鋁電解工業(yè)危險廢物資源化處理工藝

王紅香

(山西高騰環(huán)境科技有限公司，山西 太原 030012)

引 言

近十幾年來，我國的電解鋁產能顯著升高，但是電解鋁行業(yè)發(fā)展中始終具有高污染和高耗能特征，并由此引發(fā)了嚴重的環(huán)境污染。危險廢物處理對電解鋁行業(yè)的發(fā)展造成了阻礙，所以我國也研發(fā)了多種不同形式的無害化及資源化處理技術，希望改變電解鋁工業(yè)發(fā)展現狀。

1 鋁電解過程主要危險廢物分類及特征

在電解鋁生產過程中，經常出現的危險廢物種類有：炭渣、鋁灰、大修渣，其中大修渣又可劃分為廢陰極和廢槽襯這兩種。電解鋁生產中出現的鹽渣和浮渣均為常見的危險廢物。電解鋁時，部分能夠反應的陽極炭塊發(fā)生反應后會形成二氧化碳、一氧化碳等物質，不能反應的部分則會自動脫落，形成炭渣。主要成分為碳、α-Al2O3、氟鋁鎂鈉石和錐冰晶石，其中氟含量超過30%。鋁電解鑄造和生產環(huán)節(jié)，副產品的種類較多，主要有鋁金屬及其他成分的鋁氧化物，人們也將其稱為鋁渣和鋁灰。其由Al2O3、Al、Fe、Mg的氧化物及K、Na、Ca和Mg等金屬元素的氯化物，其中鋁含量(質量分數)在15%～25%，氧化鋁(質量分數)在50%～80%。

碳素在電解鋁陰極之中發(fā)揮著重要作用。受長期浸泡于電解鋁溶液的影響和氟化鹽鋁液、多種應力的作用，容易產生變形和破裂等問題，裂縫中也出現了多種氟化物，碳含量也占總量的5成～7成，氟的含量約為1成。

同時也含有少量的Na、Al、Ca、Fe、SiO2。工作人員需定期進行電解槽大修，在大修時清理多個廢槽襯，受電解質較長時間的腐蝕作用，內部可能出現少量的氟化物或氰化物，因此該類廢物具有較強的危險性。

2 鋁電解工業(yè)危險廢物資源化處理技術

2.1 炭渣(陽極渣)處理技術

2.1.1 焙燒法

焙燒法是炭渣在特定溫度環(huán)境下燃燒，確保炭渣中炭、氫可燃物燃燒充分，以此獲取電解質，順利分離炭和電解質。該方法需要磨料、焙燒、冷卻，回收的電解質純度較高，可直接循環(huán)到電解槽中。但是該方法生產效率不佳，無法實現大規(guī)模處理。

2.1.2 真空冶煉法

真空冶煉法是利用真空整流路處理電解鋁炭渣，基于真空環(huán)境加熱炭渣，電解質揮發(fā)后續(xù)冷凝處理，以此獲得高純度電解質和碳。研究人員發(fā)現，真空度為5 Pa，反應溫度為95 ℃，反應時間為4 h且粒度為0.5 mm～1 mm時電解質分離效果最為明顯，分離率超83%，殘余炭渣的碳含量超74%。

2.1.3 浮選法

采用這種處理方法需要在渣碳當中加入適量水，之后作研磨處理，加入浮選藥劑，充分攪拌后輸送至浮選機中。炭粉上可形成泡沫，從槽的底部順利排出電解質，以此實現炭粉和電解質的有效分離。

1) 浮磁聯合系統。先利用球磨機對炭渣進行研磨，研磨形成的泥漿在其中添加一定比例的柴油和松脂醇，送到浮選設備中。保證炭粉順利從液體表面浮出，進而分離炭粉與氟化物。采用泵送方式將炭粉送入離心機作甩干處理，之后利用電爐的余熱烘干，形成產品炭粉。磁選能夠有效去除含鐵的雜質，也可在磁選機中盛放清除炭粉后的漿液，之后方可清理漿液中的無用物質，發(fā)揮系統的分離作用。

2) 電爐熔融系統。磁選后的泥漿要實行脫水、烘干和預熱處理，隨后便可生產氟化鹽，在電熔爐熔融系統中投放氟化鹽，由于密度因素的影響，含炭粉廢渣可懸浮于最表層，氟化鹽主要處于中層位置，其他雜質可沉淀于底部位置。熔融凈化處理之后，氟化鹽可直接投入到冷卻裝置中，隨后經專業(yè)的破碎處理便可形成性能優(yōu)良的電解質產品。

2.2 鋁灰處理技術

2.2.1 從鋁灰中回收鋁的方法

1) 等離子體速溶法。該方法主要利用離子體噴嘴，在空氣中加入二氧化碳、甲烷和氫氣，在轉動爐內制鋁灰，短時間內可將鋁灰加熱到950 ℃，鋁灰在高溫下融化，順著爐底排出體外。在該方法下，鋁的回收率可達到90%，爐內產生的氧化鈣也會生成鋁酸鈣。

2) 全自動鋁灰處理技術。全自動鋁灰處理技術中所需設備有高速灰處理機、移動翻轉設備、超級冷卻劑和分級冷卻投入裝置。該設備可在鋁灰之中提出8成以上的金屬，是一個獨立的新型設備，處理鋁灰時不易產生污染源，僅可在攪拌和翻倒中出現煙塵。設備易于出現粉塵的位置均可采取防塵措施。人員先要篩選高溫鋁灰，溫度應保持在800°～900°，攪拌分離處理后，鋁灰可直接進入到鋁錠模之中，剩余的鋁灰則進入冷卻裝置，冷卻的溫度控制在60 ℃以內。同時選擇分級，在分級機的作用下，冷軋尺寸以10 mm為分界線，采用不同措施處理。前者需要運至冷灰投入機中，可發(fā)揮熱渣冷卻劑和調溫劑的作用。后者則可作為覆蓋量，循環(huán)至電解槽后方可繼續(xù)使用。

2.2.2 鋁灰處理及綜合利用技術

1) 從鋁灰中生產γ-Al2O3。以酸浸方式調整酸堿值，再配合堿沉淀和煅燒工藝，完成γ-Al2O3的提煉。其中的含鋁溶液可利用氨水加以處理，以此形成無形氫氧化鋁，經煅燒后便可獲取γ-Al2O3。自鋁灰中回收的γ-Al2O3粉末均為5 nm，孔徑上的差異，吸附力和催化效果也會有所不同。

2) 從鋁灰中回收α-Al2O3。在提取α-Al2O3過程中，以高溫燒結和常壓溶出的方式為主，控制燒結溫度和時間、堿灰比等參數。經實驗研究可知，溶出液固比控制在5:1，溫度在100 ℃左右，時間為半小時，氧化鋁的溶出率最高。

3) 鋁灰制備硫酸鋁技術。將電解鋁過程中產生的鋁灰送入脫氮器中，利用蒸氣清理氮氣后便可將其推入硫酸鋁反應釜中，與稀硫酸反應后便可生成硫酸鋁溶液。硫酸鋁反應釜中形成的氯酸鋁溶液經過濾便可送入儲存槽儲存。硫酸鋁利用聚合蒸發(fā)釜進行處理后，形成的晶狀體在經過破碎處理便可流入市場。

2.3 廢陰極的綜合利用技術

2.3.1 石灰浸出法

以破碎、球磨、石灰浸泡、沖洗等方式進行高純炭粉、氯化鈣的制作，并利用制作材料性能調節(jié)溶液。將其調節(jié)至微堿性溶液，使負離子與鈣離子結合后生成氟化鈣。氟化鈣無法溶解于水，可形成沉淀，經干燥脫水處理后，便可經包裝處理流入市廠。浸泡處理后形成的材料即為炭粉，經過脫水處理即可應用。

2.3.2 電弧爐生產高純碳粒

將破碎和篩選后尺寸在3 mm～10 mm的廢陰極實施研磨處理，送入直流電弧爐加熱，引導顆粒燃燒，煙氣減小后便可停電，取出材料，冷卻后得到高純度的固定碳粒。

2.3.3 浮選-化學處理工藝

在了解廢陰極、石墨化、石墨分布等物理特征后，利用浮選-化學處理工藝，完成氟、碳的回收利用，氟化鈉產品中的氟化鈉含量近50%，氟回收率超90%。處理時產生的廢水可重復使用或零排放。

2.4 廢槽襯處理技術

2.4.1 焙燒工藝

固體渣約含20%(質量分數)的氟化鈣。氟化鈣是水泥原料燒結反應中的催化劑，能夠有效減少螢石粉的消耗，也可作為耐火性優(yōu)良的工業(yè)原料，載氟的氧化鋁流入鋁電解槽后便可二次使用。

現階段電解鋁廢槽襯無害處理技術已經受到廣泛關注，這一技術能夠以氧化鈣含量較高的礦物作為反應劑，二氧化硅是主要的添加劑，以煙煤及回轉窯組織熱處理，利用氧化鋁吸收尾氣，經科學處理后便可完成石灰水處理，經處理的物料可使廢槽襯中的可溶性氟化物和氰化物有所減少。固體渣和煙氣要滿足國家環(huán)保標準。

2.4.2 浮選-浸出工藝

該工藝在回收炭質材料和電解質材料上有著顯著效果，其融合了多種化學手段，實施電解質及炭質材料的處理。破碎處理后粉磨破碎后的廢炭質陰極顆粒，之后將其浸水，加入適量的浮選藥劑。浸水主要是獲得氟化鈉電解質，利用浮選劑進行浮選，獲得高純度的炭粉，增加炭回收率。礦漿蒸發(fā)后便可獲取電解質，焙燒處理后得到高純度電解質，之后返回電解質槽使用。耐火保溫材料經破碎、粉磨和初步水浸后，加入稀鹽酸獲取電解質，在過濾、蒸發(fā)處理后便可形成高純度電解質。工藝操作中需加入石灰水，從而生成氟化鈣，經濾蒸后便可形成無害鈣渣。廢陰極粉粒徑浮選和過濾，便可產生氟化氫氣體，利用氧化鋁吸附達到回收目的。

2.4.3 以硝酸鋁和硝酸浸出廢槽襯

硝酸鋁和硝酸浸出廢槽襯的研究結果表明，60 ℃下可使用硝酸鋁和硝酸溶液浸取廢槽襯，獲取氟元素。以硝酸提取氣態(tài)HCN，創(chuàng)建氟離子和鋁離子在浸取液中的溶解平衡數學模型。調整浸取液的pH值，從而形成氟化鋁沉淀。實踐證明，該處理方式合理可行。

3 結語

不同電解鋁企業(yè)應用的工藝條件、槽內襯材料和材質存在顯著差異，且操作水平和管理也各不相同，這使得鋁電解槽、廢槽襯的成分存在差異。電解鋁工業(yè)產生的固體危險廢物中含有諸多具有回收價值的成分，技術人員可使用適當工藝，實現資源回收利用，進而達成節(jié)能環(huán)保的目標。