CN111893515B - 铝电解碳渣热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝电解碳渣热处理方法，包括将除铁碳渣颗粒加入热处理炉中并加热至1000‑1400℃，使所述除铁碳渣颗粒中的电解质全部转化为液态电解质，与所述除铁碳渣颗粒中的固态碳分离，其中，在所述除铁碳渣颗粒中的电解质完全转化为所述液态电解质的过程中，所述热处理炉内的含氧量维持在2%‑20%，所述除铁碳渣颗粒中的固态碳充分燃烧。因此，本发明提供的上述铝电解质碳渣热处理方法实现电解质与固态碳的良好分离，促使绝大部分固态碳充分燃烧；固态碳充分燃烧，既提高了电解质的纯度，又降低了燃料的消耗，实现以低能耗的处置方法得到高纯度的电解质，且该电解质分子比与电解槽内分子比基本一致，可直接返回电解槽使用。
Description
技术领域
本发明属于电解铝固废处理领域，具体涉及一种铝电解碳渣处理方法。
背景技术
铝电解碳渣是铝在电解过程中产生的，主要由几种形式：铝电解过程中未完全燃烧的阳极颗粒进入电解质熔液中形成的固体废弃物；电解质中的铝将阳极气体CO2和CO还原成C，在电解质溶液中形成细微的游离态固体物质；阴极碳素内衬的剥落、钠对阴极碳块的渗入引起碳块剥落而形成的固体废弃物。因此，铝电解碳渣的主要成分为铝电解质和固态碳。铝电解碳渣常见的工业处理方法为浮选法和热处理法。
其中，浮选法是将铝电解碳渣磨细后实现固态碳和电解质的分离，但其分离不彻底，尤其是铝电解碳渣中的固态碳的含量比较多时，所得到的碳纯度不大于95%、电解质纯度不大于90%，回收效率低，并且电解质的分子比较低，通常为1.6-1.9，而且回收的电解质中的杂质含量较高，不能直接返回电解槽使用。
铝电解碳渣热处理法是将铝电解碳渣磨细后置于加热炉中进行高温处理，其中的固态碳氧化变为CO2、CO等气体后，回收铝电解碳渣中的电解质。例如，中国专利申请CN107604383A中公开了一种熔炼法提取碳渣中电解质的方法，过程如下：将碳渣在熔炼炉中加热到1250-1300℃，碳渣中的电解质熔炼成液态后，碳漂浮于电解质液体表面，将漂浮的碳扒出后将电解质放出，冷却后返回电解铝生产使用；其中，在熔炼过程中，碳进行燃烧反应，其中有20%-30％的碳被燃烧掉；另外，在熔炼过程中产生的烟气成分包括CO、CO2、H2O、NO等。所以，当铝电解碳渣中的固态碳的含量比较多时，如，超过20%，现有的铝电解碳渣热处理法仍存在热效率低，碳渣中的固态碳燃烧不充分，能耗高、处置成本高、热处理炉内衬易损伤等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明确有必要提供一种铝电解碳渣热处理方法，该方法针对固态碳含量比较高的铝电解碳渣进行热处理，既能够降低能耗，又能够提高电解质的纯度，获得高纯度的、可直接返回电解槽使用的电解质。
为此，本发明提供的技术方案为：一种铝电解碳渣热处理方法，包括将除铁碳渣颗粒加入热处理炉中并加热至1000-1400℃，使所述除铁碳渣颗粒中的电解质全部转化为液态电解质，与所述除铁碳渣颗粒中的固态碳分离，其中，在所述除铁碳渣颗粒中的电解质完全转化为所述液态电解质的过程中，所述热处理炉内的含氧量维持在2%-20%，所述除铁碳渣颗粒中的固态碳充分燃烧。
基于上述，所述热处理炉包括有一水平式回转炉、一炉门和一旋焰式富氧燃烧器，所述炉门安装在所述水平式回转炉左端开口处，且所述炉门上设置有一加料口，所述旋焰式富氧燃烧器从所述水平式回转炉右端开口处悬空插入所述水平式回转炉内，所述水平式回转炉上设有一出料口，所述除铁碳渣颗粒通过所述加料口加入所述水平式回转炉内，所述液态电解质从所述出料口排出，获得纯度≥95%的液态电解质直接返回电解槽使用或直接冷却备用。优选地，所述液态电解质的纯度可以达到98%以上。
基于上述，在所述除铁碳渣颗粒中的电解质完全转化为所述液态电解质的过程中，通过向所述水平式回转炉内通入燃料和空气的混合气体，控制所述水平式回转炉内的含氧量维持在2%-20%。
其中，所述水平式回转炉内的含氧量在形成所述液态电解质的过程中维持在2%-20%的主要目的是为了保持所述热处理炉内的除铁碳渣颗粒在形成所述液态电解质的过程中始终处于富氧环境中，有利于促进除铁碳渣颗粒中的固态碳在该富氧环境中被加热并充分完全燃烧，实现所述除铁碳渣颗粒中的电解质与固态碳的分离，同时由于所述固态碳燃烧释放热量，能够减少燃料的用量，有利于节约燃料的用量，降低成本。
基于上述，所述水平式回转炉内的含氧量维持在5%-15%。优选地，所述水平式回转炉内的含氧量可以维持在5%、6%、8%、9%、10%、12%、15%。
基于上述，所述除铁碳渣颗粒主要通过采用除铁器对铝电解质碳渣原料颗粒进行除铁处理获得，其中，所述铝电解质碳渣原料颗粒的粒径小于且等于150 mm，且所述铝电解质碳渣原料颗粒总重量的10%-20%的粒径为10-20 mm。所述铝电解质碳渣原料颗粒通过采用破碎机对铝电解质碳渣原料进行破碎处理获得。当所述铝电解质碳渣原料颗粒的粒径如果过大，不利于除铁碳渣颗粒与燃料的充分接触，所以其粒径小于且等于150 mm；如果粒径过小，除铁碳渣颗粒容易从所述水平式回转炉中逸出，降低铝电解质碳渣原料颗粒的利用率，经过研究试验发现：当粒径为10-20 mm的铝电解质碳渣原料颗粒占所述铝电解质碳渣原料颗粒总量的10%-20%时，所述除铁碳渣颗粒不容易从所述水平式回转炉中逸出。因此，本发明限定的铝电解质碳渣原料颗粒的粒径的范围不仅有利于除铁碳渣颗粒在富氧气氛中与燃料充分接触，还有利于减少除铁碳渣颗粒的损失。
基于上述，每次向所述热处理炉加入的所述除铁碳渣颗粒为所述水平式回转炉体容积的20%-40%，且所述铝电解质碳渣原料颗粒中的固态碳的含量为20%-50%，所述水平式回转炉以10-50 ℃/h将所述除铁碳渣颗粒加热至1000-1400℃，并保温0.5-5 h，使所述除铁碳渣颗粒中的电解质转化为所述液态电解质的同时，所述除铁碳渣颗粒中95%以上的固体碳充分燃烧。
基于上述，所述除铁碳渣颗粒的加热温度1000-1200℃。优选地，所述加热温度可以为1000℃、1100℃或1200℃。
基于上述，所述保温时间为1-3 h。优选地，所述保温时间为1 h、2 h或3 h。
基于上述，所述燃料为天然气、液化石油气或水煤气等气态燃料。其中，当所述燃料为天然气时，天然气和空气的体积比为1:10 – 1:20。
因此，与现有技术相比，本发明提供的铝电解碳渣热处理方法通过将碳渣原料颗粒进行除铁预处理后，在富氧氛围下加热至高温，使固态电解质转化为液态电解质，实现与固态碳的良好分离，同时在加热过程和电解质分离过程中，热处理炉内的含氧量维持在2%-20%的富氧氛围促使大部分固态碳充分燃烧；固态碳充分燃烧，既提高了电解质的纯度，又降低了燃料的消耗，实现以低能耗的处置方法得到高纯度的电解质，且该电解质分子比与电解槽内分子比基本一致，可直接返回电解槽使用。
进一步，本发明提供的热处理方法采用水平式回转炉不但有利于增加所述除铁碳渣颗粒向水平式回转炉中的每次投入量，还有利于促进水平式回转炉中的除铁碳渣颗粒在富氧气氛中都能够与燃料和空气充分接触；所述旋焰式富氧燃烧器插入水平式回转炉内，火焰在水平式回转炉内呈发散态，充分与所述除铁碳渣颗粒接触，热效率高，且水平式回转炉内处于富氧氛围，固态碳的燃烧氧化良好；同时，多余的氧气可使所述除铁碳渣颗粒中的固态碳快速充分氧化放热，降低能耗。
进一步，本发明通过向所述热处理炉中通入燃料和空气的混合气体来控制其含氧量维持在2%-20%，主要是因为：固体碳及燃料遇氧气燃烧时的火焰温度比较高，可以达到1450℃，如此，尤其当固体碳的含量比较高时，不但容易损伤热处理炉的内衬，而且由于固态碳燃烧是放热反应，熔融的铝电解质中的氟容易挥发，从而改变液态铝电解质的组成，不利于液态铝电解质的回收利用；本发明中向所述热处理炉中通入空气，不但可以使燃料和固态碳燃烧，还能降低燃料及固态碳燃烧时的火焰温度和释放的热量，避免或减弱高温对内衬的伤害，避免或减弱液态铝电解质中的氟挥发，有利于回收的液态铝电解质的分子比与其原料的电解槽中的分子比保持一致，可直接返回电解槽使用。
附图说明
图1为本发明提供的铝电解碳渣热处理方法采用的热处理炉的结构示意图。
其中，图1中1-底座、2-支撑传动装置、21-炉体支撑拖轮、22-联轴器、23-电动机、3-水平式回转炉、31-内衬浇注料、32-钢筒外壳、4-旋焰式富氧燃烧器、5-炉门、6-加料口、7-测温热电偶、8-出料口。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供的铝电解碳渣热处理方法主要是通过采用图1所示的热处理炉完成的。所述热处理炉包括有一水平式回转炉3、一炉门5和一旋焰式富氧燃烧器4，所述炉门5安装在所述水平式回转炉3的左端开口处，且所述炉门5上设置有一加料口6，所述旋焰式富氧燃烧器4从所述水平式回转炉3的右端开口处悬空插入所述水平式回转炉3内，所述水平式回转炉3上设有一出料口8。所述热处理炉还包括底座1、支撑传动装置2和测温热电偶7。
所述支撑传动装置2水平固定在水平放置的底座1上，包括炉体支撑拖轮21、与该炉体支撑拖轮21连接的联轴器22和驱动所述联轴器22的电动机23。电动机23驱动所述联轴器22转动，联轴器22带动所述炉体支撑拖轮21转动。
所述水平式回转炉3安装在所述炉体支撑拖轮21上，该炉体支撑拖轮21转动带动所述水平式回转炉3旋转。所述水平式回转炉3由钢筒外壳32和内衬浇注料31构成。当所述水平式回转炉3旋转至所述出料口8靠近所述底座1设置时，方便液态电解质从该出料口8排出。
所述炉门5的中心与所述水平式回转炉3的左端开口处的中心重合，所述加料口6固定安装在所述炉门5的中心处，该加料口6与所述水平式回转炉3通过管道连通。所述炉门5的一侧铰接在立柱上，所述立柱立于所述底座1。炉门5上有一测温热电偶孔，所述测温热电偶7从所述测温热电偶孔插入炉内，测定炉内温度。炉门5有炉腔观察孔，便于观察炉内加料情况、火焰燃烧情况及炉内物料熔化情况。
所述旋焰式富氧燃烧器4从所述水平式回转炉3的右端开口处悬空插入所述水平式回转炉3的内腔，但不与水平式回转炉3直接固定连接。所述旋焰式富氧燃烧器4位于所述水平式回转炉3外的部分固定有耐火棉，该耐火棉固定在所述水平式回转炉3的右端开口处，用于密封该右端开口。所述耐火棉的右侧安装有固定在所述旋焰式富氧燃烧器4上的支撑板，该支撑板上安装有连接且所述耐火棉的压片弹簧，该压片弹簧进一步将水平式回转炉3的右端开口处紧密密封，避免或减少耐火棉因使用过程中损耗造成密封不严的问题。
本发明提供一种铝电解碳渣热处理方法，包括：
采用破碎机将碳渣原料粗破至小于150 mm，且所述铝电解质碳渣原料颗粒总重量的10%-20%的粒径为10-20 mm，得到碳渣原料颗粒，其中，所述碳渣原料来源于铝电解槽，所述碳渣原料中固态碳含量（质量百分数）如表1所示；
采用除铁器对所述碳渣原料颗粒进行除铁预处理，获得处理碳渣颗粒；
通过所述加料口6向水平式回转炉3加入所述除铁碳渣颗粒，且每次的加入量为所述水平式回转炉容积的40%，采用富氧燃烧技术，向所述水平式回转炉3内通入天然气和空气的混合气体，且控制所述水平式回转炉内的含氧量始终维持在2%-20%，以20 ℃/h加热至高温，并高温保温0.5-5 h，所述除铁碳渣颗粒中的电解质转化为液态电解质，并与固态碳完全分离，所述液态电解质表面上少许浮渣，人工扒出浮渣，该液态电解质从所述出料口8中排出，排出的液态电解质可直接返回电解槽使用，也可以冷却为固体电解质颗粒备用。其中，在该步骤中水平式回转炉内的含氧量、加热温度以及保温时间的具体指如表1-3所示。
由本发明提供的铝电解碳渣热处理方法获得的回收电解质为液态或固体颗粒，其中表1-3中的“回收电解质纯度”和“电解质回收率”均主要是依据NaF、AlF3、Al2O3、MgF2和CaF2的总质量确定；“原电解槽分子比”和“回收电解质分子比”均是采用电解质分子比分析仪测定NaF/AlF3的摩尔比确定。
表1 加热温度对本发明提供的铝电解碳渣热处理方法的影响
从表1中可以看出：在相同条件下，在一定范围内，随着加热温度的升高，电解质的纯度逐渐提高，液态电解质的粘度降低、流动性提升。温度升高，粘度降低、流动性提高，有利于固态碳与液态电解质的分离、液态电解质的排出，过高的温度会使液态电解质挥发，降低电解质的回收率。
表2 含氧量对本发明提供的铝电解碳渣热处理方法的影响
从表2中可以看出：在相同条件下，随着炉内含氧量的提高，液态电解质的纯度逐渐升高；但当炉内含氧量达到一定值时，电解质的纯度不随含氧量的升高而升高，其值保持不变。
表3 保温时间对本发明提供的铝电解碳渣热处理方法的影响
从表3中可以看出：在相同条件下，随着保温时间的延长，液态电解质中的固态碳分离后燃烧充分，液态电解质的纯度逐渐提高。
下面通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
本实施例提供一种铝电解碳渣热处理方法，包括：将铝电解质碳渣原料粗破至小于150 mm得到碳渣颗粒，且所述铝电解质碳渣原料颗粒总重量的10%-20%的粒径为10-20mm，其中所述铝电解质碳渣原料来源于分子比为2.4的电解槽，且所述铝电解质碳渣原料的固态碳含量为45%；经永磁除铁器除铁后，定量加入水平式回转炉进行高温处理，加料量为炉体容积的40%；采用富氧燃烧技术，向水平式回转炉内通入天然气和空气的混合气体并控制炉内含氧量始终为15%，用天然气以20℃/h的升温速率加热碳渣至1200℃，保温5 h，碳渣中固态碳与液体电解质完全分离，液态电解质上部有少许浮渣，停止转动炉体，打开回转炉炉门，人工扒出浮渣，液态电解质经独立出料口排出至料盒，冷却后即为固体电解质颗粒，经检测，固体电解质颗粒的回收率为97.4%、纯度为98.5%、分子比为2.4，该分子比与电解槽内电解质分子比基本一致，可直接返回电解槽使用。
实施例2
本实施例提供一种铝电解碳渣热处理方法，包括：将铝电解质碳渣原料粗破至小于150 mm得到碳渣颗粒，且所述铝电解质碳渣原料颗粒总重量的10%-20%的粒径为10-20mm，其中所述铝电解质碳渣原料来源于分子比为2.2的电解槽，且所述铝电解质碳渣原料的固态碳含量为21%；经永磁除铁器除铁后，定量加入入水平式回转炉进行高温处理，加料量为炉体容积的40%；采用富氧燃烧技术，向入水平式回转炉内通入天然气和空气的混合气体并控制炉内含氧量始终为5%，用天然气以20℃/h的升温速率加热碳渣至1100℃，保温3 h，碳渣中固态碳与液体电解质完全分离，停止转动炉体，关闭燃气开关，移开燃烧器，人工捞出上部浮渣，抬升炉体底部，倒出液态电解质至冷却料盒，冷却后即为固体电解质颗粒，经检测，固体电解质颗粒的回收率为98.4%、纯度为98%、分子比为2.2，分子比与电解槽内电解质分子比基本一致，可直接返回电解槽使用。
实施例4
本实施例提供一种铝电解碳渣热处理方法，包括：将铝电解质碳渣原料粗破至小于150 mm得到碳渣颗粒，且所述铝电解质碳渣原料颗粒总重量的10%-20%的粒径为10-20mm，其中所述铝电解质碳渣原料来源于分子比为2.4的电解槽，且所述铝电解质碳渣原料的固态碳含量为49%；经永磁除铁器除铁后，定量加入水平式回转炉进行高温处理，加料量为炉体容积的20%；采用富氧燃烧技术，向水平式回转炉内通入液化石油气和空气的混合气体并控制炉内含氧量始终为15%，用天然气以50℃/h的升温速率加热碳渣至1200℃，保温1 h，碳渣中固态碳与液体电解质完全分离，液态电解质上部有少许浮渣，停止转动炉体，打开回转炉炉门，人工扒出浮渣，液态电解质经独立出料口排出至料盒，冷却后即为固体电解质颗粒，经检测，固体电解质颗粒的回收率为98%、纯度为98.7%、分子比为2.4，该分子比与电解槽内电解质分子比基本一致，可直接返回电解槽使用。
实施例5
本实施例提供一种铝电解碳渣热处理方法，包括：将铝电解质碳渣原料粗破至小于150 mm得到碳渣颗粒，且所述铝电解质碳渣原料颗粒总重量的10%-20%的粒径为10-20mm，其中所述铝电解质碳渣原料来源于分子比为2.6的电解槽，且所述铝电解质碳渣原料的固态碳含量为38%；经永磁除铁器除铁后，定量加入水平式回转炉进行高温处理，加料量为炉体容积的40%；采用富氧燃烧技术，向水平式回转炉内通入水煤气和空气的混合气体并控制炉内含氧量始终为15%，用天然气以20℃/h的升温速率加热碳渣至1200℃，保温5 h，碳渣中固态碳与液体电解质完全分离，液态电解质上部有少许浮渣，停止转动炉体，打开回转炉炉门，人工扒出浮渣，液态电解质经独立出料口排出至料盒，冷却后即为固体电解质颗粒，经检测，固体电解质颗粒的回收率为97%、纯度为97.2%、分子比为2.6，该分子比与电解槽内电解质分子比基本一致，可直接返回电解槽使用。
实施例6
本实施例提供一种铝电解碳渣热处理方法，包括：将铝电解质碳渣原料粗破至小于150 mm得到碳渣颗粒，且所述铝电解质碳渣原料颗粒总重量的10%-20%的粒径为10-20mm，其中所述铝电解质碳渣原料来源于分子比为2.5的电解槽，且所述铝电解质碳渣原料的固态碳含量为31%；经永磁除铁器除铁后，定量加入水平式回转炉进行高温处理，且加料量为炉体容积的40%；采用富氧燃烧技术，向水平式回转炉内通入天然气和空气的混合气体并控制炉内含氧量始终为10%，用天然气以30℃/h的升温速率加热碳渣至1200℃，保温3 h，碳渣中固态碳与液体电解质完全分离，液态电解质上部有少许浮渣，停止转动炉体，打开回转炉炉门，人工扒出浮渣，液态电解质经独立出料口排出至料盒，冷却后即为固体电解质颗粒。经检测，固体电解质颗粒的回收率为97.4%、纯度为97.6%、分子比为2.5，该分子比与电解槽内电解质分子比基本一致，可直接返回电解槽使用。
实施例7
本实施例提供一种铝电解碳渣热处理方法，包括：将碳渣粗破至小于150 mm得到碳渣颗粒，其中所述碳渣来源于分子比为2.7的电解槽，且所述碳渣的固态碳含量为34%；经永磁除铁器除铁后，定量加入水平式回转炉进行高温处理，加料量为炉体容积的30%；调整燃烧器鼓风机的进风量，向火焰熔融炉内通入天然气和空气的混合气体并控制炉内含氧量始终为12%，用天然气以30℃/h的升温速率加热碳渣至1200℃，保温4 h，碳渣中固态碳与液体电解质完全分离，关闭燃气开关，移开燃烧器，人工捞出上部浮渣，采用吸管将液态电解质吸出至料盒，冷却后即为固体电解质颗粒，经检测，固体电解质颗粒的回收率为98.5%、纯度为98.7%、分子比为2.7，分子比与电解槽内电解质分子比基本一致，可直接返回电解槽使用。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种铝电解碳渣热处理方法，包括将除铁碳渣颗粒加入热处理炉中并加热至1000-1400℃，使所述除铁碳渣颗粒中的电解质全部转化为液态电解质，与所述除铁碳渣颗粒中的固态碳分离，其中，在所述除铁碳渣颗粒中的电解质完全转化为所述液态电解质的过程中，所述热处理炉内的含氧量维持在2%-20%，所述除铁碳渣颗粒中的固态碳充分燃烧。
2.根据权利要求1所述的铝电解碳渣热处理方法，其特征在于：所述热处理炉包括有一水平式回转炉、一炉门和一旋焰式富氧燃烧器，所述炉门安装在所述水平式回转炉左端开口处，且所述炉门上设置有一加料口，所述旋焰式富氧燃烧器从所述水平式回转炉右端开口处悬空插入所述水平式回转炉内，所述水平式回转炉上设有一出料口，所述除铁碳渣颗粒通过所述加料口加入所述水平式回转炉内，所述液态电解质从所述出料口排出，获得纯度≥95%的液态电解质直接返回电解槽使用或直接冷却备用。
3.根据权利要求2所述的铝电解碳渣热处理方法，其特征在于：在所述除铁碳渣颗粒中的电解质完全转化为所述液态电解质的过程中，通过向所述水平式回转炉内通入燃料和空气的混合气体，控制所述水平式回转炉内的含氧量维持在2%-20%。
4.根据权利要求3所述的铝电解碳渣热处理方法，其特征在于：所述水平式回转炉内的含氧量维持在5%-15%。
5. 根据权利要求2或3或4所述的铝电解碳渣热处理方法，其特征在于：所述除铁碳渣颗粒主要通过采用除铁器对铝电解质碳渣原料颗粒进行除铁处理获得，其中，所述铝电解质碳渣原料颗粒的粒径小于等于150 mm，且所述铝电解质碳渣原料颗粒总重量的10%-20%的粒径为10-20 mm。
6. 根据权利要求5所述的铝电解碳渣热处理方法，其特征在于：每次向所述热处理炉加入的所述除铁碳渣颗粒为所述水平式回转炉体容积的20%-40%，且所述铝电解质碳渣原料颗粒中的固态碳的含量为20%-50%，所述水平式回转炉以10-50 ℃/h将所述除铁碳渣颗粒加热至1000-1400℃，并保温0.5-5 h，使所述除铁碳渣颗粒中的电解质转化为所述液态电解质的同时，所述除铁碳渣颗粒中95%以上的固体碳充分燃烧。
7.根据权利要求6所述的铝电解碳渣热处理方法，其特征在于：所述除铁碳渣颗粒的加热温度1000-1200℃。
8. 根据权利要求7所述的铝电解碳渣热处理方法，其特征在于：所述保温时间为1-3h。
9.根据权利要求3所述的铝电解碳渣热处理方法，其特征在于：所述燃料为天然气、液化石油气或水煤气。
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