铝灰，也称为铝灰渣或铝渣，是工业电解铝或铸造铝生产过程中所产生的主要副产物。针对铝灰的定义及分类，在《铝及铝合金废料(GB/T13586—2006)》^[5]中进行了规定，其中对废铝的分类和要求显示，废铝包括铝灰渣，具体内容见表1。

铝灰具体产生过程，一般是在电解铝处理中，溶剂为熔融态冰晶石，溶质为氧化铝，碳素体作为的阳极在电解过程中产生气体和粉尘等产物，作为阴极产物的铝液从电解槽内抽出，送往熔铸炉，经炉内净化后浇铸成铝锭。而在铝液熔炼过程中，由于铝熔体表面漂浮有夹杂物、添加剂及部分理化反应产物等物质，从而形成一种松散状态的浮渣，该浮渣即为铝灰^[6]。

在电解铝或铸造铝过程直接产生的铝灰称为一次铝灰，即一次铝工业产生的铝灰。由于一次铝灰中可用铝资源含量（金属铝和氧化铝质量分数）高达70%～80%，其中金属铝含量可达50%以上，因此一次铝灰也称为白铝灰，一般直接回收作为二次铝工业原料^[7-8]。二次铝工业主要是针对一次铝工业产生的废弃物进行铝回收的过程，废弃物原料包括一次铝灰、废弃铝制品及铝加工中产生的边角废料与废渣等。经二次铝工业回收处理后产生的铝灰称为二次铝灰，也称为黒铝灰，其金属铝含量约为5%～20%，氧化铝含量约为20%～50%，并含有大量盐类组分^[7-9]。此外，一种特殊的黒铝灰被称为盐饼，其金属铝含量更低，盐类含量更高并固结成块。盐饼中金属铝含量约为5%～7%，氧化铝含量约为15%～30%，并含有30%～50%的氯化钠和15%～30%的氯化钾，另外，根据盐饼的具体产生情况，还可能含有碳化物、氮化物、硫化物和磷化物等^[10]。辽宁营口某典型黒铝灰样品的物相组成XRD衍射谱见图1^[11]。

图1可见，衍射谱图进行量化分析可得该黒铝灰样品物相组成定量分布，结果见表2。

表2可知，该黒铝灰样品中主要含有7种物相，包括假蓝宝石(Al₃₆Mg₁₄Si₆O₈₀)、刚玉(Al₂O₃)、方镁石(MgO)、硅化钙(Ca₁₄Si₁₉)、金属铝(Al)、氯化钠(NaCl)和氯化镁钾(KMgCl₃)。样品中金属铝的质量分数约为8%，氧化铝（刚玉）的质量分数约为20%，总体可用铝资源含量低。其他物相主要源于冶炼过程中的盐及中间产物等。

欧洲危险废物目录中将黑铝灰明确定义为有毒有害废物（100309），其被认定为高度易燃性（H3-A：与水或潮湿空气接触产生高度易燃危险气体的物质或制剂）、刺激性（H4：通过与皮肤或粘膜直接长时间或反复接触可引起炎症的非腐蚀性物质或制剂）、有害性（H5：如果被吸入或摄入或穿透皮肤进入体内会对健康产生危害的物质或制剂）、渗出性（H13：经处理后会产生其他物质的物质或制剂）^[12]。黒铝灰最主要的危害来自于它的渗出性（H13）及其与水和潮湿空气反应（H3-A），产生有毒、有害、易爆、恶臭气体，如NH₃、CH₄、PH₃、H₂、H₂S等。因此，将黒铝灰进行填埋处置后，会因为含有F⁻、Cl⁻、NH₄⁺、CN⁻及高pH等对地下水产生污染，并由于含有CH₄、H₂和NH₃等对周围空气产生影响^[13-14]。

我国于2016年8月1日起施行的新版《国家危险废物名录》中明确将铝灰定义为危险废物，废物类别为有色金属冶炼废物，行业来源为常用有色金属冶炼，具体分类包括电解铝过程中电解槽维修及废弃产生的废渣、铝火法冶炼过程中产生的初炼炉渣、电解铝过程中产生的盐渣和浮渣及铝火法冶炼过程中产生的易燃性撇渣^[15]。具体废物分类及对应编号，见表3。

表3可知，废物代码321-023-48～321-025-48的废物特征为毒性（T），废物代码321-026-48废物特征为易燃性（I），确定了铝灰的危害性。

据估计，我国每年产生铝灰总量达到112～180万t，且逐年增长^[16]。2017年，国内铝灰产量已高达200万t，若将中国已排出并堆存、掩埋和抛弃的铝灰均计算在内，当前我国境内的铝灰总量大约为1 000万t^[17]。大量的铝灰产量，以及过低的回收利用价值，都严重制约了我国铝灰，尤其黒铝灰的资源化利用水平，也对环境造成了极大威胁。因此，对铝灰的资源化利用技术也提出了新的要求。

目前国内外针对铝灰的资源化利用方法，大体上可分为金属铝的回收工艺和利用铝灰合成材料工艺两类^{[16, 18]}。

国外科技工作者在20世纪30年代就开始了铝灰的回收再利用研究，至今已探索出了一些行之有效的工艺路线。在国外，欧美日等发达国家是铝灰研究的主体。欧洲以意大利和西班牙为首，其中意大利安奇泰克公司在20世纪70年代就开发出了一套铝灰回收系统，经过近几十年的完善，已在欧洲建成了多家工厂^[17]。

阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，简称ANL）和盐博大科技有限公司（Salt Partners Ltd.）为美国铝灰研究的代表。而日本研究机构着重以AD粉（一种炼钢促进剂）作为铝灰资源化的主要方向^[17]。

在国内，随着人们对铝二次资源利用重视程度的增加，陆续开展了相关研究，并取得了一定成果，但与国外先进技术相比还有一定差距。

国内从事铝灰开发研究的研究机构及高等院校包括中国科学院、北京矿冶研究总院、昆明冶金研究院、郑州有色金属研究院、东北大学、中南大学和江西理工大学等。此外，诸如山东铝业公司、山东铝晖环保科技有限公司、北京科林泽环保科技有限公司、湖南中大冶金设计有限公司、郑州中绿环保新材料有限公司和沈阳银海再生资源科技有限公司等公司企业也在铝灰资源化研究中占有一席之地。目前，北京矿冶研究总院、郑州有色金属研究院等单位在炭渣、阴极炭渣和大修渣等方面基本实现了产业化^[17]。

虽然我国从事铝灰资源化利用相关单位数量也初具规模，但纵观我国整体铝行业危废处置情况仍处于初级阶段，针对铝灰的基础研究、应用研究、尤其是产业化实践经验还相当欠缺，成熟的、满足国家环境要求的、且受到业内人士认可的工业生产线尚不完善，铝灰的资源化利用总体上还任重道远。

目前国内外从铝灰中回收铝的方法很多，总体上可以分为两大类：热处理回收法和冷处理回收法^[7]。其中热处理回收法的对象主要为白铝灰，白铝灰本身带有一定热量，可供回收分离时利用，同时在添加剂（主要为盐类）作用下，通过搅拌使铝灰中的金属铝熔化并沉降，从而实现金属铝的分离。热处理回收法的另一种形式是通过外加热源对铝灰进行加热，从而使金属铝熔化，以实现铝和铝灰的分离。具体方法如下。

1）炒灰法。炒灰法在小型再生铝厂的铝灰回收处理中应用较为普遍，其处理工艺是在一个倾斜的容器中放置刚刚产出的铝灰，利用铝灰自身的热量及内部其他物质氧化放热，不断进行人工翻炒，在翻炒的过程中铝灰中的金属铝逐渐形成熔融体并向容器内底部汇集，从而实现铝灰中金属铝的回收^{[8, 19]}。

2）倾动回转炉处理法。倾动回转炉在大型铝回收企业中得到广泛应用，其处理的基本原理与炒灰法一致，在回转炉中，铝灰和熔盐充分混合，通过高温加热和回转作用使金属铝熔化沉入炉底，从而实现金属铝从铝灰中分离。熔盐的加入降低了金属铝氧化的可能，同时促进其沉聚，极大地提高了金属铝的回收率^{[16, 19]}。

3）ALUREC（Aluminum Recycling）法。ALUREC法由丹麦阿加公司（AGA）、霍戈文斯铝业公司（Hoogovens Aluminium）、曼公司（MAN）联合开发。同样采用回转式熔化炉，在富氧天然气的燃料作用下，能够迅速升高炉内温度，从而使金属铝熔化聚集于炉底，而非金属渣则浮于熔体上面，实现分离^{[8, 16, 20]}。

4）MRM（Metal Recycling Machine）法和改良的MRM法。MRM法为一种传统方法，是将刚刚产出的热铝灰直接送入设备中，为使处理过程保持温度，还需放热熔剂的添入与反应。通过搅拌，使设备中的熔融态铝沉积于底部。未实现分离的剩余铝灰还可再次作为原料回填至设备中，实现金属铝的二次回收。改良的MRM法在已有技术要求的基础上，还要对搅拌和铝回收全过程提供氩气保护^{[16, 21]}。

5）等离子体电弧法（等离子体速熔法）。采用等离子体电弧作为外加热源是一种典型的无盐铝灰处理方法，通过等离子喷嘴产生的高温高密度等离子体，使铝灰在炉内被快速加热至950 ℃，金属铝表面的氧化层破裂，并流入炉底，最终在出料口流出。处理过程中还加入氧化钙，反应后生成铝酸钙，熔融铝的密度比铝酸钙低，两者在炉内分离明显，从而可以获得金属铝和铝酸钙两种产品^{[8, 16, 22-23]}。

6）石墨电弧法。以石墨为电极，利用其产生的电弧对回转炉进行外源加热，作用原理与等离子体电弧一致。回转炉的旋转作用使铝灰受热均匀，提高了热传递效率。加热处理后，金属铝从炉侧边出料口排出，其他非金属产物从残渣出料口排出。操作全程在氩气保护下进行，以防回收的金属铝氧化^[8]。

7）压榨回收法。利用压榨原理进行铝灰回收的工艺有很多，典型工艺包括“The Press”、SPM等。其工作原理是将热铝灰从机器上部装入，通过在压头上施加压力，使铝灰中熔融态金属铝向容器的下部流动并最终产出，受到压榨作用的铝灰氧化过程迅速停止，其中的氧化物被存留在金属壳内部，同时通过冷却水使内部温度降低，避免金属因高温而发生氧化^{[9, 16, 24]}。

不同铝灰热处理回收铝方法的对比结果见表4。

通过热处理回收后产生的二次铝灰中依然含有一定量的金属铝，因此一般通过冷处理再度回收，冷处理回收一般采用筛选、重选、浮选或电选法等方法，具体方法如下。

1）重选法。金属铝和二次铝灰中其他组分的密度具有差异，因此理论上来说采用重选法回收是可行的。但由于二次铝灰的成分比较复杂，主要成分密度差异过小，如金属铝的密度为2.7 g/cm³，而氧化铝的密度为3.9～4.0 g/cm³，因此采用摇床等重选设备进行回收存在一定困难，有待于重选技术的进一步完善^[22]。

2）磨碎筛分法。工程实践中还有部分企业对铝灰进行磨碎和筛分处理，以完成金属铝的回收。磨碎筛分回收工艺方法成熟，设备简单，但实际回收效果并不理想。主要原因是少部分企业为了节约成本，使用结构简陋、性能低劣设备进行处理，不仅回收效率低，且会造成严重环境问题^[22]。

3）浮选法。铝灰通过浮选方法回收金属铝在国外已有相关研究，结果表明，金属铝不能单独与磺酸盐型捕收剂共浮选，但加入硫酸铜后，铝能被活化并容易漂浮。在这种情况下，活化过程实际上是铜在铝金属表面的胶结。铝灰颗粒的最佳浮选颗粒粒度范围为110～275 μm，过于粗糙的铝灰难以通过浮选直接回收，需要先进行筛分处理^[25-26]。

4）离心法。通过加热使铝灰中的金属铝转化为液态，借助耐热离心机将铝液从铝灰中脱离出来，并流入承接设备中，从而实现金属铝的回收。虽然采用离心法的铝回收率较高，但与现有其他铝灰回收工艺相比，该方法的技术水平还相对较低，不同成分组成的铝灰对其回收结果影响也较大^[27]。

5）电选法。电选依靠原料中不同组分的电性质差异，造成不同荷电状态，最终形成不同分离运动轨迹，从而完成不同组分的分离。电选的典型设备为鼓筒式电选机，铝灰颗粒进入电选空间后，在碰撞荷电作用下，不同组分颗粒均带有电荷，金属铝作为导体，其携带电荷被接地的鼓筒快速传导，而其他盐类作为非导体，在电荷镜像力作用下，使颗粒贴附于鼓筒表面，从而使得金属铝和盐类颗粒在鼓筒前后不同区域得到收集，进而完成了铝灰中金属铝的回收。电选法作为一种干式物理方法，用其处理铝灰不仅具有良好的分离回收效果，且没有废水、废气等排放，避免二次污染，是一种环境友好的技术，但由于铝灰中大量的灰与铝不能有效的分离，使其应用受到一定限制^{[11, 22, 26, 28]}。

不同铝灰冷处理回收铝方法的对比结果见表5。

1）回收可溶性盐。从铝灰中回收可溶性盐（如氟化盐、NaCl和KCl等）主要针对二次铝灰，在高温和高压条件下，铝灰中的盐会由于电渗析作用或pH值变化等条件下实现溶解，溶解的盐经过滤提纯后被回收^[29]。该方法虽能实现铝灰中盐的回收，但也会产生大量废液，此外将可溶性盐回收后的剩余铝灰仍具有环境威胁，需要再次处理。

2）合成铝酸盐。用铝灰合成的铝酸盐包括NaAlO₂和Ca(AlO₂)₂。合成NaAlO₂是将去除可溶性盐后的铝灰溶于NaOH中，使其中的Al和Al₂O₃与NaOH反应，再经过滤提纯即得到NaAlO₂^[30]。用铝灰合成Ca(AlO₂)₂则是将铝灰和CaO一起通过高温煅烧获得^[31-32]。

1）制取棕刚玉。棕刚玉（Al₂O₃）是一种工业人造磨料，因其不起爆、不粉化和不开裂的特点而广泛应用于耐火材料、磨具制作等领域。其生产工艺可以以预处理后的铝灰为原料，采用无烟煤和铁屑分别作为还原剂和沉淀剂。熔炼过程中生成的金属与过量的铁生成硅铁合金，而硅铁合金因其密度较大沉积到炉子的底部，从熔化的棕刚玉中析出^{[8, 33]}。

2）制取多品种氧化铝。由于晶型结构等方面的差异，可存在α、Κ、δ、ε、χ、θ、η、γ、ρ和β-Al₂O₃等10多种晶型的Al₂O₃。多品种氧化铝被广泛应用于各个领域，成为不可或缺的材料，其需求量也在连年增长。以铝灰为原料可制备得到亚微米级氧化铝颗粒，其颗粒粒度（d₅₀）低至0.594 μm，氧化铝含量高达99.3%^{[22, 34]}。

1）合成净水剂。以铝灰（主要指二次铝灰）为原料合成的净水剂主要有硫酸铝、碱式氯化铝和聚合氯化铝。硫酸铝是无机盐的一种，一般利用铝灰与硫酸反应制备。硫酸铝应用十分广泛，在去除水中杂质、除菌，及控制水的颜色和气味方面均表现出优异效果。制备前需先去除铝灰中的可溶性盐，并且要控制酸的浓度、反应温度及搅拌时间。碱式氯化铝也是一种常见的净水剂，是利用铝灰与盐酸和烧碱分别反应的产物合成产生。聚合氯化铝（PAC）是水处理中常用的一种无机高分子絮凝剂，也是目前技术最成熟、使用量最大的絮凝剂，具有混凝能力强、用量少、净水效能高和适应力强等特点，在各类废水处理，以及医药、制造等行业均有广泛应用。用铝灰合成聚合氯化铝的方法众多，但其共同点均是将去除可溶性盐后的铝灰与浓盐酸反应，再通过聚合，最终得到聚合氯化铝产物^[35-37]。

但采用铝灰制备净水剂存在一个共同的缺点，即铝灰在与酸或碱反应时会产生氨气、氢气和甲烷等有害气体，对环境具有极大影响。

2）制备陶瓷清水砖。清水砖是一种优质材料，是传统黏土烧结砖的有效替代产品，已在一些发达国家得到广泛应用。以铝灰为主要原料，添加一定量的粘土、石英和降低烧成温度的添加剂，通过压制成型法能够制备高性能陶瓷清水砖。以铝灰制备陶瓷清水砖，铝灰的用量可在60%以上，不仅降低了生产成本，并且坯体中存在的大量气孔有利于改善清水砖的透气性，提高其保温和隔热的性能^[38]。

3）合成Sialon复合陶瓷。Sialon材料具有优秀的力学和热学性能，以及稳定的化学性质，被看作为最具潜力的高温结构陶瓷之一。采用铝灰、单质硅、金属铝、SiO₂等细粉均匀混合，压制成型后在经高温氮化生成Sialon材料。或以铝灰和粉煤灰为原料，通过铝热硅热还原氮化合成工艺，并在此基础上采用热压烧结制备Sialon材料。无论哪种方法均实现了对铝灰的充分利用，降低了生产成本^[39-40]。

4）生产烧结材料。日本川岛集团的研发企业Singfacts与东海大学等共同开发了以铝灰为原料的烧结材料生产技术。所生产的烧结材料具有强度高、质量轻和透水性好等优点，可在农用、海底净化和建筑骨料等多个领域内实现有效应用。尤其在建筑骨料方面，与用传统混凝土材料构筑物相比，因铝灰烧结骨料本身具有透水性，因此省去排水沟、地面倾斜、前厅和地面的台阶等设计，既提高效率又满足无障碍化的需求^[41]。

5）用于路用及建筑材料。将铝灰掺入混凝土中可以代替一部分粉煤灰。掺入铝灰的混凝土强度能够保持不变，但密度降低，实现轻量化。但混凝土的性能会随铝灰掺入量的增加而急剧下降，因此在混凝土中掺入铝灰的量要严格控制。利用铝灰、硅酸盐熟料、矿渣、粉煤灰和二水石膏还可以生产复合水泥。用铝灰生产复合水泥的最大优势是降低生产成本，并改善水泥的稳定性。但由于铝灰的烧失量较大，因此不能在水泥中过量加入，加入量一般维持在6%～8%之间。且由于铝灰中含有金属铝、氮化铝及碳化铝等，它们会在所生产的混凝土或水泥中水化，产生气泡，导致混凝土或水泥内部产生气孔、膨胀，从而降低其强度，所以利用率不高^[42-44]。

6）作为炼钢脱硫剂。炼钢的传统脱硫剂主要是CaO-Al₂O₃复合脱硫剂，由于铝灰中含有大量的Al₂O₃，因此可以与石灰石、萤石混合用作新型脱硫剂。研究表明，铝灰用作脱硫剂脱硫效果好、成渣速度快，能够改善钢的质量，同时可以显著降低成本，并且在脱硫的同时还兼有脱磷的作用^[45-46]。

铝灰作为铝行业产生的一种危险废物，其处理要严格遵守国家相关法律、法规、标准和规范等政策文件要求，以期达到“减量化、再利用、资源化”目的。

《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》（简称《固体法》）是我国针对固体废物管理的专门性法律，是固体废物污染防治的基础^[47]。其中，2013年修订版《固体法》中第四章针对危险废物污染环境防治进行了特别规定，包括危险废物名录的制定、危险废物标识的设置、产废单位的管理责任、处置单位的管理责任和危险废物收集贮存运输处置全过程的要求等等。并在第五章法律责任中对危险废物的各类违法行为及处罚方式予以详细规定，为危险废物的处理提供了法律依据。

铝灰作为铝行业产生的主要废物，对其资源化利用也是满足《中华人民共和国清洁生产促进法》的要求。《中华人民共和国清洁生产促进法》中第十九条明确规定“对生产过程中产生的废物、废水和余热等进行综合利用或者循环使用”，第二十六条再次强调“企业应当在经济技术可行的条件下对生产和服务过程中产生的废物、余热等自行回收利用或者转让给有条件的其他企业和个人利用”^[48]。因此，对铝灰进行资源化利用是保证清洁生产，实现“无废城市”目标的重要举措之一。

2008年第十一届全国人民代表大会常务委员会第四次会议通过，2018年第十三届全国人民代表大会常务委员会第六次会议修正的《中华人民共和国循环经济促进法》^[49]中，第三十条明确指出“企业应当按照国家规定，对生产过程中产生的粉煤灰、煤矸石、尾矿、废石、废料、废气等工业废物进行综合利用”，《中华人民共和国循环经济促进法》再次对工业废物的减量化、再利用和资源化以法律的形式予以规定。

1996年国务院批准了国家经贸委等部门《关于进一步开展资源综合利用的意见》（国发[1996]36号）^[50]，并由国家能源局于2011年再度发布。文件强调加强资源的综合开发和合理利用，防止资源浪费和环境污染，要求企业对其生产过程中产生的废物应积极开展综合利用，不具备利用条件的，应支持其他单位开展综合利用。

2005年《国务院关于加快发展循环经济的若干意见》（国发[2005]22号）^[51]中指出“必须大力发展循环经济，按照“减量化、再利用、资源化”原则，采取各种有效措施，以尽可能少的资源消耗和尽可能小的环境代价，取得最大的经济产出和最少的废物排放，实现经济、环境和社会效益相统一，建设资源节约型和环境友好型社会”。文件指出发展循环经济的重点环节包括要加强对冶金等重点行业资源消耗管理，提高资源利用率。同时在废物产生环节要加强对各类废物的循环利用，推进企业废物“零排放”。

此外，《国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》（国发[2005]21号）^[52]中也明确表示要加强资源综合利用，以冶金、化工废渣等的综合利用为重点，推进工业废物综合利用。

我国众多法律、法规及规章已明确指出要对以铝灰为例的冶金工业废物进行资源化利用，实现资源节约、循环发展、防止环境污染等目的，从而实现建设资源节约型和环境友好型社会的伟大目标。

2016年颁布的《中华人民共和国环境保护税法》^[53]，对产废企业的环保税额进行了详细规定，以铝灰为例的危险废物产废企业，每t废物要交纳1 000元环保税，具体环境保护税税目税额见表6。

表6可知，产废企业所产固体废物，如煤矸石，每t的环保税仅为5元。若为尾矿，每t的环保税为15元。冶炼渣、粉煤灰炉渣等固体废物每t的环保税为25元。铝行业排出量最大的固体废物—赤泥，每t要交纳的环保税也仅仅为25元，为铝灰要交纳环保税的1/40。所以从环保税收即体现出国家对以铝灰为例的危险废物的重视或者严苛对待。因此，从其高额的环保税额也体现出对铝灰资源化利用的迫切需求。

在国家建设资源节约型和环境友好型社会的趋势推动下，在发展循环经济和清洁生产的政策要求下，各行业都在向低能耗、低污染、“零”排放的绿色环保生产方向发展。铝灰作为铝行业产生的主要产物，同时作为一种危险废物，对其资源化利用也将成为未来铝行业的主要发展和努力的方向。当前，针对铝灰资源化利用的手段很多，但实际能够在我国实现工业化推广的技术却屈指可数，各类技术都具有各自独特的优势，却也由于客观缺陷使得其推广利用受到限制。因此，基于现有技术，进一步推进科技创新，提高铝灰的附加利用价值，降低资源化时产生的环境危害，使其能够成为一种高效回收利用的原料，是铝灰资源化利用技术层面未来发展的道路。

同时，国家及政府在政策上的支持与引导也必不可少。现阶段我国对工业废物的循环发展已颁布相关法律、法规等政策文件，提供了部分法律支持。但由于各行各业产生废物种类众多，政策也只能概而括之，没有针对性政策的提出，尤其针对铝灰尚未颁布相关处理标准及技术规范，使铝灰在资源化利用上没有具体指导和依据，这需要国家和相关部门在政策上提供针对性文件的支撑。

此外，针对铝灰资源化利用的出口问题，也要引起政府部门重视，要加强政府的引导作用，提高企业对铝灰资源化产品的认可度和使用度，在资源化出口上提供相应政策支持。通过一系列手段，使铝灰真正从一种难以处理的危险废物，变为附加值高、对国民经济发展有益的工业原料，这也是推动我国铝行业持续、健康、稳定发展的重要举措。