無害化處理鋁電解廢陰極炭塊技術(shù)分析及應(yīng)用現(xiàn)狀

董旋 張鴻儒 李明

摘 要 鋁工業(yè)在我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占著舉足輕重的地位，在我國國防事業(yè)中也占據(jù)著重要位置，保證了國防建設(shè)的原材料供應(yīng)。在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)快速發(fā)展帶動作用下，我國鋁工業(yè)也取得了顯著的進(jìn)步，電解鋁產(chǎn)生翻倍增加。文章對鋁電解廢陰極炭塊的方法和有關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析，對火法處理和濕法處理技術(shù)進(jìn)行了闡述分析，旨在為今后相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞 廢陰極炭塊 火法 濕法

中圖分類號：TF821;O646 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）04-0028-02

隨著這些年我國環(huán)保力度逐漸增大，鋁電解廢陰極無害化處理研究成為了研究重點(diǎn)，這也是作為一個有擔(dān)當(dāng)企業(yè)的社會責(zé)任。鋁電解廢陰極無害化處理也符合資源重復(fù)利用的基本要求，是當(dāng)前鋁企業(yè)研究的重點(diǎn)，這也符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的基本要求[1]。

1 主要廢陰極處理方法分析

廢槽襯的構(gòu)成比較復(fù)雜，涉及到的組件較多，如廢陰極碳塊、廢陰極鋼棒等。就從廢槽襯構(gòu)成層面分析，廢陰極炭塊占整個重量百分比的35%。陰極在鋁電解生產(chǎn)時會與鋁液直接接觸，因此氟化物和氰化物會存在于廢陰極炭塊中，而其中的耐火材料處于下部，氟化物的含量相對較低，廢陰極鋼棒占重量百分比的15%，回收簡單。從結(jié)構(gòu)構(gòu)成上來看，廢槽主要污染源就是廢陰極。鋁電解廢陰極無害化處理主要表現(xiàn)在無害化處理和回收利用兩個層面，這也就是說在將廢陰極氟化物和氰化物等無害化處理的同時，還需要對處理過程中的物質(zhì)進(jìn)行有效的回收和利用[2]。就目前技術(shù)水平而言，廢陰極技術(shù)處理主要有以下幾種方法：耐腐蝕物質(zhì)采用熱處理方法;氟化物、氰化物等采用化學(xué)浸出法;依據(jù)物質(zhì)物理性質(zhì)（如溶解性、密度等）實(shí)現(xiàn)碳與氟化物的分離。鋁電解廢陰極處理技術(shù)主要有兩種，即火法和濕法，所謂的火法就是利用高溫來將有害物質(zhì)進(jìn)行分解，從而實(shí)現(xiàn)無害化處理，如冶金爐、回轉(zhuǎn)窯等;而濕法處理技術(shù)則是利用物質(zhì)物理原理實(shí)現(xiàn)有害物質(zhì)的分離，如浮選法。對分離得到的氟化物可以回收利用，通過氧化物的加入來分解氰化物，從而實(shí)現(xiàn)無害化處理。

1.1 火法處理技術(shù)

粉碎廢陰極炭塊，在高溫條件下，存在于廢陰極炭塊的氟化物會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)生的產(chǎn)物為無害物質(zhì)。當(dāng)溫度大于700℃條件下，氰化物會完全分解，同時在高溫條件下，廢陰極中的炭也會完全燃燒，這樣還能節(jié)省能源[3]。廢陰極火法處理過程較為復(fù)雜，其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理還有待完善，有害物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

2NaCN+4.5O2=Na2O+2NO2+2CO2

2NaCN+4O2=Na2O+N2O3+2CO2

2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2O·SiO2

2NaF+3CaO+2SiO2=CaF2+Na2O·SiO2+2CaO·SiO2

其具體流程如下：（1）破碎。將廢陰極炭塊在無害化車間破碎后，用密閉車將其運(yùn)至進(jìn)料區(qū)，之后用天車抓斗送至冶煉爐內(nèi);（2）裝爐。在冶煉爐爐底鋪設(shè)一層無煙煤，鋪設(shè)至指定高度后將粉碎的廢陰極炭塊鋪上;待炭塊鋪設(shè)到工藝要求高度之后，再鋪設(shè)一層無煙煤，上述鋪設(shè)作業(yè)完成后，將爐蓋蓋好，保證冶煉爐處于全封閉狀態(tài);（3）冶煉。待確認(rèn)冶煉爐處于全封閉狀態(tài)后開始送電[4]。冶煉爐電源兩端鏈接的就是爐體的石墨電極。因?yàn)殛帢O炭塊電阻小，因此在送電后就會發(fā)熱。在持續(xù)通電條件下，溫度越來越高，溫度達(dá)到1700℃時，廢陰極炭塊中的氰化物就會以氣體的形式釋放出來，釋放出來的氣體則會經(jīng)炭塊進(jìn)入到透氣孔，之后進(jìn)入到冷凝區(qū)域，在水套冷凝作用下，氰化物氣體會轉(zhuǎn)化成粉狀結(jié)晶狀態(tài)，這也標(biāo)志著冶煉作業(yè)結(jié)束[5];（4）冷卻。冶煉作業(yè)結(jié)束后，所得產(chǎn)品的溫度還是比較高的，因此必須對產(chǎn)品進(jìn)行冷卻處理。一般情況下會使用噴水冷卻方法;（5）出料。出料主要由爐槽內(nèi)碳塊和無煙煤兩個部分。首先利用抓斗將上部的無煙煤抓取，其次將炭塊和緊貼炭塊的無煙煤抓取到烘干機(jī)中烘干，烘干后通過篩分機(jī)分離;（6）尾氣處理。無煙煤在冶煉過程中因受熱會揮發(fā)出尾氣，這些尾氣可以經(jīng)冷卻后通過管道輸送至尾氣凈化處理系統(tǒng)中。利用尾氣凈化處理系統(tǒng)可以將尾氣中含有的少量氰化物處理掉。

1.2 濕法處理技術(shù)

首先介紹高溫水解法。所謂的高溫水解法就是在1200℃高溫條件下，對廢陰極材料進(jìn)行燃燒，在燃燒過程中將水蒸氣通入其中。通入其中的水蒸氣會同氟鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物為氣體氟化氫，經(jīng)過這一過程，廢陰極中的氰化物會被分解[6]。另外可以用水來吸收產(chǎn)生的氟化氫，進(jìn)而得到氫氟酸水溶液，為其他化學(xué)反應(yīng)提供原材料。高溫水解法中涉及的化學(xué)反應(yīng)主要有：

NaF+H2O=NaOH+HF（g）

2NaF+Al2O3+H2O=2NaAlNO2+2HF（g）

其次，浮選處理方法。通過利用偏光顯微鏡對廢陰極炭塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)NaF、NaAIF6、AI2O3會浸入到炭塊的裂縫與孔洞中，且這些浸入物質(zhì)與炭之間有較為明顯的界面，利用物質(zhì)特性可以將兩者分離開來。所謂的浮選法其實(shí)質(zhì)就是通過利用浮選劑來實(shí)現(xiàn)料漿物質(zhì)分離的一種物理方法。具體步驟如下：把廢陰極材料進(jìn)行粉料，調(diào)漿后移至浮選機(jī)內(nèi)，將浮選劑加入其中并進(jìn)行反復(fù)的浮選，之后就會得到碳和固體電解質(zhì)[7]。表1為濕法炭粉成分分析結(jié)果。

2 廢陰極炭塊火法處理技術(shù)與濕法處理技術(shù)對比分析

就目前技術(shù)水平而言，廢陰極炭塊火法技術(shù)處理法中回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法使用較多，這種處理技術(shù)在鋁企業(yè)中應(yīng)用廣泛。如某鋁企業(yè)建設(shè)了一條火法廢槽襯無害化處理工業(yè)線，其中廢陰極可溶氟化物轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%，氰化物的轉(zhuǎn)化率在99%以上，這條工業(yè)線的轉(zhuǎn)化處理結(jié)果符合國家固體廢物排放標(biāo)準(zhǔn)。

廢陰極濕法處理技術(shù)中應(yīng)用較多的就是浮選法。通過上述闡述可知，浮選法可以對廢陰極炭塊中存在的氟化物、氰化物進(jìn)行無害化處理，且過程中的廢水可以循環(huán)化利用，產(chǎn)物品質(zhì)較為穩(wěn)定，但是所得到的物質(zhì)利用價值還有待研究[8]。

通過對表2分析可以發(fā)現(xiàn)，無論是火法處理技術(shù)還是濕法處理技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了無害化處理，且相關(guān)技術(shù)指標(biāo)都符合國家有關(guān)要求[9]。從能耗角度分析，廢陰極火法處理技術(shù)耗能高，這就體現(xiàn)出濕法處理技術(shù)的節(jié)能優(yōu)點(diǎn);從資源綜合利用角度分析，廢陰極火法處理技術(shù)對資源的利用效率較濕法處理技術(shù)相比較低，鑒于上述分析，廢陰極炭塊濕法處理技術(shù)應(yīng)用更加符合當(dāng)前實(shí)際，但是值得注意的是，利用浮選法所得到的碳產(chǎn)品含量最高為85%，不符合工業(yè)化生產(chǎn)使用要求，在今后的工作中需要進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究，優(yōu)化提純工藝。

3 結(jié)語

近年來，關(guān)于鋁電解廢陰極炭塊的無害化處理研究越來越多，越來越深入，且在實(shí)踐中也得到了一定的應(yīng)用，取得了一定的成績，無論是火法處理技術(shù)還是濕法處理技術(shù)在我國鋁企業(yè)中都得到了應(yīng)用，都是比較先進(jìn)的處理技術(shù)，通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，這兩種處理技術(shù)的應(yīng)用都實(shí)現(xiàn)了廢陰極炭塊氰化物的完全費(fèi)解。其中火法處理技術(shù)是無害化處理氰化物，而濕法處理技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了氰化物的回收利用，符合資源循環(huán)的利用要求，但是受到某些技術(shù)因素的限制，濕法處理技術(shù)所得到的產(chǎn)品應(yīng)用范圍還有待商榷，因此在今后的研究中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入研究廢陰極炭塊處理方法。

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