《Process Safety and Environmental Protection》：Process design and
scale up for Al recovery from saline slags and zeolite production
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本研究介绍了废物管理中进行铝回收并利用其生产有价值吸附剂和催化剂（沸石）的放大及技术经济评估。研究人员使用各个阶段（包括浸出（lixiviation）、碱提取（basic extraction）和沸石（zeolite）合成）的性能实验数据进行工艺设计和放大，并
本研究介绍了废物管理中进行铝回收并利用其生产有价值吸附剂和催化剂（沸石）的放大及技术经济评估。研究人员使用各个阶段（包括浸出（lixiviation）、碱提取（basic extraction）和沸石（zeolite）合成）的性能实验数据进行工艺设计和放大，并进行了详细的工艺合成和技术经济评估（technoeconomic evaluation）。产品收率达到0.185 kg/kg原料，同时还获得了有价值的副产品氨（ammonia）。对于212 kg/h的生产能力，所需投资为9.4 M�，沸石的生产成本合计为5.22 �/kg。为了使其具有竞争力，需要0.64 �/kg的废物管理费。规模对废物管理的影响显示生产成本显著降低。因此，如果将其视为废物管理策略的一部分，该工艺在技术和经济上都是可行的。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
铝是应用最广泛的有色金属，但其原生铝生产（Primary Aluminum Production, PAP）过程成本高且污染严重。二次铝生产（Secondary Aluminum Production, SAP）虽能回收铝并节省资源，但会产生白色浮渣、黑色浮渣和盐渣（saline slag）等危险废物。盐渣因含有大量可溶性盐和有毒物质，被欧盟列为危险废物（Directive 2010/75/EU）。然而，这些废渣中仍含有可观的有价铝，可通过湿法冶金或化学方法回收。铝具有两性特性，可在酸或碱介质中溶解，由此获得的铝溶液可用于制备高附加值材料，如氧化铝、层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxides, LDHs）或沸石（zeolites）。沸石是一种具有三维孔道结构的硅铝酸盐，广泛用作离子交换剂、吸附剂和催化剂。目前，已有研究报道从盐渣中合成方沸石（analcime）、钙沸石（pollucite）和八面沸石（faujasite）等沸石，但大多数研究仅停留在回收阶段，缺乏对大规模制备高附加值产品的工艺放大和技术经济评估。为此，研究人员开展了本项研究，旨在从盐渣中回收铝并生产沸石（方沸石），评估其工艺可行性和经济性，为废物管理策略提供依据。该论文发表在《Process Safety and Environmental Protection》。
**主要技术方法**
研究人员基于方程建模（equation-based modelling）方法，利用各阶段实验数据（包括浸出、碱提取和沸石合成）进行工艺设计。主要技术方法包括：固体预处理（粉碎与筛分）、浸出反应（AlN水解生成NH
3）、碱提取（Al
2O
3与NaOH反应生成NaAl(OH)
4）、沸石合成（NaAl(OH)
4与Na
2SiO
3反应生成方沸石NaAlSi
2O
6·H
2O）以及产物分离（过滤、洗涤、干燥）。经济评估采用因子法（factorial method）估算投资成本（CAPEX）和运营成本（OPEX），并考虑规模效应。所有实验数据均来自先前文献（Jiménez et al., 2022等），未提及具体样本队列来源。
**研究结果**
**4.1 工艺性能指标**
通过物料和能量平衡计算，研究人员确定了设施的关键性能指标：方沸石产量为212 kg/h，原料消耗1141.55 kg/h，收率0.185 kg/kg原料。热能需求约24.5 MJ/kg产品，电能需求约35.4 MJ/kg产品，表明过程能耗较高。此外，需消耗NaOH、乙醇和Na
2SiO
3，并副产氨气22.3 kg/h，可作为有价值的副产品。
**4.2 经济分析**
**4.2.1 投资成本**
总投资（CAPEX）为630万欧元，其中43%用于储罐（因中间产品处理与洗涤），第二大项为反应器（占31%），颗粒处理设备占14%。按工艺段划分，水处理段占35%，合成段占31%。设备费用为170万欧元，管道与隔离费用70万欧元。
**4.2.2 运营成本**
年运营成本（OPEX）为690万欧元，其中设备维护与折旧占45%，管理费占17%，化学品与公用工程仅占7%。沸石生产成本为5.22 �/kg，考虑氨副产品收益（0.62 �/kg）后仍高于市场价（1.76 �/kg），导致净现值（NPV）为-5940万欧元，投资回报率（ROI）为-978%，无法在20年寿命期内回收投资。若将设施视为废物管理设施，则需收取0.64 �/kg的废物管理费才能达到市场竞争力；若需在7年内回收投资，则管理费需提高至0.78 �/kg。
**4.2.3 工艺放大**
研究人员基于基准产能（212 kg/h）进行放大与缩小，得到OPEX和CAPEX随产能变化的幂律关系：OPEX（�/kg）= 40.206 × (产能)
-0.364，CAPEX（�）= 0.3713 × (产能)
0.614。只有当产能超过2120 kg/h时，沸石生产成本才可能接近市场价。规模效应有助于降低成本，但不足以完全弥补。
**讨论与结论**
研究人员总结指出，从盐渣中回收铝生产方沸石在技术上是可行的，该工艺包括四个主要阶段：颗粒减小、浸出、碱提取和沸石合成。所有阶段均经实验室验证，每公斤废料可获得0.185 kg方沸石和0.02 kg氨。虽然工艺本身不盈利（沸石最低售价为市场价的两倍），但若将其纳入废物管理策略，通过收取约0.64 �/kg的废物管理费，即可实现经济可行性。研究还提供了废物管理政策制定的工具，证明了规模效应对降低生产成本的重要作用。结论部分翻译如下：本研究提出了管理和增值铝废料以生产沸石（方沸石）——一种有趣的吸附剂和催化剂的工艺放大和设计。该工艺包括四个主要阶段：颗粒减小、浸出、碱提取和沸石合成。所有阶段均在实验室规模得到验证，并使用收率作为参考进行工艺建模。从废料中生产沸石在技术上是可行的，可产生有价值的副产品氨，并在温和操作条件下运行。每公斤废料可获得0.185 kg沸石和0.02 kg氨。该设施不盈利，沸石的最低销售价格是典型市场价格的两倍，但如果支付约0.64 �/kg的废物管理费，则有可能达到竞争力。该研究提供了废物管理政策制定的工具，同时呈现了铝废料增值的技术经济分析。
