CN111020638A - 利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法 - Google Patents

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魏征
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王耀武
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Abstract

一种利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，按以下步骤进行：(1)将铝电解槽阳极炭渣粉碎；(2)粉碎炭渣与Na2CO3混合；(3)将混合物料升温至860～1040℃融化；(4)混合物熔盐随炉冷却至常温；与水混合获得悬浊液；(5)过滤获得的固相和滤液；固相水洗烘干制成炭粉；(6)滤液中通入CO2进行碳化反应，过滤获得的二次固相Al(OH)3；二次滤液蒸发结晶，获得Na2CO3和NaF的混合物。本发明的方法预处理过程简单，原料容易获得，无废气产生，可以大规模处理铝电解槽阳极炭渣。

Description

利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法
技术领域
本发明属于冶金及环保技术领域，特别涉及一种利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法。
背景技术
电解槽的炭阳极被氧化过程中，炭块中的沥青由于活性较大首先被消耗，导致炭阳极结构中的碳网被破坏。阳极碳块内应力也随之增加，被阳极气体冲蚀而使炭颗粒脱落,从而形成炭渣。
在实际铝电解生产过程中，少量的炭渣的存在是不可避免的，但是过多的炭渣对铝电解生产的危害很大，主要表现为以下几个方面:
(1)电流效率下降、能耗增加；根据资料显示，当电解槽内的炭渣含量达到0.04％时，电解质的导电率下降1％。随着炭渣含量的升高，电解质的电导率会降低，电流效率下降，电解槽的压降升高，能耗也会随之升高；
(2)降低设备的使用寿命；电解槽的温度随着电解质电阻的增大而升高，破坏了电解槽的热平衡，从而影响电解槽工作平稳运行，降低了设备的使用寿命；另一方面，现代大型预焙铝电解槽一般采取中间下料的方式，因为电解槽槽中部的流动性性强于边部，产生的炭渣大多集中在电解槽的边部。当大量炭渣聚集时，容易形成阳极长包，部分电流会直接通过炭渣和长包处进入阴极或侧部，如果长包地方位于人工伸腿与阴极的结合处，就会造成侧部尖端放电从而使降低电解槽的使用寿命；
(3)增加工人的工作量；电解槽生产过程中会产生大量炭渣，需要工人定期打捞这些炭渣。炭渣在电解槽里流动，需要在不同位置打洞进行清理。这大大增加了工人的工作量。
目前，国内外回收炭渣方法主要有浮选法、焙烧法。
炭渣被打捞出来后冷却一定时间，进行粗选去除杂物。然后破碎、研磨使炭渣达到满足浮选机粒度的要求。加入水、煤油、水玻璃后搅拌并进行浮选，最后将炭和电解质分别送往炭浆池和沉淀槽；不足之处在于回收的炭中杂质含量较高，不能直接生产碳素；浮选后的电解质中也有大量的浮选剂和约5％的炭，不能直接返回且氟含量超标，还需要进一步处理增加成本，工艺流程比较复杂，效率很低。
焙烧法是利用炭在高温下被氧气氧化的原理，该法可以得到纯度较高的电解质。为了提高电解质的纯度，还需要加入助燃剂与分散剂来保证炭的充分燃烧。优点是电解质的纯度比较高，产物电解质可以直接补充到电解槽中使用；该法不足之处在于工作强度大，浪费了炭渣中的炭。
发明内容
针对现有铝电解槽阳极炭渣处理技术存在的上述各种问题，本发明提供一种利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，将Na2CO3与阳极炭渣混合，加热至860～1100℃，使二者在熔融状态下发生反应，生成可溶性的钠盐，然后利用阳极炭渣中的炭不溶于水的物理特性，实现炭渣中电解质和炭的分离。
本发明的方法按以下步骤进行：
(1)将铝电解槽阳极炭渣中的大块粉碎，制成粒径≤20mm的粉碎炭渣；
(2)将粉碎炭渣与Na2CO3混合均匀，制成混合物料，混合物料中Na2CO3与粉碎炭渣的质量比≥2；
(3)将混合物料装入坩埚内，再置于电炉中升温至860～1040℃，当混合物料完全融化后，获得由Na2CO3、NaF、NaAlO2和炭共同存在的混合物熔盐；
(4)将混合物熔盐随炉冷却至常温，获得的物料由上部泡沫和底部熔盐组成；将上部泡沫和底部熔盐与水混合，搅拌使水溶性成分溶解，获得悬浊液；
(5)将悬浊液过滤获得的固相和滤液；固相经水洗烘干后制成炭粉；
(6)向滤液中通入CO2进行碳化反应，生成Al(OH)3沉淀；将碳化反应后的物料过滤，获得的二次固相的固体成分为Al(OH)3；获得的二次滤液进行蒸发结晶，获得Na2CO3和NaF的混合物。
上述的步骤(3)中，置于电炉中升温至900～1040℃。
上述的步骤(6)中，蒸发结晶的温度400～1000℃。
上述的步骤(3)中，Na2CO3与炭渣的主要反应的反应式为：
2Na3AlF6+3Na2CO3＝6NaF+3CO2(g)+NaAlO2。
上述的铝电解槽阳极炭渣的元素成分按质量百分比含C 29.7％，Na 16.6％，Al11.3％，F34.1％；其中Na、Al和F为电解质成分。
上述方法中，炭粉中C回收率≥80％。
上述方法中，炭粉按质量百分比含C≥85％。
上述的步骤(6)中，碳化反应的反应式为：
2NaAlO2+CO2+3H2O＝Na2CO3+2Al(OH)3；
当NaAlO2中的Al全部生成Al(OH)3时反应完成。
上述方法中，Na2CO3与粉碎炭渣质量比值越大，在电炉中升温的温度可以越低，炭和电解质的分离效果越好。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：1、预处理过程简单，不需要将其全部粉碎至粒径为微米级别的粉末状，节省了炭渣预处理时间和成本；2、原料Na2CO3容易获得；3、与浮选法、高温焙烧法、真空蒸馏法等现有技术比较，无废气产生，比较环保，可以大规模处理铝电解槽阳极炭渣。
本发明的方法是在高温下用大量的Na2CO3熔盐和炭粉中的电解质发生反应，然后利用反应产物易溶于水的物理特性，实现铝电解槽阳极炭渣中电解质和炭粉的分离回收。
附图说明
图1为本发明的利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法流程示意图；
图2为本发明实施例1中的铝电解槽阳极炭渣的XRD图；
图3为本发明实施例1中的炭粉的XRD图。
具体实施方式
本发明实施例中过滤采用布氏漏斗抽滤。
本发明实施例中采用的X射线衍射设型号为X Pertpro。
本发明实施例中采用的水均为去离子水。
本发明实施例中采用的Na2CO3为市购产品。
本发明实施例中采用的坩埚为刚玉坩埚。
本发明实施例中，混合物料中Na2CO3与粉碎炭渣的质量比＝2～4。
本发明实施例中，混合物料在电炉中升温至900～1040℃后，保温20min。
以下为本发明优选实施例。
实施例1
流程如图1所示；
将铝电解槽阳极炭渣中的大块粉碎，制成粒径≤20mm的粉碎炭渣；铝电解槽阳极炭渣的XRD图如图2所示，元素成分按质量百分比含C 29.7％，Na 16.6％，Al 11.3％，F34.1％；其中Na、Al和F为电解质成分；
将粉碎炭渣与Na2CO3混合均匀，制成混合物料，混合物料中Na2CO3与粉碎炭渣的质量比为2；
将混合物料装入坩埚内，再置于电炉中升温至1040℃，当混合物料完全融化后，获得由Na2CO3、NaF、NaAlO2和炭共同存在的混合物熔盐；
将混合物熔盐随炉冷却至常温，获得的物料由上部泡沫和底部熔盐组成；将上部泡沫和底部熔盐与水混合，搅拌使水溶性成分溶解，获得悬浊液；
将悬浊液过滤获得的固相和滤液，固相经水洗烘干后制成炭粉；XRD图如图3所示；
向滤液中通入CO2进行碳化反应，生成Al(OH)3沉淀；当NaAlO2中的Al全部生成Al(OH)3时反应完成；将碳化反应后的物料过滤，获得的二次固相的固体成分为Al(OH)3；获得的二次滤液进行蒸发结晶，蒸发结晶的温度600℃，获得Na2CO3和NaF的混合物；
炭粉中C回收率83％；炭粉按质量百分比含C 85.4％；
Na2CO3和NaF的混合物中杂质成分≤1％。
实施例2
方法同实施例，不同点在于；
(1)混合物料中Na2CO3与粉碎炭渣的质量比为3；
(2)混合物料在电炉中升温至950℃融化；
(3)蒸发结晶的温度800℃；
(4)炭粉中C回收率81％；炭粉按质量百分比含C 88.6％。
实施例3
方法同实施例，不同点在于；
(1)混合物料中Na2CO3与粉碎炭渣的质量比为4；
(2)混合物料在电炉中升温至900℃融化；
(3)蒸发结晶的温度400℃；
(4)炭粉中C回收率82％；炭粉按质量百分比含C 86.4％。

Claims (6)

1.一种利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)将铝电解槽阳极炭渣中的大块粉碎，制成粒径≤20mm的粉碎炭渣；
(2)将粉碎炭渣与Na2CO3混合均匀，制成混合物料，混合物料中Na2CO3与粉碎炭渣的质量比≥2；
(3)将混合物料装入坩埚内，再置于电炉中升温至860～1040℃，当混合物料完全融化后，获得由Na2CO3、NaF、NaAlO2和炭共同存在的混合物熔盐；
(4)将混合物熔盐随炉冷却至常温，获得的物料由上部泡沫和底部熔盐组成；将上部泡沫和底部熔盐与水混合，搅拌使水溶性成分溶解，获得悬浊液；
(5)将悬浊液过滤获得的固相和滤液；固相经水洗烘干后制成炭粉；
(6)向滤液中通入CO2进行碳化反应，生成Al(OH)3沉淀；将碳化反应后的物料过滤，获得的二次固相的固体成分为Al(OH)3；获得的二次滤液进行蒸发结晶，获得Na2CO3和NaF的混合物。
2.根据权利要求1所述的利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于步骤(3)中，置于电炉中升温至900～1040℃。
3.根据权利要求1所述的利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于步骤(6)中，蒸发结晶的温度400～1000℃。
4.根据权利要求1所述的利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于所述的铝电解槽阳极炭渣的选用元素成分按质量百分比含C 29.7％，Na 16.6％，Al11.3％，F34.1％；其中Na、Al和F为电解质成分。
5.根据权利要求1所述的利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于所述的炭粉中C回收率≥80％。
6.根据权利要求1所述的利用碳酸钠熔盐法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于所述的炭粉按质量百分比含C≥85％。
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