不同专业的研发与设计人员驻场近两个月。设计人员在木板拼接成的简易办公桌上画图，研发人员现场规划方案，同步对接设备厂家定制非标装备……”回忆起当时的场景，刘中凯感慨万千，“条件是艰苦的，工期是紧迫的，但企业、研发、设计三方的实时沟通和密切合作，让我们完成了这个‘不可能的任务’。”
氮化铝残余量小于1%，盐残余量小于0.5%……全球首条铝灰渣连续化水解浸出生产线，就这样在一个简陋的工棚旁边诞生了。
2021年，明泰铝业立刻上马第二条6万吨生产线。产线建成后，生态环境部固管中心、中国有色金属行业协会组织专家现场评估，将其评定为国内铝灰渣规范化处置标杆项目。
打通循环链条
水解只是手段。真正的考验是如何消纳铝灰渣水解后的气体、液体、固体。
“如果不能全量消纳，就只是把一种危废变成了三种麻烦。”闫琨说。
对此，中铝郑州研究院给出的答案是：气、液、固全量化梯级利用，生产过程零排放。走进这条产线，不难发现，每一个环节都在为下一个环节“铺路”。
铝灰渣进厂的第一步，是精细分选。一台台分选设备将粗金属铝粒从中剥离出来，这些金属铝粒的铝含量高达60%以上，可直接返回铝加工及再生铝工序循环回用，回收率超过95%。
分选后的剩余物料进入水解反应器，气体的“分流”就此开始。第一段反应释放的是氢气和甲烷，它们被全部输送到烘干系统替代天然气燃烧。“明泰铝业项目原本每日消耗天然气6000多立方米，回收燃气燃烧后降至3000立方米以内，大幅降低了燃料成本。”明泰铝业副总经理邵三勇说。而第二段释放的高浓度氨气，则被制成20%国标工业氨水，作为商品对外销售。
气体被“抽走”之后，液体处理开始。水解后的浸出液含有大量可溶性盐，其经过脱氟除杂处理后进行蒸发结晶，可产出氯化钠、氯化钾工业盐。这些盐类补充少量缺失原料后，经调配加工后返回到铝加工及再生铝生产工序作为熔剂循环使用，可替代90%的外购熔剂。
最后剩下的是固体。水解、烘干之后产出的惰性高铝料，氧化铝含量达70%至80%，完全消除了反应性和浸出毒性。它可以替代铝土矿进行烧结法生产氧化铝，也可以加工耐火材料，还能用于生产净水剂。“别人眼中的废弃物三条出路在这里被压缩成了一条：全部回到生产循环里。”刘中凯说。
2021年以来，该技术已在8家企业推广应用，累计为企业创造利润超过12亿元，2022年获中国有色金属重大技术创新奖，2022年—2025年连续四年入选“河南省绿色低碳先进技术成果”。“这项技术为全国60%的铝灰渣处置企业提供核心技术路线。”中铝郑州有色金属研究院有限公司党委副书记、总经理刘万超介绍。
目前，中铝郑州研究院正联合云南铝业，打造该技术的“2.0版本”——将铝灰渣循环生产线直接接入氧化铝生产流程，终端产出成品氧化铝，不再需要外销中间物料。“这样一来，资源利用的链条就更长了。”闫琨说。
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