CN107034486B - 一种铝电解用充气多孔预焙阳极及使用其的电解方法 - Google Patents
一种铝电解用充气多孔预焙阳极及使用其的电解方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种充气多孔预焙阳极及使用其的电解方法。本发明的预焙阳极使用的弹丸焦的粒度含量如下：8‑5mm含量为10‑30％，5‑2mm含量为30‑50％，2‑0mm含量为15‑35％，粉子含量为5‑25％。本发明在成型生产充气多孔预焙阳极生坯时制备出充气孔，在电解槽换极后，将还原性气体通入多孔预焙阳极内，在电解过程中甲烷气体可以部分替代预焙阳极中的炭，参与电解阳极过程，减少炭的消耗，起到降低二氧化碳排放，消除铝电解强温室气体全氟化碳PFC的排放和阳极效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种预焙阳极，具体涉及一种铝电解用充气多孔预焙阳极及使用其的电解方法。
背景技术
自1886年起，霍尔-埃鲁特法生产铝是国内外铝工业普遍使用的工艺过程。铝电解时，以炭素材料为阳极，如预焙阳极，电解槽底部砌筑的炭块为阴极，熔融冰晶石为电解质。电流通过预焙阳极进入溶解Al2O3的熔融冰晶石中进行反应，最后进入阴极。Al2O3电解发生在熔融的电解质层内(电解质层在阳极和溶化的金属之间)。Al2O3中的铝离子被还原成了金属铝，这些金属铝集中在电解槽底部的阴极上，氧离子与炭阳极中的炭反应生成二氧化碳气体。总反应式如式1所示。
Al2O3+3/2C＝2Al+3/2CO2 (1)
生产中使用的预焙阳极是以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂制造而成，用作预焙铝电解槽作阳极材料。这种阳极材料的炭块已经过焙烧，具有稳定的几何形状，所以也称预焙阳极炭块，习惯上又称为铝电解用炭阳极。用预焙阳极炭块作阳极的铝电解槽称预焙阳极电解槽，简称预焙槽，这是一种现代化的大型铝电解槽。阳极炭块的生产是以石油焦为原料，以煤沥青为粘结剂，经过石油焦煅烧、中碎、筛分、细碎、沥青的熔化、配料、混捏、成型、焙烧等工序加工制作而成。
铝电解过程中生产每吨铝会消耗近0.5吨的炭，这会产生近2吨的二氧化碳，并且电解过程中熔融冰晶石及氟化盐等添加剂也会产生大量氟化气体排放出来，对环境造成很大影响。因此，铝电解过程产生的二氧化碳、氟化物体排放带来相关的环境问题是铝工业的主要问题之一。通过改变预焙阳极的结构或组成是解决上述问题的方向之一。
发明内容
为此，本发明的目的之一在于提供了一种充气多孔预焙阳极。本发明的充气多孔预焙阳极用于铝电解时碳耗低，可消除PFC排放和阳极效应。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种充气多孔预焙阳极，使用的弹丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量为10-30％，5-2mm含量为30-50％，2-0mm含量为15-35％，粉子含量为5-25％。
作为优选，本发明所述的充气多孔预焙阳极，使用的弹丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量为15-25％，5-2mm含量为35-45％，2-0mm含量为20-30％，粉子含量为10-20％。
在优选实施方案中，本发明所述的充气多孔预焙阳极，使用的弹丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量为20±2％，5-2mm含量为40±2％，2-0mm含量为25±2％，粉子含量为15±2％。
上述的8-5mm、5-2mm、2-0mm粒度是通过8mm、5mm、2mm尺寸的筛分工具筛分得到的不同粒度范围，均不包括下限值，例如8-5mm是指小于等于8mm大于5mm的颗粒。粉子则是将原料弹丸焦经研磨得到的粉体。
作为优选，所述粉子中粒径0.075mm以下的含量为50％以上，优选为70％。
优选地，所述粉子中粒径0.075-0.3mm的含量为50％以下，优选为30％。
在优选实施方案中，本发明所述的充气多孔预焙阳极，所述粉子中粒径0.075mm以下的含量为70％，所述粉子中粒径0.075-0.3mm的含量为30％。
作为优选，本发明所述的充气多孔预焙阳极中沥青用量为阳极生坯总质量的16-18％，沥青用量过低不易成型，过高糊料太稀，难以成型。
作为优选，本发明所述的充气多孔预焙阳极的中心单排设置2-4个炭碗，两个相邻炭碗之间及最外两侧炭碗等距位置设置有孔洞，炭碗为2个时的设置方式如图1所示。
作为优选，所述孔洞的直径为40-60mm，优选为50mm，高度为100-400mm，优选为200-300mm。上述结构配合预焙阳极的特定组成配方非常有利于将还原性气体通过孔洞通入充气多孔预焙阳极内，参与反应。
在优选实施方案中，本发明所述的充气多孔预焙阳极中心两个炭碗之间及各自两侧等距位置，分别设置有直径为50mm，高度为200-300mm的孔洞。
作为优选，本发明所述的充气多孔预焙阳极的制备过程如下：将经过1300-1400℃热处理后的弹丸焦，经破碎、筛分、配料筛分成阳极配料所需粒度，与沥青混合制备所述预焙阳极，孔洞在生坯成型时加工而成，将焙烧后的阳极经过钻孔加工而成，例如在生坯成型时通过成型机模具上盖板中心安装的圆柱体加工而成。与沥青混合可包括加入沥青前进行干混和加入沥青后的湿混。
作为优选，本发明所述的充气多孔预焙阳极的空渗率为1-10nPm，优选为3-5nPm。
作为优选，本发明所述的充气多孔预焙阳极的开口气孔率为10-30％，优选为18-20％。
在优选实施方案中，本实用新型所述的充气多孔预焙阳极空渗率为1-10nPm，开口气孔率10-30％。
在另一优选实施方案中，本实用新型所述的充气多孔预焙阳极空渗率为3-5nPm，开口气孔率18-20％。
本发明的目的之二在于提供一种使用本发明所述的充气多孔预焙阳极进行电解的方法，所述方法为在电解槽换极后，将还原性气体通过孔洞通入充气多孔预焙阳极内，在电解过程中还原性气体可以部分替代预焙阳极中的炭，参与电解阳极过程，减少炭的消耗，起到降低二氧化碳排放，消除铝电解强温室气体全氟化碳PFC的排放和阳极效应。
作为优选，通入气体的压力为0.1-0.5MPa，优选为0.2-0.3MPa，流量为10-50ml/min，优选为20-30ml/min。
作为优选，所述还原性气体为含有甲烷的气体，优选为甲烷气体。涉及到的反应如式2所示。
Al2O3+3/4CH4＝2Al+3/4CO2+3/2H2O (2)
作为优选，所述方法在阳极组装时将耐高温金属软管接入孔洞，两者接口处使用粘结剂，优选环保粘结剂混合一定比例和粒度的煅烧石油焦糊料密封，保证通气电解过程中的不漏气。同时，优选地将该糊料均匀喷涂在除阳极底面以外的平面，然后静置空气中干燥等待上槽使用。
作为优选，所述金属软管的直径为40-55mm，优选为48mm左右，深度为100-300mm，优选为150-200mm。
本发明中弹丸焦形状呈圆球形，直径0.6-30mm，一般是由高硫、高沥青质渣油生产出来的。
本发明中空渗率是空气渗透率的简称，是指在一定时间，一定压力下气体通过一定截面和厚度的数量，按照中国有色金属行业标准YS/T63.10-2012《铝用碳素材料检测方法第10部分：空气渗透率的测定》测得。
本发明中开口气孔率是开口气孔体积与制品总体积之比。
本发明具有以下优点：
1.充气多孔阳极可为阳极/电解质界面提供一种还原性气体(如甲烷)，然后，气体参与阳极反应，降低电解过程一半的CO2的排放；
2.铝电解过程中会消除PFC的排放。铝工业，尤其是电解铝产业在铝电解过程中源源不断释放CO2气体，与此同时当电解槽处于非稳定状态时还会大量释放全氟化碳(简称PFC，主要包含CF4和C2F6)，研究显示，PFC的温室效应是CO2的6500-9200倍。以甲烷替代炭参与反应可以消除PFC的排放。
3.消除阳极效应。由于显著减少了二氧化碳的排放，因而消除了电解过程中的阳极效应。
4.降低理论槽电压；使用甲烷作为还原性气体进行电解可以降低理论槽电压0.1V。
5.降低过电压；
6.延长阳极的使用寿命。使用甲烷作为还原性气体替代部分阳极中的炭参与电解过程，使阳极使用寿命延长5-10天左右。
附图说明
图1为本发明铝电解用充气多孔预焙阳极示意图；
图2为图1的充气多孔预焙阳极的左视图；
图3为阳极组装上槽使用时的充气多孔预焙阳极示意图；
图4为图3的上槽使用时的充气多孔预焙阳极的左视图；
图中：1炭碗；2孔洞；3预焙阳极；4阳极钢爪；5阳极导杆；6耐高温金属软管。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本发明的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本发明，并能够实施本发明。在不违背本发明原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
图1为本发明铝电解用充气多孔预焙阳极示意图。充气多孔预焙阳极3的中心设置两个炭碗1，两个炭碗1之间及各自两侧等距位置设置有孔洞2。孔洞的直径可以为40-60mm，优选为50mm，高度可以为100-400mm，优选为200-300mm。炭碗的尺寸可根据预期用途不同而设定。
图2为图1的充气多孔预焙阳极的左视图。
图3为阳极组装上槽使用时的充气多孔预焙阳极示意图，图4为图3的上槽使用时的充气多孔预焙阳极的左视图。如图3所示，本发明利用多孔充气预焙阳极电解时使用包括充气多孔预焙阳极3、耐高温金属软管6、甲烷气体等材料。具体实施过程如下：
首先制备充气多孔预焙阳极3。充气多孔预焙阳极3原料为经过1300-1400℃热处理4h后的弹丸焦，经过破碎、筛分、配料筛分成阳极配料所需粒度。制备充气多孔预焙阳极1-5使用的原料配方如表1所示。
表1
沥青用量为阳极生坯总质量的16-18％。
生产的阳极性能空渗范围为1-10nPm，优选为2-5nPm，开口气孔率为10-30％，优选为18-20％。
然后，在成型生产充气多孔预焙阳极生坯时制备出充气孔(即孔洞2)。充气多孔预焙阳极3中心两个炭碗1之间及各自两侧等距位置，分别设置有孔洞2。该孔洞2由生坯成型时通过成型机模具上盖板中心安装的圆柱体加工而成。用于充气多孔预焙阳极3上槽后通过这些孔洞2通入还原性气体，如甲烷气体。
焙烧后的预焙阳极进行浇注后，阳极组装时，将阳极导杆5阳极钢爪4浇注到预焙阳极炭碗1中，将耐高温金属软管6接入充气孔(即孔洞2)，直径40-55mm，优选为48mm左右，深度为100-300mm，优选为150-200mm，两者接口处使用环保粘结剂混合一定比例和粒度的煅烧石油焦糊料密封，保证通气电解过程中的漏气。同时，将该糊料均匀喷涂在除预焙阳极3底部以外的平面，然后静置空气中干燥等待上槽使用。本发明中使用的耐高温金属软管可以抵抗电解过程中500-600℃甚至更高温度。
电解槽更换阳极时，天车将多孔充气预焙阳极3吊运到电解上，将阳极导杆5安装到电解槽上，然后连接耐高温金属软管6，阳极上表面覆盖好氧化铝保护，再通入气体，甲烷气体压力为0.1-0.5MPa，优选为0.2-0.3MPa，流量为10-50ml/min，优选为20-30ml/min。将甲烷气体通入多孔预焙阳极内，在电解过程中甲烷气体可以部分替代预焙阳极中的炭，参与电解阳极过程，减少炭的消耗，起到降低二氧化碳排放，消除铝电解强温室气体全氟化碳PFC的排放和阳极效应。涉及到的反应如式2所示。
Al2O3+3/4CH4＝2Al+3/4CO2+3/2H2O (2)
本发明提供的充气多孔预焙阳极在电解使用过程中还原性气体如甲烷气体为阳极/电解质界面提供一种还原性气体，参与阳极反应，可以降低电解过程一半的CO2的排放，消除了电解过程中的阳极效应，并可以消除强温室气体全氟化碳(简称PFC)的排放，降低理论槽电压0.1V和阳极过电压，使阳极使用寿命延长5-10天左右。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (15)
1.一种充气多孔预焙阳极，其特征在于，原料使用的弹丸焦的粒度含量如下：8-5mm含量为10-30％，5-2mm含量为30-50％，2-0mm含量为15-35％，粉子含量为5-25％；
所述的充气多孔预焙阳极的空渗率为1-10nPm；
所述的充气多孔预焙阳极的开口气孔率为10-30％；
所述粉子中粒径0.075mm以下的含量为50％以上；
所述粉子中粒径0.075-0.3mm的含量为50％以下。
2.根据权利要求1所述的充气多孔预焙阳极，原料中沥青用量为阳极生坯总质量的16-18％。
3.根据权利要求1-2任一项所述的充气多孔预焙阳极，其特征在于，所述的充气多孔预焙阳极的中心单排设置2-4个炭碗，两个相邻炭碗之间及最外两侧炭碗等距位置设置有孔洞；
所述孔洞的直径为40-60mm，高度为100-400mm。
4.根据权利要求3所述的充气多孔预焙阳极，孔洞的直径为50mm，高度为200-300mm。
5.根据权利要求1-2、4任一项所述的充气多孔预焙阳极，其特征在于，所述的充气多孔预焙阳极的制备过程如下：将经过1300-1400℃热处理后的弹丸焦，经破碎、筛分、配料筛分成阳极配料所需粒度，与沥青混合制备所述预焙阳极，孔洞在生坯成型时加工而成。
6.根据权利要求3所述的充气多孔预焙阳极，其特征在于，所述的充气多孔预焙阳极的制备过程如下：将经过1300-1400℃热处理后的弹丸焦，经破碎、筛分、配料筛分成阳极配料所需粒度，与沥青混合制备所述预焙阳极，孔洞在生坯成型时加工而成。
7.根据权利要求1-2任一项所述的充气多孔预焙阳极，其特征在于，所述的充气多孔预焙阳极的空渗率为3-5nPm；
所述的充气多孔预焙阳极的开口气孔率为18-20％。
8.一种使用权利要求1-7任一项所述的充气多孔预焙阳极进行电解的方法，所述方法为在电解槽换极后，将还原性气体通过孔洞通入充气多孔预焙阳极内，在电解过程中还原性气体部分替代预焙阳极中的炭，参与电解阳极过程。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通入气体的压力为0.1-0.5MPa，流量为10-50mL/min。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通入气体的压力为0.2-0.3MPa，流量为20-30mL/min。
11.根据权利要求8-10任一项所述的方法，其特征在于，所述还原性气体为含有甲烷的气体。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述还原性气体为甲烷气体。
13.根据权利要求8-10、12任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在阳极组装时将耐高温金属软管接入孔洞，两者接口处使用粘结剂混合煅烧石油焦糊料密封。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法在阳极组装时将耐高温金属软管接入孔洞，两者接口处使用粘结剂混合煅烧石油焦糊料密封。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述金属软管的直径为40-55mm，深度为100-300mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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