浮選法鋁電解炭渣的回收利用研究

2024年2月17日發(作者：藝術節主持詞)

浮選法鋁電解炭渣的回收利用研究

摘要：本文介紹了電解鋁行業的炭渣治理現狀及各工藝的優缺點，介紹了浮選法在電解鋁炭渣治理的應用。該方案處理效果優良，實現炭渣無害化處理。

關鍵詞：炭渣 電解鋁 無害化處理

電解鋁生產過程中，未充分燃燒、未完全氧化、鋁液和電解質的侵蝕和沖刷等影響[1]造成的陽極顆粒進入電解質溶液中形成炭渣，對鋁電解效率有較大影響，需定期撈出。渣中含氧化鋁、氟化鹽及少量炭渣，不清理炭渣會導致電解質液的電阻率增加，在電壓恒定的情況下，極距減小，使得電解質與鋁液界面上鋁的二次溶解加速損失，最終導致電流效率降低[2]。

對照《國家危險廢物名錄》(2021年版），電解鋁撈炭渣為危險固體廢物(危廢代碼為 HW48有色金屬冶煉廢物321-025-48電解鋁生產過程中產生的炭渣）。電解槽撈出的炭渣放置在渣箱中，然后把渣箱放入殘極冷卻箱內冷卻，冷卻后送危廢暫存間暫存，定期運往陽極組裝車間內的炭渣處理工段處理。根據危廢管理制度，危險廢物禁止隨意棄置或露天堆存，要求在電解鋁企業廠內進行無害化處理或者委托具有危險廢物處理資質的單位進行處理。

根據《電解鋁固體廢棄物的環境危害及處理技術研究現狀》，撈炭渣主要成分是以冰晶石為主的鈉鋁氟化物、氧化鋁和碳，某鋁廠的炭渣化學元素分析結果中顯示其中主要成分氟含量約32.26%、碳含量約19.68%、鈉含量約16.34%、鋁含量約12.91%[3]。

1 炭渣處理工藝

目前我國炭渣的處理工藝主要有浮選法、焙燒法、真空冶煉法和流化床等[2]。

1.1 工藝原理

炭渣浮選法的處理原理是炭渣加水磨細至適量的濃度和粒度后，加入浮選藥劑混合均勻，然后進入浮選機并導入空氣形成氣泡[4]。炭粉隨氣泡上浮至礦漿上面形成泡沫刮出棄之，電解質自浮選槽底流排出，從而實現炭渣中炭粉與電解質分離的目的[5]。

炭渣焙燒法的基本原理是炭渣在一定溫度下焙燒，使炭渣中的炭、氫等可燃物充分燃燒，所得焙燒產物即為電解質，從而實現炭渣中電解質與炭分離的目的[8-9]。

真空冶煉法處理炭渣是在真空爐中將炭渣進行分離處理，利用電解質在高溫下的易揮發特性，使電解質在真空爐上部冷卻凝結，炭留在底部，從而達到分離的目的。柴登鵬等[10]進行了炭渣真空冶煉分離的探索性研究，主要考察了真空度、溫度、原料粒度和反應時間對電解質分離效果的影響。在最優工藝試驗條件下，電解質的分離率在83%以上，殘余炭渣中的碳含量在74%以上。

流化床處理炭渣是利用流化床燃燒效率高、燃燒強度高的優點，更高效地回收炭渣中的電解質。周峻宇等[11]對利用鼓泡流化床技術建立了鼓泡流化床冷態實驗模型，對流化床技術處理炭渣的各項參數進行了研究，同時搭建了流化床熱態模型并對熱態過程進行了研究。得出了565-734℃理想溫度區間以及流化床的初始床高、炭渣粒度、流化速度等參數對分離效果的影響。在熱態實驗中，電解炭渣中的碳最多只能處理掉66.3%。可見，流化床技術處理炭渣距離工業化應用仍有很大距離，需進一步深入研究。

1.2 技術比較

各技術的優缺點見下表：

表1炭渣處理工藝優缺點

工藝名稱

優點

缺點

浮選法

處理成本較低，自動化程度高，職業衛生環境好

電解質回收率低，回收電解質含碳量高；產生廢水需另外處理

焙燒法

回收電解質純度高

焙燒時間長，效率低下，不適合于大規模炭渣處理，自動化程度低，職業衛生環境差

真空冶煉法

回收電解質純度高

尚處于研究階段，成本未知

流化床法

處理效率較高

尚處于研究階段，回收純度低，碳處理效率不高

2 炭渣浮選技術應用

研究項目是以鋁精深加工為主體、擁有煤電鋁全產業鏈的大型現代化國際企業。該項目采用浮選技術對廢炭渣進行處理，利用廢炭渣中的主要成分碳和電解質的疏水性的差異對二者進行分離回收，對項目產生的炭渣進行無害化處理和綜合利用。由于碳具有很強的天然疏水性而電解質親水，因此采用浮選工藝對廢炭渣進行處理是可行的，該工藝在河南中孚及山東魏橋等電解鋁企業均得到成功應用。

炭渣運至處理工段后，由鏟車送入料倉內，通過給料機進入破碎機破碎，破碎后物料經斗式提升機提升至粉料倉，后由定量皮帶給料機運輸至球磨機進行磨碎，球磨機磨頭與磨尾分別添加循環水。磨碎后的漿料經漿泵輸送到三元振動篩進行分離，三元振動篩為雙層篩，上層篩孔1mm，下層篩孔60目，三元振動篩第

二層篩篩下的100%-60 目礦漿進入浮選系統，第二層篩篩上+60 目礦漿返回球磨機頭部進行二次磨碎，第一層篩篩上為炭渣中含的廢鋁片，用鐵桶收集后打包。

浮選采用無傳動浮選技術，經過一粗兩精一掃浮選分級得到電解質礦漿與碳粉礦漿。浮選分級后的電解質礦漿與碳粉礦漿分別由泵輸送至濃密機進行濃縮，

濃密機底高濃度料漿用渣漿泵輸送至過濾工段的板框壓濾機進行二次脫水，分別得到脫水后的電解質濾餅與碳粉濾餅。

經由板框壓濾機二次脫水后得到電解質濾餅，由板框壓濾機下皮帶輸送機送至烘干熱風爐進行烘干，烘干熱風爐以天然氣為燃料，采用熱風循環間接加熱烘干方式，電解質干燥溫度約 300℃，物料干燥后水分＜3%，烘干后的電解質收集后裝包后在廠房內暫存，全部返回電解生產系統使用。經由板框壓濾機二次脫水后得到碳粉濾餅收集打包后在碳粉堆放區暫存后外賣炭素生產企業綜合利用，最大堆存期約為 5~7 天，由汽車定期外運。

炭渣處理工藝流程及主要產污環節見圖1。

圖 1 炭渣處理工藝流程及主要產污環節圖

3 炭渣污染處理

本項目炭渣產生量約為2500t/a,炭渣中氟按32.26%計,約806.5t/a，經炭渣處理工段處理后分離出的碳粉（占比約35%）約 865t/a（經鑒定不屬于危險廢物）

經壓濾機壓濾后外賣水泥廠綜合利用；炭渣經處理后分離出的電解質主要成分為鈉鋁氟化物、氧化鋁和碳，其中主要成分氟含量約46.24%、鋁含量約29.85%、碳含量約12.30%、鈉含量約11.78%、鈣含量約1.0%;炭渣經處理后分離出的碳粉主要成分為碳，其中主要成分碳含量約83.81%、氟鋁含量約6.61%、鋁含量約4.26%、鈉含量約3.37%、鈣含量約0.84%。撈炭渣處理過程分離出的電解質全部回用于電解過程，分離出的電解質約 1625t/a 經壓濾和烘干后裝包，全部返回覆蓋料料倉；廢鋁片約 9t/a，返回電解槽。

炭渣回收系統采用的浮選工藝，浮選藥劑為為捕收劑柴油、抑制劑水玻璃和起泡劑二號油。球磨、浮選過程用水量約為600m3/d，新水和選礦回水在磨礦時加入，碳渣內含有含氟電解質，主要成分為氧化鋁、冰晶石、氟化鋁、氟化鈣等氟化物，浮選過程中微量氟化物發生溶解，而氟離子對冰晶石的浮選有抑制作用，有利于碳與電解質的分離，廢水可循環至球磨機重復利用。濃密機溢流清水與板框壓濾機濾液流至循環水池循環使用，循環水池中的循環水由循環水泵輸送至磨頭、磨尾等用水點進行循環使用，不外排，廢水中主要含氟、石油類。根據監測單位對炭渣處理生產線循環水池水質檢測結果，循環水主要水質情況滿足浮選水質需求。

炭渣處理系統破碎、球磨機加料及原料儲運過程中產生粉塵，設置1套布袋除塵器對炭渣儲運、破碎、球磨等過程產生的粉塵進行捕集凈化處理。破碎機、球磨機為密閉式，入口及出料口設置捕集罩;皮帶機為密閉，其上料、下料點設置捕集罩;料倉生產過程產生的粉塵由倉頂收集管道收集,粉塵綜合收集率為95%，除塵系統風量為15000m3/h，平均產生濃度約1200mg/m3，粉塵捕集后進入袋式除塵系統處理，凈化效率99.5%，廢氣經凈化處理后由20m高排氣筒達標排放。炭渣處理系統壓濾后需進行烘干，烘干熱源為天然氣，天然氣消耗量約2000m3/d，煙塵、SO2、NOx產生濃度分別約為150mg/m3、60mg/m3、130mg/m3;另外，浮選過程中部分浮選油進入電解質，在烘干過程中會有少量浮選油揮發進入廢氣，非甲烷總涇產生濃度約為8mg/m3。設置1套布袋除塵器對電解質烘干及成品儲運等過程產生的廢氣進行捕集凈化處理。烘干熱風爐為密閉式，出料口設置捕集罩;皮帶機為密閉，其上料、下料點設置捕集罩，成品暫存倉生產過程產生的粉塵由倉頂收集管道收集，粉塵收集率為97%，除塵系統風量為10000m3/h，顆粒物凈化效

率≥95%，廢氣經凈化處理后經20m高排氣筒排放。項目各產塵環節排放的顆粒物滿足《鋁工業污染物排放標準》(GB25465-2010)及修改單中特別排放限值（10mg/m3)。

4 小結

炭渣浮選技術是目前最適合大型鋁電解企業的處理技術，可處理大量炭渣，通過增加廢水處理、廢氣處理等工藝，進一步完善炭渣處理工藝。在今后的研究中，加強余熱回收，提高熱效率，改進技術，設備更新等，為提高處理效率努力。

參考文獻

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[3]申士富,王金玲,牛慶仁,賀華,葉力佳,駱有發. 電解鋁固體廢棄物的環境危害及處理技術研究現狀[R].尾礦綜合利用產業技術創新戰略聯盟成立大會暨中國尾礦綜合利用產業發展高層論壇。2010.03.01

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[10]柴登鵬，候光輝，黃海波﹒真空冶金法處理鋁電解碳渣試驗研究[J]輕金屬，2016，第4期，25-27.

[11]周峻宇﹒鼓泡流化床技木處理鋁電解碳渣研究[D],重慶:重慶大學，2015.

作者簡介：彭香瓊(1987-)女，漢族，四川廣元，大學本科，工程師，主要從事環境影響評價工作