無(wú)害化處理鋁電解廢陰極炭塊技術(shù)分析及應(yīng)用現(xiàn)狀

董 旋 張鴻儒 李 明

（中電投寧夏能源鋁業(yè)青鑫炭素有限公司，寧夏 吳忠 751603）

隨著這些年我國(guó)環(huán)保力度逐漸增大，鋁電解廢陰極無(wú)害化處理研究成為了研究重點(diǎn)，這也是作為一個(gè)有擔(dān)當(dāng)企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。鋁電解廢陰極無(wú)害化處理也符合資源重復(fù)利用的基本要求，是當(dāng)前鋁企業(yè)研究的重點(diǎn)，這也符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的基本要求[1]。

1 主要廢陰極處理方法分析

廢槽襯的構(gòu)成比較復(fù)雜，涉及到的組件較多，如廢陰極碳?jí)K、廢陰極鋼棒等。就從廢槽襯構(gòu)成層面分析，廢陰極炭塊占整個(gè)重量百分比的35%。陰極在鋁電解生產(chǎn)時(shí)會(huì)與鋁液直接接觸，因此氟化物和氰化物會(huì)存在于廢陰極炭塊中，而其中的耐火材料處于下部，氟化物的含量相對(duì)較低，廢陰極鋼棒占重量百分比的15%，回收簡(jiǎn)單。從結(jié)構(gòu)構(gòu)成上來(lái)看，廢槽主要污染源就是廢陰極。鋁電解廢陰極無(wú)害化處理主要表現(xiàn)在無(wú)害化處理和回收利用兩個(gè)層面，這也就是說(shuō)在將廢陰極氟化物和氰化物等無(wú)害化處理的同時(shí)，還需要對(duì)處理過(guò)程中的物質(zhì)進(jìn)行有效的回收和利用[2]。就目前技術(shù)水平而言，廢陰極技術(shù)處理主要有以下幾種方法：耐腐蝕物質(zhì)采用熱處理方法；氟化物、氰化物等采用化學(xué)浸出法；依據(jù)物質(zhì)物理性質(zhì)（如溶解性、密度等）實(shí)現(xiàn)碳與氟化物的分離。鋁電解廢陰極處理技術(shù)主要有兩種，即火法和濕法，所謂的火法就是利用高溫來(lái)將有害物質(zhì)進(jìn)行分解，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理，如冶金爐、回轉(zhuǎn)窯等；而濕法處理技術(shù)則是利用物質(zhì)物理原理實(shí)現(xiàn)有害物質(zhì)的分離，如浮選法。對(duì)分離得到的氟化物可以回收利用，通過(guò)氧化物的加入來(lái)分解氰化物，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理。

1.1 火法處理技術(shù)

粉碎廢陰極炭塊，在高溫條件下，存在于廢陰極炭塊的氟化物會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)生的產(chǎn)物為無(wú)害物質(zhì)。當(dāng)溫度大于700℃條件下，氰化物會(huì)完全分解，同時(shí)在高溫條件下，廢陰極中的炭也會(huì)完全燃燒，這樣還能節(jié)省能源[3]。廢陰極火法處理過(guò)程較為復(fù)雜，其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理還有待完善，有害物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

其具體流程如下：（1）破碎。將廢陰極炭塊在無(wú)害化車間破碎后，用密閉車將其運(yùn)至進(jìn)料區(qū)，之后用天車抓斗送至冶煉爐內(nèi)；（2）裝爐。在冶煉爐爐底鋪設(shè)一層無(wú)煙煤，鋪設(shè)至指定高度后將粉碎的廢陰極炭塊鋪上；待炭塊鋪設(shè)到工藝要求高度之后，再鋪設(shè)一層無(wú)煙煤，上述鋪設(shè)作業(yè)完成后，將爐蓋蓋好，保證冶煉爐處于全封閉狀態(tài)；（3）冶煉。待確認(rèn)冶煉爐處于全封閉狀態(tài)后開始送電[4]。冶煉爐電源兩端鏈接的就是爐體的石墨電極。因?yàn)殛帢O炭塊電阻小，因此在送電后就會(huì)發(fā)熱。在持續(xù)通電條件下，溫度越來(lái)越高，溫度達(dá)到1700℃時(shí)，廢陰極炭塊中的氰化物就會(huì)以氣體的形式釋放出來(lái)，釋放出來(lái)的氣體則會(huì)經(jīng)炭塊進(jìn)入到透氣孔，之后進(jìn)入到冷凝區(qū)域，在水套冷凝作用下，氰化物氣體會(huì)轉(zhuǎn)化成粉狀結(jié)晶狀態(tài)，這也標(biāo)志著冶煉作業(yè)結(jié)束[5]；（4）冷卻。冶煉作業(yè)結(jié)束后，所得產(chǎn)品的溫度還是比較高的，因此必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷卻處理。一般情況下會(huì)使用噴水冷卻方法；（5）出料。出料主要由爐槽內(nèi)碳?jí)K和無(wú)煙煤兩個(gè)部分。首先利用抓斗將上部的無(wú)煙煤抓取，其次將炭塊和緊貼炭塊的無(wú)煙煤抓取到烘干機(jī)中烘干，烘干后通過(guò)篩分機(jī)分離；（6）尾氣處理。無(wú)煙煤在冶煉過(guò)程中因受熱會(huì)揮發(fā)出尾氣，這些尾氣可以經(jīng)冷卻后通過(guò)管道輸送至尾氣凈化處理系統(tǒng)中。利用尾氣凈化處理系統(tǒng)可以將尾氣中含有的少量氰化物處理掉。

1.2 濕法處理技術(shù)

首先介紹高溫水解法。所謂的高溫水解法就是在1200℃高溫條件下，對(duì)廢陰極材料進(jìn)行燃燒，在燃燒過(guò)程中將水蒸氣通入其中。通入其中的水蒸氣會(huì)同氟鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物為氣體氟化氫，經(jīng)過(guò)這一過(guò)程，廢陰極中的氰化物會(huì)被分解[6]。另外可以用水來(lái)吸收產(chǎn)生的氟化氫，進(jìn)而得到氫氟酸水溶液，為其他化學(xué)反應(yīng)提供原材料。高溫水解法中涉及的化學(xué)反應(yīng)主要有：

其次，浮選處理方法。通過(guò)利用偏光顯微鏡對(duì)廢陰極炭塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)NaF、NaAIF6、AI2O3會(huì)浸入到炭塊的裂縫與孔洞中，且這些浸入物質(zhì)與炭之間有較為明顯的界面，利用物質(zhì)特性可以將兩者分離開來(lái)。所謂的浮選法其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)利用浮選劑來(lái)實(shí)現(xiàn)料漿物質(zhì)分離的一種物理方法。具體步驟如下：把廢陰極材料進(jìn)行粉料，調(diào)漿后移至浮選機(jī)內(nèi)，將浮選劑加入其中并進(jìn)行反復(fù)的浮選，之后就會(huì)得到碳和固體電解質(zhì)[7]。表1 為濕法炭粉成分分析結(jié)果。

表1 濕法炭粉成分分析結(jié)果

2 廢陰極炭塊火法處理技術(shù)與濕法處理技術(shù)對(duì)比分析

就目前技術(shù)水平而言，廢陰極炭塊火法技術(shù)處理法中回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法使用較多，這種處理技術(shù)在鋁企業(yè)中應(yīng)用廣泛。如某鋁企業(yè)建設(shè)了一條火法廢槽襯無(wú)害化處理工業(yè)線，其中廢陰極可溶氟化物轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%，氰化物的轉(zhuǎn)化率在99%以上，這條工業(yè)線的轉(zhuǎn)化處理結(jié)果符合國(guó)家固體廢物排放標(biāo)準(zhǔn)。

廢陰極濕法處理技術(shù)中應(yīng)用較多的就是浮選法。通過(guò)上述闡述可知，浮選法可以對(duì)廢陰極炭塊中存在的氟化物、氰化物進(jìn)行無(wú)害化處理，且過(guò)程中的廢水可以循環(huán)化利用，產(chǎn)物品質(zhì)較為穩(wěn)定，但是所得到的物質(zhì)利用價(jià)值還有待研究[8]。

通過(guò)對(duì)表2 分析可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是火法處理技術(shù)還是濕法處理技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化處理，且相關(guān)技術(shù)指標(biāo)都符合國(guó)家有關(guān)要求[9]。從能耗角度分析，廢陰極火法處理技術(shù)耗能高，這就體現(xiàn)出濕法處理技術(shù)的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)；從資源綜合利用角度分析，廢陰極火法處理技術(shù)對(duì)資源的利用效率較濕法處理技術(shù)相比較低，鑒于上述分析，廢陰極炭塊濕法處理技術(shù)應(yīng)用更加符合當(dāng)前實(shí)際，但是值得注意的是，利用浮選法所得到的碳產(chǎn)品含量最高為85%，不符合工業(yè)化生產(chǎn)使用要求，在今后的工作中需要進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究，優(yōu)化提純工藝。

表2 是火法和濕法處理技術(shù)的對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，關(guān)于鋁電解廢陰極炭塊的無(wú)害化處理研究越來(lái)越多，越來(lái)越深入，且在實(shí)踐中也得到了一定的應(yīng)用，取得了一定的成績(jī)，無(wú)論是火法處理技術(shù)還是濕法處理技術(shù)在我國(guó)鋁企業(yè)中都得到了應(yīng)用，都是比較先進(jìn)的處理技術(shù)，通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，這兩種處理技術(shù)的應(yīng)用都實(shí)現(xiàn)了廢陰極炭塊氰化物的完全費(fèi)解。其中火法處理技術(shù)是無(wú)害化處理氰化物，而濕法處理技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了氰化物的回收利用，符合資源循環(huán)的利用要求，但是受到某些技術(shù)因素的限制，濕法處理技術(shù)所得到的產(chǎn)品應(yīng)用范圍還有待商榷，因此在今后的研究中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入研究廢陰極炭塊處理方法。