CN105239097A - 一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，属于铝电解技术领域。所述方法包括热态炭渣水淬、水淬炭渣分级分拣、离心脱水机脱水、炭渣湿磨和进浮选机选分的步骤，最后得到富碳产品和富含电解质产品，可以分别进行生产碳素制品和进一步提纯后返回铝电解工艺中使用。本发明可以简化粗碎、细碎环节，不仅流程简化，而且大大降低破碎和磨矿环节的粉尘污染，能量利用更加合理。本发明可和已有的湿磨、浮选、含氟水处理技术有效结合。

Description

一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法

技术领域

本发明涉及铝电解技术领域，具体地说是铝电解过程中阳炭渣综合利用和无害化处理方法。

技术背景

铝电解过程中，因阳极炭块受电解质的冲刷而出现掉渣现象，对阴极也是如此。虽然通过改进阳极生产工艺及电解工艺可以减轻炭块掉渣，但无法杜绝该现象的发生，因此电解质中的碳渣是炭阳极在反应过程中一种必然产物。炭渣影响铝电解的正常运行，需要不定期从电解槽中打捞出来。由于受电解质的浸泡和渗透，炭渣中含有大量的电解质，研究表明：每生产一吨铝，将产生10kg左右的炭渣。捞出的炭渣中电解质约占58～80％，炭粒占42～20％。根据某企业的炭渣成分分析，炭渣中电解质的含量为58％左右，炭渣中含钠13.81％，含铝8.42％，含氟29.61％。其中以氟化钠形式存在的氟为可溶氟，其值远高于危险固体废弃物的鉴定标准，因此炭渣应归为危险固废。我国2014年电解铝产量已达2810万吨，炭渣的产出量按照10kg/吨铝计算，将达28万吨/年，其中的电解质按照60％计将达16.8万吨/年。上述百分含量均为质量百分比。

可以看出，炭渣即属于危险固体废弃物，同时也是一笔非常可观的资源，对其中的电解质和碳进行综合利用是一种最为积极的方向。

随着冶金工业可持续发展要求的不断提高，铝电解炭渣的回收利用越来越受到研究机构和企业的重视，都在积极寻求综合利用的合理途径。

目前国内大多数电解铝厂所产生的炭渣，主要有如下利用途径：

(1)作为燃料使用。仅仅利用了其中的碳，所含的电解质进入灰渣。燃烧中氟化物的飘散会对环境造成很大的影响。

(2)作为废弃物堆存。按照危险固废进行安全填埋，不仅占用土地，而且无法消除其危害性，存在氟化物泄漏等安全隐患。

(3)厂内返回利用。部分企业将阳极炭渣作为阳极焙烧及电解槽阳极块覆盖料，但用量较少，无法消纳所有的阳极炭渣。申请号为201310355679.1的专利申请文件公开了一种电解槽炭渣的处理方法，该处理方法是在进行电解槽换极收边时，将待处理的炭渣铺设于封极细碎料中。该发明的电解槽炭渣的处理方法，是在电解槽换极收边时，随着常规的封极程序，将待处理的炭渣铺设于封极细碎料中，炭渣自燃产生气体排放，炭渣内的电解质凝结并进入电解槽，最大限度回收炭渣中的电解质；不影响电解槽的正常运行，减少了炭渣堆放、运输和处理的工序，提高了生产效率，并且消除了这些工序对环境的污染。

(4)选分与综合利用。

申请号为201410759703.2的专利申请文件公开了一种电解铝炭渣的选矿处理方法，包括从电解铝的电解槽中捞出炭渣，并破碎、粉磨至20～60目的步骤；向粉磨过的炭渣颗粒中加水、捕收剂、起泡剂制得矿浆料的步骤；将矿浆料依次置于粗选浮选机和两台扫选浮选机中浮选的步骤。其中，粗选浮选机刮得的泡沫产品为碳粉末，第二台扫选浮选机扫选刮除泡沫产品后的物料经过滤、烘干及煅烧后即为冰晶石产品。本发明的一种电解铝炭渣的选矿处理方法，实现电解铝炭渣中碳及冰晶石的富集和高效回收。

申请号为201410034660.1的专利申请文件公开了一种回收利用电解铝炭渣生产电铝用解质并回收碳的方法，将电解铝炭渣经过前处理(破碎、除铁等)、浮选分离、干燥，得到碳粉和富含电解质物料，经熔分得到电解质。

申请号为01138204.X的专利申请文件中公开了一种铝电解阳极炭渣和废旧阴极材料的无害化处理及综合利用的方法，具体技术方案是将阳极炭渣粉碎，磨粉后进行浮选分离，所得的炭粉作为粉料用于生产高碳素制品，所得电解质返回铝电解工艺中使用。但是该方法电解质回收率低，电解质纯度低，杂质含量高，工艺流程复杂，成本较高。

康宁等采用浮选法对碳含量19.68％，电解质含量80.32％的炭渣进行处理，所得炭精矿含氟9.38％，所得电解质精矿含碳4.65％。

围绕提高电解质纯度，申请号为200710054516.4的专利申请文件公开了一种制备冰晶石的方法，申请号为201210512011.9的专利申请文件公开了一种电解铝废阳极料渣高温煅烧方法，适用于高电解质相，均为对浮选精矿进行煅烧的技术。

(5)燃烧法处理回收电解质。申请号为200710099832.3的专利是申请文件公开了一种提取铝电解阳极炭渣中电解质的方法，通过优化助燃剂、分散剂用量，优化焙烧温度和回转窑转速，获得最佳焙烧条件，并在此条件下进行了验证试验，焙烧所得电解质杂质含量低于0.5％，可以直接返回铝电解槽使用。

申请号为200410069389.1的专利申请文件公开了一种回收铝电解阳极炭渣中氟化盐的方法，其工艺为阳极炭渣中配入氧化铝作为分散剂，作为分散剂的氧化铝配入量占总物料量的重量比为10％～60％，使用燃料灰分＜1％的液体或气体燃料，在650℃～930℃温度下进行焙烧至炭渣中的炭质材料完全燃烧，尾气用氧化铝吸附，将氟化盐保留回收。处理后产品中约含15％～70％的氧化铝和30％～85％的氟化盐，杂质含量极少，可直接、全部返回电解槽使用，对电解质和铝液质量无不利影响。

申请号为201310246063.0的专利申请文件中提出了铝冶炼氟-碳危险固体废弃物综合处理利用方法，申请号为201320140977.4的专利申请文件中提出了铝电解炭渣的加热法电解质回收系统，采用焚烧的方法对氟-碳高危固体废弃物进行综合处理，回收废料中所含的电解质，并充分利用碳燃烧所产生的热量，消耗燃料少，也解决了电解铝生产过程中阳极预热热源的来源问题，实现了物料和热能的循环利用。采用该方法处理过程中氟容易挥发，造成二次污染。

(6)将阳极炭渣和废旧阴极炭块合并处理。由于废旧阴极同样含有电解质和碳，与炭渣的组成接近，所以有的企业提出将废旧阴极和阳极炭渣合并处理。目前该方面的研究主要采用浮选流程。

可以看出，实际上的阳极炭渣有前景的利用技术可分为两类：浮选和焚烧。前者在浮选过程破碎、磨矿成本较高，且会产生高氟废水，处理成本较高；后者会产生含氟气体，处理难度较大。

发明内容

本发明针对目前铝电解行业电解质回收技术存在的不足，结合炭渣特性，并充分考虑工业上实施的可行性，提出了水淬+湿磨+浮选的处理工艺。

阳极炭渣是在铝电解过程中由于阳极炭块表面炭粒剥落掉入电解槽的熔体中，影响电解过程的正常进行，需要定期捞出。捞出时会夹带部分电解质，即为炭渣，可以看出，炭渣主要有炭粒和电解质组成。

本发明提供一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，所述方法通过如下步骤实现：

(1)热态炭渣水淬：从铝电解槽中捞出的热态阳极炭渣直接放入车载水淬箱中，热态阳极炭渣急冷发生破碎，由于炭渣中的电解质和炭粒急冷时收缩率不同，炭粒和炭粒表面附着的电解质会分离、剥落，实现“单体分离”，为进一步选分奠定了基础；

所述水淬箱内冷却介质为中水，水温25℃～60℃。

在水淬过程中部分可溶盐(氟化钠)溶解，可避免对后续的选矿造成影响。

(2)水淬炭渣分级分拣：

对水淬后的物质进行分级，筛选符合球磨机入口粒度要求的碳渣块，而粒度过大的炭渣块经分级后返回破碎。分级可采用格栅筛，筛上返回破碎(锤式或颚式破碎机)，筛下送球磨工序。

按照球磨机的入口粒度要求，粒度上限选10～15mm。分级同时进行铝片的拣选(人工拣选即可)。

(3)对于粒度15mm以下的炭渣采用离心脱水机脱水。

(4)脱水后的炭渣湿磨：脱水后的炭渣可以直接进入球磨机进行湿法磨矿；

(5)进浮选机选分：湿法磨矿后的炭渣进入浮选作业，矿浆浓度调至10～30％(质量百分比含量)，矿浆pH值不用再调节，采用的调整剂为硅酸钠，捕收剂为煤油，起泡剂为2号油，采用浮选设备进行浮选分离，分别得到富碳产品和富含电解质产品。

调整剂硅酸钠用量为每吨炭渣加入500～2500克，捕收剂煤油用量为每吨炭渣加入300～1000克，起泡剂2号油用量为每吨炭渣加入200～500克。选分得到富含电解质物料和富含炭粒的物料。

对于所得的富含炭粒的物料可用于生产碳素制品；所得富含电解质物料经进一步提纯后(可采用燃烧法等)返回铝电解工艺中使用。

本发明提供的处理方法的优点和有益效果在于：

1、利用炭渣中电解质和炭粒急冷条件下收缩率不同的特点，利用水淬实现炭渣中炭粒和电解质的有效剥离，实现“单体分离”，为进一步有效分选奠定基础。同时可以简化粗碎、细碎环节，直接进入湿磨。不仅流程简化，而且大大降低破碎和磨矿环节的粉尘污染。

2、充分利用刚捞出高温炭渣的余热，实现水淬，能量利用更加合理。

3、提出了车载水淬箱和喷淋洗涤箱的工业化应用方案，可以就近就便进行热态炭渣的水淬处理。

4、水淬过程水温升高，可实现炭渣中可溶氟的有效溶出(炭渣中氟的溶出率随温度的升高明显升高)。经水淬处理的炭渣，在后续的湿磨和浮选中因溶出物大幅度减少，产生的废水可以循环利用。浮选过程无需调节pH值，可直接进行浮选。

5、本发明可和已有的湿磨、浮选、含氟水处理技术有效结合。

附图说明

图1为本发明中铝电解炭渣无害化处理和分质利用工艺流程图；

图2为车载水淬箱结构示意图。

图中：

1.抽风换气扇；2.双层喷淋头；3.喷淋集水箱；4.循环喷淋水泵；

5.水淬箱；6.含氟水汽；7.翻盖式加料口；8.封条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，结合图1，具体包括如下步骤：

第一步，热态炭渣水淬：从铝电解槽中捞出的热态阳极炭渣直接放入车载水淬箱中，热态阳极炭渣急冷发生破碎，由于炭渣中的电解质和炭粒急冷时收缩率不同，炭粒和炭粒表面附着的电解质会分离、剥落，实现“单体分离”，为进一步选分奠定了基础；水淬过程中，部分可溶盐如氟化钠溶解，产生含氟蒸汽挥发，所述的含氟蒸汽经过循环喷淋洗涤进行回收去除，避免对后续的选矿造成影响。

碳渣镜水淬处理后破碎，如果粒度符合球磨机的入口要求，可不用经过粉碎处理。

所述水淬箱内冷却介质为中水，水温25℃～60℃。对于铝电解槽中捞出的热态阳极炭渣如果没有直接进行水淬而是进行了堆存，可以先对堆存的碳渣进行加热(优选电加热)后再水淬。

所述的车载水淬箱可以安装在人力或机动台车上；车载水淬箱可以拉出卸料；水淬箱和喷淋集水箱之间用封条封闭；如图2所示，所述的车载水淬箱包括水淬箱5、循环喷淋水泵4、喷淋集水箱3、翻盖式加料口7、抽风换气扇1、双层喷淋头2和封条8，所述的翻盖式加料口7位于所述水淬箱5的上方，热态炭渣由翻盖式加料口7加入后，翻盖自动(或手动)闭合；水淬后产生的蒸汽在抽风换气扇1的作用下排出，所述蒸汽中的含氟蒸汽6在水淬箱5上方通过喷淋集水箱3上方，在所述双层喷淋头2喷淋的液态水的作用下含氟蒸汽6被洗涤脱除氟。所述喷淋集水箱3内的水可以在循环喷淋水泵4的作用下通过双层喷淋头2喷淋而下，溶解含氟蒸汽6后返回喷淋集水箱3，形成循环。

第二步，水淬炭渣分级分拣：对水淬后的炭渣进行分级筛选，对于粒度大于等于15mm的炭渣块进行破碎后再次筛选。筛选得到的粒度小于15mm的炭渣(也叫筛下物)收集到储矿槽中。

对于上述粒度大于等于15mm的炭渣中含有的铝片进行直接拣选分离。

第三步，脱水。

对于储矿槽中的碎炭渣采用离心脱水机进行脱水，得到脱水碎炭渣。脱水过程中产生的含氟水进行脱氟处理(利用石灰或氯化钙)或蒸发沉氟盐处理。

第四步，脱水碎炭渣的湿磨：将所述的脱水碎炭渣放入球磨机进行湿法磨矿。

脱水碎炭渣采用球磨机进行湿法磨矿，湿法磨矿后得到产物中粒度小于0.074mm的部分占60％～85％(根据企业炭渣的性质确定)即可。对于粒度不符合要求的部分可以反复进行球磨。

第五步，浮选机选分：湿法磨矿后的符合粒度要求的碎炭渣进入浮选机进行浮选作业，矿浆浓度调至10～30％(质量百分比含量)，矿浆pH值不用再调节，采用的调整剂为硅酸钠，捕收剂为煤油，起泡剂为2号油，采用浮选设备进行浮选分离，分别得到富碳产品和富含电解质产品。调整剂硅酸钠用量为每吨炭渣加入800～2000克，捕收剂煤油用量为每吨炭渣加入300～1000克，起泡剂2号油用量为每吨炭渣加入200～500克。浮选分离后得到富含电解质物料和富含炭粒的物料。

所得的富含炭粒的物料用于生产碳素制品；所得富含电解质物料经进一步提纯后返回铝电解工艺中使用。

实施例1年产20万吨铝的电解铝生产企业的炭渣处理。

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。年产出炭渣2200吨，另有8000多吨的堆存。参考炭渣组成如下：碳含量25～52％；电解质成分含量为75～48％。

结合图1，炭渣处理实施方案：

(1)采用人力车载水淬箱，水淬箱容积0.6立方米，中水量为0.4吨，捞出的热态炭渣直接放入水淬箱中。炭渣受到急冷而碎裂。水淬后的炭渣收集130～160kg时，运送到炭渣处理车间的炭渣收集槽上的固定格筛。

(2)利用10mm固定格筛进行筛分，并对其中的铝片进行拣选。粒度大于10mm的炭渣块送锤式破碎机进行破碎后返回再过筛；粒度小于10mm的炭渣颗粒由炭渣收集槽的槽底放料口放出，经离心脱水机脱水后送往球磨机进行湿磨。炭渣收集槽中的氟离子浓度达到6000～8000ppm时，进行换水作业。高氟水用石灰和氯化钙除氟后返回利用。

(3)磨矿采用闭路循环，粒度达0.074mm的部分占70％时送浮选进行分选作业。

(4)磨矿后的炭渣进入浮选作业，矿浆浓度调至25～30％，矿浆pH值不用再调节，采用的调整剂为硅酸钠，捕收剂为煤油，起泡剂为2号油，采用浮选设备进行浮选分离，分别得到富碳产品和富含电解质产品。调整剂硅酸钠用量为每吨炭渣加入1200～1500克，捕收剂煤油用量为每吨炭渣加入300～350克，起泡剂2号油用量为每吨炭渣加入310～350克。

(5)分选得到的产品：富含电解质产品碳含量4.2-6.5％；富碳产品碳含量78-83％；

实施例2年产60万吨电解铝企业的应用

年生产能力60万吨的电解铝厂，采用350kA大型预焙槽电解技术和预焙阳极焙烧技术。年产出炭渣6400吨/年。

参考炭渣组成如下：碳含量35～50％；电解质成分含量为65～50％。

炭渣处理实施方案：

(1)采用机动车载水淬箱及喷淋洗涤装置，水淬箱容积0.6立方米，其中水量为0.4吨，捞出的热态炭渣直接放入水淬箱中。炭渣受到急冷而碎裂。每车收集约130～150kg炭渣时，运送到炭渣处理车间的炭渣收集槽上的固定格筛。

(2)利用10mm固定格筛进行筛分，并在筛上对其中的铝片进行拣选。粒度大于10mm的炭渣块送锤式破碎机进行破碎后返回再过筛；粒度小于10mm的炭渣颗粒由槽底放料口放出，经离心脱水机脱水后送往球磨机进行湿磨。炭渣收集槽中的氟离子浓度达到5000～8000ppm时，进行换水作业。高氟水进行除氟作业。

(3)磨矿采用闭路循环，粒度达0.074mm的部分占75％时送浮选进行分选作业。

(4)磨矿后的炭渣进入浮选作业，矿浆浓度调至26～30％，矿浆pH值不用再调节，采用的调整剂为硅酸钠，捕收剂为煤油，起泡剂为2号油，采用浮选设备进行浮选分离，分别得到富碳产品和富含电解质产品。调整剂硅酸钠用量为每吨炭渣加入1000～1200克，捕收剂煤油用量为每吨炭渣加入300～350克，起泡剂2号油用量为每吨炭渣加入300～320克。

(5)分选得到的产品：富含电解质产品碳含量4.3～6.8％；富碳产品碳含量78～85％；

实施例3年产120万吨的电解铝的产业园区的应用

年生产能力120万吨的电解铝厂，采用350kA大型预焙槽电解技术和预焙阳极焙烧技术。年产出炭渣13000多吨/年。

参考炭渣组成如下：碳含量34～53％；电解质成分含量为66～47％。

炭渣处理实施方案：

(1)采用机动车载水淬箱及喷淋洗涤装置，水淬箱容积0.6立方米，其中水量为0.4吨，捞出的热态炭渣直接放入水淬箱中。炭渣受到急冷而碎裂。每车收集约130～150kg炭渣时，运送到炭渣处理车间的炭渣收集槽上的固定格筛。

(2)利用10mm固定格筛进行筛分，并对其中的铝片进行拣选。粒度大于10mm的炭渣块送锤式破碎机进行破碎后返回在过筛；粒度小于10mm的炭渣颗粒由槽底放料口放出，经离心脱水机脱水后送往球磨机进行湿磨。炭渣收集槽中的氟离子浓度达到6000～8000ppm时，进行换水作业。高氟水进行除氟作业。

(3)磨矿采用闭路循环，粒度达0.074mm的部分占75％时送浮选进行分选作业。

(4)磨矿后的炭渣进入浮选作业，矿浆浓度调至26～30％，矿浆pH值不用再调节，采用的调整剂为硅酸钠，捕收剂为煤油，起泡剂为2号油，采用浮选设备进行浮选分离，分别得到富碳产品和富含电解质产品。调整剂硅酸钠用量为每吨炭渣加入1000～1200克，捕收剂煤油用量为每吨炭渣加入300～350克，起泡剂2号油用量为每吨炭渣加入300～320克。

(5)分选得到的产品：富含电解质产品碳含量4.5～7.2％；富碳产品碳含量79～86％；

采用本技术后，可实现电解槽拆解废物的无害化处理。

本文中涉及到的百分数如果没有特别说明，均为质量百分数。

Claims (9)

1.一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，其特征在于：包括如下步骤，

第一步，热态炭渣水淬：热态阳极炭渣直接放入车载水淬箱中，热态阳极炭渣急冷发生破碎，炭粒和炭粒表面附着的电解质会分离、剥落，实现“单体分离”；

第二步，水淬炭渣分级分拣：

对水淬后的物质进行分级，筛选符合球磨机入口粒度要求的碳渣块，而粒度大于球磨机入口粒度的炭渣块重新破碎筛选；

第三步，对于粒度15mm以下的炭渣采用离心脱水机脱水处理；

第四步，脱水后的炭渣湿磨：脱水后的炭渣直接进入球磨机进行湿法磨矿；

第五步，进浮选机选分：湿法磨矿后的炭渣进入浮选作业，矿浆浓度调至质量百分比含量10～30％，矿浆pH值不用再调节，采用的调整剂为硅酸钠，捕收剂为煤油，起泡剂为2号油，采用浮选设备进行浮选分离，分别得到富碳产品和富含电解质产品。

2.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，其特征在于：所述的热态碳渣为直接从铝电解槽中捞出，或者堆存的碳渣进行电加热产生。

3.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，其特征在于：所述的水淬箱内冷却介质为中水，水温25℃～60℃。

4.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，其特征在于：所述分级采用格栅筛选，粒度大于15mm的物料破碎，其余物料进入球磨机；分级同时进行铝片的拣选。

5.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，其特征在于：所述调整剂硅酸钠用量为每吨炭渣加入500～2500克，捕收剂煤油用量为每吨炭渣加入300～1000克，起泡剂2号油用量为每吨炭渣加入200～500克。

6.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，其特征在于：水淬过程中，可溶盐溶解产生的含氟蒸汽经过循环喷淋洗涤进行回收去除。

7.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，其特征在于：湿法磨矿后得到产物中粒度小于0.074mm的部分占总重的60％～85％。

8.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理方法，其特征在于：所述的车载水淬箱安装在人力或机动台车上；所述的车载水淬箱包括水淬箱、循环喷淋水泵、喷淋集水箱、翻盖式加料口、抽风换气扇、双层喷淋头和封条，水淬箱和喷淋集水箱之间用封条封闭；所述的翻盖式加料口位于所述水淬箱的上方，热态炭渣由翻盖式加料口加入后，翻盖自动或手动闭合；水淬后产生的蒸汽在抽风换气扇的作用下排出，所述蒸汽中的含氟蒸汽在水淬箱上方通过喷淋集水箱上方，在所述双层喷淋头喷淋的液态水的作用下含氟蒸汽被洗涤脱除氟；所述喷淋集水箱内的水在循环喷淋水泵的作用下通过双层喷淋头喷淋而下，溶解含氟蒸汽后返回喷淋集水箱，形成循环。

9.一种铝电解阳极炭渣的水淬和分选处理的车载水淬箱，其特征在于：所述的车载水淬箱安装在人力或机动台车上；所述的车载水淬箱包括水淬箱、循环喷淋水泵、喷淋集水箱、翻盖式加料口、抽风换气扇、双层喷淋头和封条，水淬箱和喷淋集水箱之间用封条封闭；所述的翻盖式加料口位于所述水淬箱的上方，热态炭渣由翻盖式加料口加入后，翻盖自动或手动闭合；水淬后产生的蒸汽在抽风换气扇的作用下排出，所述蒸汽中的含氟蒸汽在水淬箱上方通过喷淋集水箱上方，在所述双层喷淋头喷淋的液态水的作用下含氟蒸汽被洗涤脱除氟；所述喷淋集水箱内的水在循环喷淋水泵的作用下通过双层喷淋头喷淋而下，溶解含氟蒸汽后返回喷淋集水箱，形成循环。