CN105132949A - 一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，涉及冶金与环保领域。本发明首先对铝电解槽进行拆解，对电解质层材料回收使用；对电解质层和阴极残块的过渡层材料，运送至选分车间；对阴极残块，运送至处理车间进行破碎，采用平铺直取等方式进行混匀；对破碎之后的颗粒进行筛选，10mm以上粒径的颗粒继续进行破碎，3mm以下的颗粒进一步磨碎到粒径0.074mm以下，得到阴极碳粉；3～10mm粒度的颗粒作为炼钢增碳剂使用；0.074mm以下的阴极碳粉作为保护渣添加剂，用于控制保护渣的熔速。本发明可以实现废旧阴极在钢铁冶金中的直接利用，使在铝电解行业产生的废物成为在钢铁冶金辅助材料生产的原料，符合生态冶金的理念；所述方法简单易行，无二次污染。

Description

一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法

技术领域

本发明涉及冶金与环保领域，涉及一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，此方法适合于铝电解行业废旧阴极(包括炭渣等碳质材料)的处理与利用。

背景技术

电解铝生产的主体设备为铝电解槽，铝电解槽经过一段时间的使用，由于电解质的侵蚀，导致阴极材料报废，必须对其进行更换。这样每年会产生大量的废旧阴极材料。

我国电解铝工业发展迅速，2001年至今已经连续13年电解铝产量保持世界第一，2013年产量达到2195万吨，经粗略估计排放的废旧阴极可达85万吨左右，而且呈逐年递增的趋势。铝电解槽废旧阴极材料中平均可溶F^-含量约2000mg/L、CN^-约15mg/L，远超国家《危险废物鉴别标准——浸出毒性鉴别》(GB5085.3-1996)中的阈值危险废物鉴别标准F^-100mg/L、CN^-5mg/L(第5页)，属于危险固体废物，禁止随意丢弃。

经检测表明，废旧阴极材料中石墨化炭占30～70％(重量百分比)；电解质成分占70～30％(重量百分比)，主要为冰晶石、氟化钠和氟化钙等，是一种富含石墨和氟盐的矿物资源。目前对铝电解废旧阴极材料主要采用安全填埋的方式处理，不仅占用耕地，而且无法彻底消除其危害，而且造成资源的浪费。随着铝电解槽废旧阴极材料拆解量的增大，以及人们对自然环境要求的不断提高，和现今矿物资源的不断减少，铝电解槽废旧阴极材料的综合利用研究是电解铝企业防止污染和资源化利用的主要方向。

在综合利用方面，各国铝生产行业都在积极开发相关技术，这些方法主要可分为两大类，一类是湿法处理工艺，如：浮选处理工艺、化学浸出处理工艺、石灰水浸泡处理工艺等，其中以前两种技术具有较好的综合利用前景。另一类是高温火法处理工艺，如：回转窑焙烧处理工艺、高温水解法处理工艺、铝土矿烧结处理工艺、彼施涅分离处理工艺、“AUSMELT”处理工艺以及“SPLIT”处理技术等。这些火法处理工艺的基本原理是通过高温实现氟化物的挥发分离与收集利用，同时得到一般固体废弃物，其能耗高，固体废弃物产量大。

这些处理工艺中，浮选处理工艺可以同时得到含碳物料和电解质为主的物料，进而可实现分质综合利用，具有良好的开发前景。但是目前选分效果不理想，得到的碳质材料和电解质纯度不够高，如何有效地实现综合利用有待进一步研究。

为此，寻求对废旧阴极材料的综合利用途径，具有重要的应用价值。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提出一种新的综合利用方法，该方法可以使铝电解废旧阴极材料的综合利用工艺简化，或通过对现有工艺的完善，使选分得到的碳质材料和电解质材料得到有效的利用，打通废旧阴极综合利用的障碍，消除废旧阴极材料填埋或堆存造成的资源浪费和环境污染隐患，实现铝电解拆解料的无害化和资源化，有利于铝电解行业的生态友好和可持续发展。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

本发明提供一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，所述综合利用方法充分考虑铝电解废旧阴极材料的物化性能，设计新的综合利用途径，具体包括如下步骤：

(1)在铝电解槽拆解过程，进行分层清理与堆存。

所述的铝电解槽包括电解质层、过渡层和阴极残块，在拆解过程中，首先尽可能将电解质层先行清理干净，再清理电解质层和阴极残块的过渡层，最后起出阴极残块。

(2)对电解质层材料可作为电解质回收料返回使用；对电解质层和阴极残块的过渡层材料，运送至选分车间；对阴极残块，运送至处理车间。

(3)对处理车间的阴极残块进行破碎，采用平铺直取等方式进行混匀；

所述的破碎包括粗碎和中碎，优选的，中碎之后再加一级细碎。粗碎采用颚破，中碎与细碎采用锤式破碎机。破碎之后的粒度范围为：粗碎粒度50mm以下，中碎30mm以下，细碎10mm以下。

(4)对破碎之后的颗粒进行筛选，10mm以上粒径的颗粒继续进行破碎，3mm以下的颗粒进一步磨碎到粒径0.074mm(即200目)以下，得到阴极碳粉。

(5)3～10mm粒度的颗粒作为炼钢增碳剂使用；200目以下的阴极碳粉可以作为保护渣添加剂，用于控制保护渣的熔速。

本发明充分利用了阴极材料石墨化程度高(碳的石墨化率可达70％以上)，其中的电解质材料中氟铝酸钠、氟化钠和氧化铝等对炼钢过程无害，且部分嵌布有氟铝酸钠、氟化钠的碳粒更有利于沉于保护渣中，防止碳粒上浮分层，可在保护渣中更好地发挥其对保护渣熔速的控制作用。可以替代目前保护渣生产工艺中广泛采用的石墨作为配碳材料，同时发挥氟铝酸钠、氟化钠和氧化铝等组元对熔点的调解作用，减少保护渣中的熔剂消耗。

对增碳剂也可起到同样的作用，有利于稳定增碳效果。

与现有技术相比，本发明所带来的技术效果是：

(1)可以实现废旧阴极在钢铁冶金中的直接利用，使在铝电解行业产生的废物成为在钢铁冶金辅助材料生产的原料，符合生态冶金的理念。

(2)充分利用废旧阴极碳质材料石墨化程度高、氟铝酸钠和氟化钠的熔剂特性和嵌布有氟铝酸钠、氟化钠的碳粒上浮速度慢的特性，将其用于保护渣和增碳剂，可使其在选分工艺中不利的一面转换为优势加以利用。

(3)综合利用工艺简单易行，无二次污染。

(4)真正实现了废旧阴极的资源化利用，可以产生明显的经济和社会效益。

附图说明

图1为铝电解槽的分层结构示意图。

具体实施方式

下面进一步详细描述本发明的实施方式。

本发明提供一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，所述方法包括如下步骤：

第一步，铝电解槽拆解，拆解过程中进行分层清理与堆存。如图1所示，所述的铝电解槽具有三层结构，有上到下依次为电解质层、过渡层和阴极残块。

(1.1)首先尽可能将铝电解槽槽底的电解质层先行清理干净，可根据电解质的颜色作为刨槽的判定依据；

(1.2)清理电解质层和阴极残块的过渡层；一般在所述过渡层中，电解质的质量百分含量占80％以上，过渡层厚度50mm～70mm，具体深度需要根据铝电解槽的使用年限灵活处置。

(1.3)最后起出中下层的阴极残块。

上述拆解过程中的耐火砖、氮化硅砖等由人工分拣。

第二步，对拆解下来的电解质层中电解质作为电解质回收料回收使用；对电解质层和阴极残块的过渡层材料运送至选分车间；对阴极残块，运送至处理车间。运输采用机动车。

第三步，对处理车间的阴极残块进行破碎处理，破碎设备之间连接采用皮带机和料斗连接。在粗碎到中碎(或中碎到细碎，或直接到细碎)的传送过程中，设置人工分拣点，重点分拣铝片、电解质块和电解槽玻化层块。粗碎后的物料采用小型装载机摊平，采用平铺直取等方式进行混匀；为了保证废旧阴极残块材料物化性能的稳定，除采用混匀方式外，对料场存料总量应有限定，一般不低于300吨，以保证废旧阴极残块材料的成分基本稳定。具体可根据企业回收废旧阴极材料情况确定。

所述的破碎处理包括粗碎+中碎，或再加一级细碎，粗碎采用颚破，中碎与细碎采用锤式破碎机。破碎之后的粒度范围为：粗碎粒度50mm以下，中碎30mm以下，细碎10mm以下。具体的破碎过程如下：

(3.1)粗碎：将阴极残块进行粗碎，向破碎机装料采用小型装载机，粗碎后筛选50mm以下粒径的颗粒进行中碎，其余部分重新装载破碎。

(3.2)中碎：向破碎机装料采用小型装载机，中碎后筛选30mm以下粒径的颗粒进行细碎，其余部分重新装载继续进行中碎；

(3.3)细碎：向破碎机装料采用小型装载机，每次细碎后筛选10mm以下粒径的颗粒收集，其余部分重新装载继续进行细碎；

第四步，对于中碎或细碎后的颗粒进行筛选。

3～10mm粒度整理分别采用3mm和10mm孔径的筛网，10mm筛上(+10mm)闭路返回中碎或细碎；粒径小于3mm的颗粒部分继续磨碎到0.074mm(-200目)以下，磨碎可采用雷蒙磨机或其它磨碎设备；不同粒度产品用皮带机或提升机运送至料仓储存。不同粒度产品产量可根据市场情况进行灵活调整；

第五步，3～10mm粒度的破碎颗粒可作为炼钢增碳剂使用；粒度0.074mm以下(-200目)阴极碳粉可以作为含碳保护渣添加剂，用于控制保护渣的熔速。

本发明适用于各类铝电解槽拆解废旧阴极的综合利用，包括石墨化阴极、半石墨化阴极及炭素阴极砌筑的电解槽拆解料。

以下是本发明给出的实施例，这些实施例是一些较优的例子，本发明不限于这些实施例。

实施例1：年生产能力20万吨的电解铝生产厂的应用

(1)基本情况：

年生产能力20万吨的电解铝厂，采用300kA大型预焙槽电解技术和预焙阳极焙烧技术。年废旧阴极产生量8000吨。参考阴极成分如下：碳含量33～65％(其中，阴极残块碳的石墨化程度高达70～88％)；电解质成分含量为65～32％。

(2)应用方式

在电解槽拆解过程中，首先将电解槽槽底的电解质层先行清理干净，可以见到碳质阴极材料后以下50mm左右，对电解质和阴极材料的过渡层运送至选分车间，起出阴极残块运送至处理车间。拆槽过程耐火砖、氮化硅砖等人工分拣出。

对槽中起出的残留电解质作为开炉电解质配料返回使用。对阴极残块进行破碎(粗碎+中碎，或再加一级细碎)。在粗碎到中碎(或直接到细碎)皮带，设置人工分拣点，分拣铝片、电解质块和电解槽玻化层块，破碎后的物料采用装载机摊平，采用平铺直取方式进行混匀。为了保证废旧阴极材料物化性能的稳定，对存料总量控制在不低于200吨。

磨碎采用雷蒙磨机，磨碎到0.074mm以下，得到阴极碳粉，作为含碳保护渣添加剂，用于控制保护渣的熔速。

(3)应用结果

采用本技术后，可得到碳含量68％以上阴极碳粉，作为产品出售。拆解废旧阴极利用率达到85％以上，其余的送往处理企业进行无害化处理。

实施例2：年产60万吨电解铝企业的应用

(1)基本情况

年生产能力60万吨的电解铝厂，采用300kA大型预焙槽电解技术和预焙阳极焙烧技术。年废旧阴极产生量20000-24000吨。参考阴极成分如下：碳含量42～69％，阴极残块石墨化程度高达70～88％；电解质成分含量为58～31％。

(2)应用方式

在电解槽拆解过程中，首先将废槽底的电解质层先行清理干净，可以见到碳质阴极材料后以下50mm左右，对电解质和阴极材料的过渡层运送至选分车间，起出阴极残块运送至处理车间。拆槽过程耐火砖、氮化硅砖等人工分拣。

对槽中起出的电解质作为开炉电解质配料返回使用。对阴极残块进行破碎(粗碎+中碎，或再加一级细碎)。在粗碎到中碎(或直接到细碎)皮带连接传输，设置人工分拣点，分拣铝片、电解质块和电解槽玻化层块，中碎或细碎破碎后的物料采用装载机摊平，采用平铺直取方式进行混匀。为了保证废旧阴极材料物化性能的稳定，对存料总量控制在不低于300吨。

阴极残块材料细碎采用锤式破碎机闭路破碎，经筛分得到3～6mm产品，可作为增碳剂使用；3mm以下粒径的颗粒送雷蒙磨机，磨碎到0.074mm以下(-200目)，可以作为含碳保护渣添加剂或隔热保温材料添加剂。

(3)应用结果

采用本技术后，可得到碳含量66％以上高石墨化阴极炭块和碳粉，作为产品出售。拆解废旧阴极利用率达到80％以上，其余的经过低温燃烧除碳后作为开炉料返回利用。

实施例3：在年产100万吨的电解铝的产业园区的应用

(1)基本情况

铝产业园区，年电解铝生产能力100万吨。采用200～350kA大型预焙槽电解技术和预焙阳极焙烧技术。年废旧阴极产生量38000～46000吨。参考阴极残块成分如下：碳含量38～67％，石墨化程度高达70～88％；电解质组分含量为62～33％。

(2)应用方式

在电解槽拆解过程中，首先将废槽底的电解质层先行清理干净，可以见到碳质阴极材料后以下50mm左右，对电解质和阴极材料的过渡层运送至选分车间，起出阴极残块运送至处理车间。拆槽过程耐火砖、氮化硅砖等人工分拣。

对槽中起出的残留电解质作为开炉电解质配料返回使用。对

阴极残块进行破碎(粗碎+中碎，或再加一级细碎)。在粗碎到中碎(或直接到细碎)皮带，设置人工分拣点，分拣铝片、电解质块和电解槽玻化层块，破碎后的物料采用装载机摊平，采用平铺直取方式进行混匀。为了保证废旧阴极材料物化性能的稳定，对存料总量控制在不低于300吨。

阴极材料细碎采用锤式破碎机闭路破碎，经筛分得到3-6mm产品，可作为增碳剂使用；3mm筛下送雷蒙磨机，磨碎到0.074mm以下(-200目)阴极碳粉可以作为含碳保护渣添加剂或隔热保温材料添加剂。

(3)应用结果

采用本技术后，可得到碳含量68％以上高石墨化阴极炭块和碳粉，作为产品出售。拆解废旧阴极利用率达到80％以上，其余的送往选分处理企业进行选分利用。

Claims (6)

1.一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，其特征在于：

(1)在铝电解槽拆解过程，进行分层清理与堆存；

所述的铝电解槽包括电解质层、过渡层和阴极残块，在拆解过程中，首先尽可能将电解质层先行清理干净，再清理电解质层和阴极残块的过渡层，最后起出阴极残块；

(2)对电解质层材料作为电解质回收料返回使用；对电解质层和阴极残块的过渡层材料，运送至选分车间；对阴极残块，运送至处理车间；

(3)对处理车间的阴极残块进行破碎，采用平铺直取方式进行混匀；

所述的破碎包括粗碎和中碎；

(4)对破碎之后的颗粒进行筛选，10mm以上粒径的颗粒继续进行破碎，3mm以下的颗粒进一步磨碎到粒径0.074mm以下，得到阴极碳粉；

(5)3～10mm粒度的颗粒作为炼钢增碳剂使用；0.074mm以下的阴极碳粉作为保护渣添加剂，用于控制保护渣的熔速。

2.根据权利要求1所述的一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，其特征在于：所述的破碎还包括中碎之后再加一级细碎。

3.根据权利要求1或2所述的一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，其特征在于：粗碎采用颚破，中碎与细碎采用锤式破碎机。

4.根据权利要求1或2所述的一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，其特征在于：粗碎粒度50mm以下，中碎30mm以下，细碎10mm以下。

5.根据权利要求1或2所述的一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，其特征在于：所述过渡层厚度50mm～70mm，过渡层中电解质的质量百分含量占80％以上。

6.根据权利要求1或2所述的一种铝电解废旧阴极材料的综合利用方法，其特征在于：在粗碎到中碎的传送过程中，设置人工分拣点，分拣铝片、电解质块和电解槽玻化层块；粗碎后的物料采用小型装载机摊平，采用平铺直取方式进行混匀；料场存料总量不低于300吨。