CN111551027A

CN111551027A - 一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法

Info

Publication number: CN111551027A
Application number: CN202010438926.4A
Authority: CN
Inventors: 李昌林; 周云峰; 汪艳芳; 王俊青; 罗丽芬; 王俊伟; 张芳芳; 侯光辉; 柴登鹏
Original assignee: China Aluminum Zhengzhou Research Institute Of Nonferrous Metals Co ltd
Current assignee: China Aluminum Zhengzhou Research Institute Of Nonferrous Metals Co ltd
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2020-08-18

Abstract

本发明公开了一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，熔炼炉为竖式熔炼炉，包括位于顶部位置的进料口、烟气出口、位于中部位置的炉体、位于底部附近的助燃剂加入口、燃料加入口、电解质溢流口以及底部的电解质收集池，所述炉体从内向外包括：冰晶石层、耐蚀层、耐火材料层、保温材料层和钢板。本发明在熔炼炉内使炭渣和热气流逆向接触，增大了反应面积，提高了处理效率。利用炭渣自身热值，实现其所含电解质熔化，同时可以根据炭渣成分不同调节工艺参数，工艺控制方便。熔炼炉运行过程中在其内壁形成高熔点冰晶石保护层，减少反应物料对炉体内衬的侵蚀，保证了熔炼炉使用寿命。

Description

一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，涉及一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法。

背景技术

现有的铝电解技术以氧化铝为原料，熔融冰晶石为溶剂，炭素体为阳极，在电解槽内进行电解得到金属铝液。在铝电解过程中，由于炭素阳极的不均匀燃烧、选择性氧化、铝液和电解质的侵蚀、冲刷等原因的影响，使部分碳颗粒从阳极脱落进入熔盐电解质中，形成炭渣。

电解槽内炭渣的产生对铝电解过程的影响较大，为保证铝电解生产过程正常进行，铝电解槽中的炭渣必须定期打捞。在捞炭渣时，电解质粘附在炭渣表面被带走，炭渣中通常含有60％左右的电解质，造成电解质的大量浪费。据统计，我国铝电解企业每生产1t原铝，约产生炭渣10kg，我国是铝电解大国，最近几年原铝每年产量三千多万吨，大量电解质混入炭渣中。炭渣由于含氟等有毒物质会对环境产生危害，2016年被列入《国家危险废物名录》(代码：321-025-48，危险特性：T)。

根据国家相关政策，炭渣禁止弃置或露天堆存，要求在电解铝企业厂内进行无害化处理或者委托具有危险废物处理资质的单位处理。对于工业危险废物的处置，国家环保部门针对各地区情况规定了不同处置收费标准，一般在1500-5000元/吨。此外，自2018年1月1日起施行的《中华人民共和国环境保护税法》中规定，每吨危险废物环境保护税税额为1000元。电解铝企业面临着高昂的危险废物处理费用和危险废弃物环境保护税的压力，因此，炭渣的无害化处理及资源化综合利用是电解铝行业急需解决的难题。

现有工业应用的方法主要有浮选法，浮选法的原理是：炭渣湿磨至一定粒度，加入浮选药剂搅拌，然后加入浮选机鼓入空气形成气泡。碳粉颗粒随气泡上浮至矿浆表面形成泡沫刮出，电解质自浮选槽底流排出，实现了炭渣中碳粉与电解质分离。炭渣浮选法的优点：处理成本低；劳动用工少；工人劳动强度小，生产环境好。炭渣浮选法的缺点：电解质回收率低；回收电解质含碳量高(约5％)，不利于返回铝电解生产用；浮选废水中含有氟离子，需进行废水处理。

相关的学者专家也开发了焙烧法处理炭渣技术，该技术的基本原理是：炭渣在一定温度下于回转窑内焙烧，使炭渣中的碳、氢等可燃物充分燃烧，所得焙烧产物即为电解质，从而实现炭渣中电解质与碳分离的目的。炭渣焙烧法的优点：回收电解质纯度高，可直接返回电解槽循环利用。炭渣焙烧法的缺点：焙烧时间长，生产效率低下，不利于大规模处理炭渣；工人劳动强度大，劳动环境恶劣。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，熔炼炉为竖式熔炼炉，包括位于顶部位置的进料口(1)、烟气出口(2)、位于中部位置的炉体(3)、位于底部附近的助燃剂加入口(5)、燃料加入口(6)、电解质溢流口(7)以及底部的电解质收集池(8)，所述炉体(3)从内向外包括：冰晶石层、耐蚀层、耐火材料层、保温材料层和钢板。

本发明中，耐蚀层是炭素材料、氮化硅材料、氮化硅结合碳化硅材料、镁铝尖晶石结构材料、刚玉中的一种，厚度10mm-120mm；耐火材料层所用耐火材料耐热度大于1200℃，厚度30-300mm；保温材料层所用保温材料25℃导热系数小于0.5W/(m·K)，厚度30-300mm；钢板厚度3-20mm。

本发明还要求保护一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，熔炼时利用炭渣自身所含碳和助燃剂产生热量，控制助燃剂与炭渣的比例，使炭渣中碳全部燃烧脱除，将炭渣中电解质加热到其熔点之上5-80℃，优选10-50℃，电解质在重力作用下，流到熔炼炉底部的电解质收集池，实现液态电解质的回收；过程中产生的烟气，从炉顶排出，回收余热后，进入净化系统。

冰晶石层厚度大于1cm，冰晶石层Na₃AlF₆含量高于85％。

助燃剂可以是空气、纯氧，或者二者的混合物。

当炭渣中碳含量过低，不足以将炭渣中电解质加热到其熔点之上时，在熔炼炉中添加不含氢或含氢少，且灰分少的碳质燃料，包括煅后焦、CO或其混合物；当炭渣中碳含量过低，不足以将炭渣中电解质加热到其熔点之上时，还可以在熔炼炉中添加降低电解质熔点的物质，包括氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂、氟化钠、氟化钾、氧化铝或其混合物。

当炭渣中碳含量过高，全部燃烧会使物料温度太高时，降低助燃剂与炭渣的比例，提高烟气中一氧化碳的比例，降低炭渣中碳燃烧的发热量。

炭渣入熔炼炉前为块状，粒径1-20cm。熔炼过程中产生的烟气，从炉顶排出，回收余热后，进入净化系统。

本发明的有益技术效果：

现有的焙烧法处理炭渣技术焙烧时间长，生产效率不高。针对已有焙烧法处理炭渣技术的不足，本发明提供一种炭渣熔炼装置和方法，本发明是在熔炼炉内炭渣和热气流逆向接触，增大了反应面积，提高了处理效率。利用炭渣自身热值，实现其所含电解质熔化，同时可以根据炭渣成分不同调节工艺参数，工艺控制方便。熔炼炉运行过程中可在其内壁形成高熔点冰晶石保护层，减少反应物料对炉体内衬的侵蚀，保证了熔炼炉使用寿命。

附图说明

图1为本发明中从铝电解炭渣中回收电解质熔炼炉的结构示意图；

图2为本发明中从铝电解炭渣中回收电解质的工艺流程。

具体实施方式

下面结合具体实施方式以及附图1-2对本发明进行详细说明。

实施例1

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，熔炼炉为竖式熔炼炉，包括位于顶部位置的进料口1、烟气出口2、位于中部位置的炉体3、位于底部附近的助燃剂加入口5、燃料加入口6、电解质溢流口7以及底部的电解质收集池8，所述炉体3从内向外包括：冰晶石层、耐蚀层、耐火材料层、保温材料层和钢板。耐蚀层是炭素材料，厚度10mm；耐火材料层耐火材料耐热度1250℃，厚度300mm；保温材料层所用保温材料25℃导热系数0.45W/(m·K)，厚度300mm；钢板厚度3mm。

利用炭渣自身所含碳和助燃剂产生热量，控制助燃剂与炭渣的比例，使炭渣中碳全部燃烧脱除，将炭渣中电解质加热到其熔点之上65℃，电解质在重力作用下，流到熔炼炉的电解质收集池，实现液态电解质的回收。熔炼过程产生的烟气，从炉顶排出，回收余热后，进入净化系统，进一步回收烟气中的氟。控制助燃剂与炭渣的比例，控制炭渣中碳燃烧的发热量，助燃剂是纯氧。熔炼过程产生的烟气，在余热回收系统用于加热炭渣原料。炭渣入熔炼炉前为块状，粒径1-20cm。

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法，对批次1的炭渣进行了处理，过程及产物统计分析结果如表1、表2所示。

表1电解质回收率统计

批次	炭渣(kg)	炭渣中电解质含量(％)	回收电解质质量(kg)	电解质回收率(％)
					1	5106	70.23	3301	92.05

表2回收电解质成分分析

主要元素	F	Al	Na	Si	Fe
						含量(％)	53.78	10.93	27.38	0.28	0.004

实施例2

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，熔炼炉为竖式熔炼炉，包括位于顶部位置的进料口1、烟气出口2、位于中部位置的炉体3、位于底部附近的助燃剂加入口5、燃料加入口6、电解质溢流口7以及底部的电解质收集池8，所述炉体3从内向外包括：冰晶石层、耐蚀层、耐火材料层、保温材料层和钢板。耐蚀层是氮化硅材料，厚度50mm；耐火材料层耐火材料耐热度1300℃，厚度240mm；保温材料层所用保温材料25℃导热系数0.35W/(m·K)，厚度230mm；钢板厚度7mm。

利用炭渣自身所含碳和助燃剂产生热量，控制助燃剂与炭渣的比例，使炭渣中碳全部燃烧脱除，将炭渣中电解质加热到其熔点之上5℃，电解质在重力作用下，流到熔炼炉的电解质收集池，实现液态电解质的回收。熔炼过程产生的烟气，从炉顶排出，回收余热后，进入净化系统，进一步回收烟气中的氟。在熔炼炉中添加降低电解质熔点的物质是氟化铝。助燃剂是纯氧。熔炼过程产生的烟气，在余热回收系统可以用于加热炭渣原料和助燃剂。炉体3使用前在炉衬内壁浇筑一层厚度5cm的冰晶石层，冰晶石层Na₃AlF₆含量100％。炭渣入熔炼炉前为块状，粒径1-10cm。

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法，对批次2的炭渣进行了处理，过程及产物统计分析结果如表3、表4所示。

表3电解质回收率统计

批次	炭渣(kg)	炭渣中电解质含量(％)	回收电解质质量(kg)	电解质回收率(％)
					2	7803	50.64	3608	91.31

表4回收电解质成分分析

主要元素	F	Al	Na	Si	Fe
						含量(％)	54.00	13.18	24.64	0.22	0.003

实施例3

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，熔炼炉为竖式熔炼炉，包括位于顶部位置的进料口1、烟气出口2、位于中部位置的炉体3、位于底部附近的助燃剂加入口5、燃料加入口6、电解质溢流口7以及底部的电解质收集池8，所述炉体3从内向外包括：冰晶石层、耐蚀层、耐火材料层、保温材料层和钢板。耐蚀层是氮化硅结合碳化硅材料，厚度80mm；耐火材料层耐火材料耐热度1400℃，厚度180mm；保温材料层所用保温材料25℃导热系数0.3W/(m·K)，厚度160mm；钢板厚度12mm。

利用炭渣自身所含碳和助燃剂产生热量，控制助燃剂与炭渣的比例，使炭渣中碳全部燃烧脱除，将炭渣中电解质加热到其熔点之上80℃，电解质在重力作用下，流到熔炼炉的电解质收集池，实现液态电解质的回收。熔炼过程产生的烟气，从炉顶排出，回收余热后，进入净化系统，进一步回收烟气中的氟。在熔炼炉中添加不含氢(或含氢少)且灰分少的碳质燃料，煅后焦和CO的混合物。助燃剂是空气、纯氧的混合物。熔炼过程产生的烟气，在余热回收系统可以用于加热炭渣原料，燃料和助燃剂。炉体3使用前在炉衬内壁浇筑一层厚度10cm的冰晶石层，冰晶石层Na₃AlF₆含量90％。炭渣入熔炼炉前为块状，粒径5-15cm。

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法，对批次3的炭渣进行了处理，过程及产物统计分析结果如表5、表6所示。

表5电解质回收率统计

批次	炭渣(kg)	炭渣中电解质含量(％)	回收电解质质量(kg)	电解质回收率(％)
					3	8796	47.83	3796	90.23

表6回收电解质成分分析

主要元素	F	Al	Na	Si	Fe
						含量(％)	53.15	12.54	32.31	0.31	0.002

实施例4

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，熔炼炉为竖式熔炼炉，包括位于顶部位置的进料口1、烟气出口2、位于中部位置的炉体3、位于底部附近的助燃剂加入口5、燃料加入口6、电解质溢流口7以及底部的电解质收集池8，所述炉体3从内向外包括：冰晶石层、耐蚀层、耐火材料层、保温材料层和钢板。耐蚀层是镁铝尖晶石结构材料，厚度100mm；耐火材料层耐火材料耐热度1500℃，厚度90mm；保温材料层所用保温材料25℃导热系数0.2W/(m·K)，厚度80mm；钢板厚度15mm。

利用炭渣自身所含碳和助燃剂产生热量，控制助燃剂与炭渣的比例，使炭渣中碳全部燃烧脱除，将炭渣中电解质加热到其熔点之上40℃，电解质在重力作用下，流到熔炼炉的电解质收集池，实现液态电解质的回收。熔炼过程产生的烟气，从炉顶排出，回收余热后，进入净化系统，进一步回收烟气中的氟。助燃剂是纯氧。熔炼过程产生的烟气，在余热回收系统用于加热炭渣原料。炉体3使用前在炉衬内壁浇筑一层厚度15cm的冰晶石层，冰晶石层Na₃AlF₆含量88％。炭渣入熔炼炉前为块状，粒径10-20cm。

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法，对批次4的炭渣进行了处理，过程及产物统计分析结果如表7、表8所示。

表7电解质回收率统计

批次	炭渣(kg)	炭渣中电解质含量(％)	回收电解质质量(kg)	电解质回收率(％)
					4	4597	63.45	2584	88.59

表8回收电解质成分分析

主要元素	F	Al	Na	Si	Fe
						含量(％)	54.74	14.79	28.48	0.26	0.003

实施例5

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，熔炼炉为竖式熔炼炉，包括位于顶部位置的进料口1、烟气出口2、位于中部位置的炉体3、位于底部附近的助燃剂加入口5、燃料加入口6、电解质溢流口7以及底部的电解质收集池8，所述炉体3从内向外包括：冰晶石层、耐蚀层、耐火材料层、保温材料层和钢板。耐蚀层是刚玉，厚度120mm；耐火材料层耐火材料耐热度1600℃，厚度30mm；保温材料层所用保温材料25℃导热系数0.15W/(m·K)，厚度30mm；钢板厚度20mm。

利用炭渣自身所含碳和助燃剂产生热量，控制助燃剂与炭渣的比例，使炭渣中碳全部燃烧脱除，将炭渣中电解质加热到其熔点之上20℃，电解质在重力作用下，流到熔炼炉的电解质收集池，实现液态电解质的回收。熔炼过程产生的烟气，从炉顶排出，回收余热后，进入净化系统，进一步回收烟气中的氟。控制助燃剂与炭渣的比例，控制炭渣中碳燃烧的发热量。助燃剂是空气。熔炼过程产生的烟气，在余热回收系统用于加热炭渣原料和助燃剂。炉体3使用前在炉衬内壁浇筑一层厚度25cm的冰晶石层，冰晶石层Na₃AlF₆含量86％。炭渣入熔炼炉前为块状，粒径16cm。

采用本发明的一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉和熔炼方法，对批次5的炭渣进行了处理，过程及产物统计分析结果如表9、表10所示。

表9电解质回收率统计

批次	炭渣(kg)	炭渣中电解质含量(％)	回收电解质质量(kg)	电解质回收率(％)
					5	6348	82.37	4706	90.00

表10回收电解质成分分析

主要元素	F	Al	Na	Si	Fe
						含量(％)	54.29	13.18	25.74	0.23	0.003

以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，其特征在于，熔炼炉为竖式熔炼炉，包括位于顶部位置的进料口(1)、烟气出口(2)、位于中部位置的炉体(3)、位于底部附近的助燃剂加入口(5)、燃料加入口(6)、电解质溢流口(7)以及底部的电解质收集池(8)，所述炉体(3)从内向外包括：冰晶石层、耐蚀层、耐火材料层、保温材料层和钢板。

2.根据权利要求1所述的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，其特征在于，冰晶石层厚度大于1cm，冰晶石层Na₃AlF₆含量高于85％。

3.根据权利要求1或2所述的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼炉，其特征在于，耐蚀层是炭素材料、氮化硅材料、氮化硅结合碳化硅材料、镁铝尖晶石结构材料、刚玉中的一种，厚度10mm-120mm；耐火材料层所用耐火材料耐热度大于1200℃，厚度30-300mm；保温材料层所用保温材料25℃导热系数小于0.5W/(m·K)，厚度30-300mm；钢板厚度3-20mm。

4.一种采用权利要求1-3任一所述的熔炼炉的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，其特征在于，熔炼时利用炭渣自身所含碳和助燃剂产生热量，控制助燃剂与炭渣的比例，使炭渣中碳全部燃烧脱除，将炭渣中电解质加热到其熔点之上5-80℃，电解质在重力作用下，流到熔炼炉底部的电解质收集池，实现液态电解质的回收；过程中产生的烟气，从炉顶排出，回收余热后，进入净化系统。

5.根据权利要求4所述的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，其特征在于，将炭渣中电解质加热到其熔点之上10-50℃。

6.根据权利要求4所述的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，其特征在于，助燃剂是空气、纯氧，或者二者的混合物。

7.根据权利要求4所述的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，其特征在于，当炭渣中碳含量过低，不足以将炭渣中电解质加热到其熔点之上时，在熔炼炉中添加不含氢或含氢少，且灰分少的碳质燃料，包括煅后焦、CO或其混合物。

8.根据权利要求4所述的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，其特征在于，当炭渣中碳含量过低，不足以将炭渣中电解质加热到其熔点之上时，在熔炼炉中添加降低电解质熔点的物质，包括氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂、氟化钠、氟化钾、氧化铝或其混合物。

9.根据权利要求4所述的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，其特征在于，当炭渣中碳含量过高，全部燃烧会使物料温度太高时，降低助燃剂与炭渣的比例，提高烟气中一氧化碳的比例，降低炭渣中炭燃烧的发热量。

10.根据权利要求4所述的从铝电解炭渣中回收电解质的熔炼方法，其特征在于，炭渣入熔炼炉前为块状，粒径1-20cm。