浮选法铝电解炭渣的回收利用研究

2024年2月17日发(作者：艺术节主持词)

浮选法铝电解炭渣的回收利用研究

摘要：本文介绍了电解铝行业的炭渣治理现状及各工艺的优缺点，介绍了浮选法在电解铝炭渣治理的应用。该方案处理效果优良，实现炭渣无害化处理。

关键词：炭渣 电解铝 无害化处理

电解铝生产过程中，未充分燃烧、未完全氧化、铝液和电解质的侵蚀和冲刷等影响[1]造成的阳极颗粒进入电解质溶液中形成炭渣，对铝电解效率有较大影响，需定期捞出。渣中含氧化铝、氟化盐及少量炭渣，不清理炭渣会导致电解质液的电阻率增加，在电压恒定的情况下，极距减小，使得电解质与铝液界面上铝的二次溶解加速损失，最终导致电流效率降低[2]。

对照《国家危险废物名录》(2021年版），电解铝捞炭渣为危险固体废物(危废代码为 HW48有色金属冶炼废物321-025-48电解铝生产过程中产生的炭渣）。电解槽捞出的炭渣放置在渣箱中，然后把渣箱放入残极冷却箱内冷却，冷却后送危废暂存间暂存，定期运往阳极组装车间内的炭渣处理工段处理。根据危废管理制度，危险废物禁止随意弃置或露天堆存，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进行处理。

根据《电解铝固体废弃物的环境危害及处理技术研究现状》，捞炭渣主要成分是以冰晶石为主的钠铝氟化物、氧化铝和碳，某铝厂的炭渣化学元素分析结果中显示其中主要成分氟含量约32.26%、碳含量约19.68%、钠含量约16.34%、铝含量约12.91%[3]。

1 炭渣处理工艺

目前我国炭渣的处理工艺主要有浮选法、焙烧法、真空冶炼法和流化床等[2]。

1.1 工艺原理

炭渣浮选法的处理原理是炭渣加水磨细至适量的浓度和粒度后，加入浮选药剂混合均匀，然后进入浮选机并导入空气形成气泡[4]。炭粉随气泡上浮至矿浆上面形成泡沫刮出弃之，电解质自浮选槽底流排出，从而实现炭渣中炭粉与电解质分离的目的[5]。

炭渣焙烧法的基本原理是炭渣在一定温度下焙烧，使炭渣中的炭、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炭分离的目的[8-9]。

真空冶炼法处理炭渣是在真空炉中将炭渣进行分离处理，利用电解质在高温下的易挥发特性，使电解质在真空炉上部冷却凝结，炭留在底部，从而达到分离的目的。柴登鹏等[10]进行了炭渣真空冶炼分离的探索性研究，主要考察了真空度、温度、原料粒度和反应时间对电解质分离效果的影响。在最优工艺试验条件下，电解质的分离率在83%以上，残余炭渣中的碳含量在74%以上。

流化床处理炭渣是利用流化床燃烧效率高、燃烧强度高的优点，更高效地回收炭渣中的电解质。周峻宇等[11]对利用鼓泡流化床技术建立了鼓泡流化床冷态实验模型，对流化床技术处理炭渣的各项参数进行了研究，同时搭建了流化床热态模型并对热态过程进行了研究。得出了565-734℃理想温度区间以及流化床的初始床高、炭渣粒度、流化速度等参数对分离效果的影响。在热态实验中，电解炭渣中的碳最多只能处理掉66.3%。可见，流化床技术处理炭渣距离工业化应用仍有很大距离，需进一步深入研究。

1.2 技术比较

各技术的优缺点见下表：

表1炭渣处理工艺优缺点

工艺名称

优点

缺点

浮选法

处理成本较低，自动化程度高，职业卫生环境好

电解质回收率低，回收电解质含碳量高；产生废水需另外处理

焙烧法

回收电解质纯度高

焙烧时间长，效率低下，不适合于大规模炭渣处理，自动化程度低，职业卫生环境差

真空冶炼法

回收电解质纯度高

尚处于研究阶段，成本未知

流化床法

处理效率较高

尚处于研究阶段，回收纯度低，碳处理效率不高

2 炭渣浮选技术应用

研究项目是以铝精深加工为主体、拥有煤电铝全产业链的大型现代化国际企业。该项目采用浮选技术对废炭渣进行处理，利用废炭渣中的主要成分碳和电解质的疏水性的差异对二者进行分离回收，对项目产生的炭渣进行无害化处理和综合利用。由于碳具有很强的天然疏水性而电解质亲水，因此采用浮选工艺对废炭渣进行处理是可行的，该工艺在河南中孚及山东魏桥等电解铝企业均得到成功应用。

炭渣运至处理工段后，由铲车送入料仓内，通过给料机进入破碎机破碎，破碎后物料经斗式提升机提升至粉料仓，后由定量皮带给料机运输至球磨机进行磨碎，球磨机磨头与磨尾分别添加循环水。磨碎后的浆料经浆泵输送到三元振动筛进行分离，三元振动筛为双层筛，上层筛孔1mm，下层筛孔60目，三元振动筛第

二层筛筛下的100%-60 目矿浆进入浮选系统，第二层筛筛上+60 目矿浆返回球磨机头部进行二次磨碎，第一层筛筛上为炭渣中含的废铝片，用铁桶收集后打包。

浮选采用无传动浮选技术，经过一粗两精一扫浮选分级得到电解质矿浆与碳粉矿浆。浮选分级后的电解质矿浆与碳粉矿浆分别由泵输送至浓密机进行浓缩，

浓密机底高浓度料浆用渣浆泵输送至过滤工段的板框压滤机进行二次脱水，分别得到脱水后的电解质滤饼与碳粉滤饼。

经由板框压滤机二次脱水后得到电解质滤饼，由板框压滤机下皮带输送机送至烘干热风炉进行烘干，烘干热风炉以天然气为燃料，采用热风循环间接加热烘干方式，电解质干燥温度约 300℃，物料干燥后水分＜3%，烘干后的电解质收集后装包后在厂房内暂存，全部返回电解生产系统使用。经由板框压滤机二次脱水后得到碳粉滤饼收集打包后在碳粉堆放区暂存后外卖炭素生产企业综合利用，最大堆存期约为 5~7 天，由汽车定期外运。

炭渣处理工艺流程及主要产污环节见图1。

图 1 炭渣处理工艺流程及主要产污环节图

3 炭渣污染处理

本项目炭渣产生量约为2500t/a,炭渣中氟按32.26%计,约806.5t/a，经炭渣处理工段处理后分离出的碳粉（占比约35%）约 865t/a（经鉴定不属于危险废物）

经压滤机压滤后外卖水泥厂综合利用；炭渣经处理后分离出的电解质主要成分为钠铝氟化物、氧化铝和碳，其中主要成分氟含量约46.24%、铝含量约29.85%、碳含量约12.30%、钠含量约11.78%、钙含量约1.0%;炭渣经处理后分离出的碳粉主要成分为碳，其中主要成分碳含量约83.81%、氟铝含量约6.61%、铝含量约4.26%、钠含量约3.37%、钙含量约0.84%。捞炭渣处理过程分离出的电解质全部回用于电解过程，分离出的电解质约 1625t/a 经压滤和烘干后装包，全部返回覆盖料料仓；废铝片约 9t/a，返回电解槽。

炭渣回收系统采用的浮选工艺，浮选药剂为为捕收剂柴油、抑制剂水玻璃和起泡剂二号油。球磨、浮选过程用水量约为600m3/d，新水和选矿回水在磨矿时加入，碳渣内含有含氟电解质，主要成分为氧化铝、冰晶石、氟化铝、氟化钙等氟化物，浮选过程中微量氟化物发生溶解，而氟离子对冰晶石的浮选有抑制作用，有利于碳与电解质的分离，废水可循环至球磨机重复利用。浓密机溢流清水与板框压滤机滤液流至循环水池循环使用，循环水池中的循环水由循环水泵输送至磨头、磨尾等用水点进行循环使用，不外排，废水中主要含氟、石油类。根据监测单位对炭渣处理生产线循环水池水质检测结果，循环水主要水质情况满足浮选水质需求。

炭渣处理系统破碎、球磨机加料及原料储运过程中产生粉尘，设置1套布袋除尘器对炭渣储运、破碎、球磨等过程产生的粉尘进行捕集净化处理。破碎机、球磨机为密闭式，入口及出料口设置捕集罩;皮带机为密闭，其上料、下料点设置捕集罩;料仓生产过程产生的粉尘由仓顶收集管道收集,粉尘综合收集率为95%，除尘系统风量为15000m3/h，平均产生浓度约1200mg/m3，粉尘捕集后进入袋式除尘系统处理，净化效率99.5%，废气经净化处理后由20m高排气筒达标排放。炭渣处理系统压滤后需进行烘干，烘干热源为天然气，天然气消耗量约2000m3/d，烟尘、SO2、NOx产生浓度分别约为150mg/m3、60mg/m3、130mg/m3;另外，浮选过程中部分浮选油进入电解质，在烘干过程中会有少量浮选油挥发进入废气，非甲烷总泾产生浓度约为8mg/m3。设置1套布袋除尘器对电解质烘干及成品储运等过程产生的废气进行捕集净化处理。烘干热风炉为密闭式，出料口设置捕集罩;皮带机为密闭，其上料、下料点设置捕集罩，成品暂存仓生产过程产生的粉尘由仓顶收集管道收集，粉尘收集率为97%，除尘系统风量为10000m3/h，颗粒物净化效

率≥95%，废气经净化处理后经20m高排气筒排放。项目各产尘环节排放的颗粒物满足《铝工业污染物排放标准》(GB25465-2010)及修改单中特别排放限值（10mg/m3)。

4 小结

炭渣浮选技术是目前最适合大型铝电解企业的处理技术，可处理大量炭渣，通过增加废水处理、废气处理等工艺，进一步完善炭渣处理工艺。在今后的研究中，加强余热回收，提高热效率，改进技术，设备更新等，为提高处理效率努力。

参考文献

[1]刘军祥,于庆波,谢华清等﹒冶金渣颗粒余热回收的实验研究[J].东北大学学报(自然科学版),2014,35(2):245-248.

[2] 张亚楠，柴登鹏，周云峰，汪艳芳，白卫国，侯光辉. 铝电解炭渣资源化综合利用研究现状[J].世界有色金属,2018,4:1-5.

[3]申士富,王金玲,牛庆仁,贺华,叶力佳,骆有发. 电解铝固体废弃物的环境危害及处理技术研究现状[R].尾矿综合利用产业技术创新战略联盟成立大会暨中国尾矿综合利用产业发展高层论坛。2010.03.01

[4]康宁.铝电解碳渣的浮选[J].轻金属，2002(6)，42—44.

[5]侯新.铝电解炭渣回收利用技木[J].兰州工业高等专科学校学报，2002,9(4),39-43.

[6]薛伍芹，侯新﹒铝电解炭渣回收利用技木[J].世界有色金属，2002,( 8)，35-38.

[7]卢惠民，邱竹贤.铝电解槽炭渣的综合利用研究[J].矿产综合利用，1997(2):45-47.

[8]陈喜平,赵淋，罗钟生.回收铝电解炭渣中电解质的研究[J].轻金属，2009，(12)，21-25& 37.

[9]赵瑞敏，于站良，李顺华﹒铝电解炭渣回收利用实验研究[J]云南冶金，2015,44(1)，15-18.

[10]柴登鹏，候光辉，黄海波﹒真空冶金法处理铝电解碳渣试验研究[J]轻金属，2016，第4期，25-27.

[11]周峻宇﹒鼓泡流化床技木处理铝电解碳渣研究[D],重庆:重庆大学，2015.

作者简介：彭香琼(1987-)女，汉族，四川广元，大学本科，工程师，主要从事环境影响评价工作