电解铝废阴极碳块资源化处理

随着电解铝产量的增加, 企业产生的固体废弃物, 如废炭素材料、 废耐火砖、 废保温砖、 废保温炉渣等的产量日益增加。 通常情况下, 每生产 1 万 t 电解铝将产生 100 t 废炭素材料、 80t 废耐火材料以及一定数量的废保温材料 。 目前我国电解铝行业废槽衬累计排放量达 300 多万 t, 而且以每年 25 万 t ~ 30 万 t 的排放速度增加。

废槽衬除含有约 35% 的炭质材料、30% 的耐火材料外 , 还含有约 30% 对环境会直接造成影响的氟化物。 通常情况下, 每生产 1t 原铝约排放 30 ~ 50 kg 废槽衬。 

1.2 危害

电解铝固体废弃物中含有大量有害物质, 对周围环境的影响较大, 而且堆放占用了大量土地。根据铝电解槽中阴极炭素材料及耐火材料的破损机理分析, 由于热作用、 化学作用、 机械冲蚀作用、 电作用、 钠和电解质的渗透等引起的熔盐反应和化学反应, 废炭素材料一般含有 NaF、 AlF3、Na3AlF6、 Al2O3 和 Na2CO3 等, 其中 NaF、 AlF3 和Na3AlF6 中的 F- 容易溶出, 从而对环境造成严重危害。 F- 可通过土壤、 地下水或空气等途径对动植物及人体产生较大损害。 研究表明, 电解铝固体废弃物混合样浸出液中 F- 浓度达 1808mg/L,大大超出国家排放标准。 中国铝厂大多采用露天堆放或直接土壤填埋 , 不仅污染大气, 可溶氟化物还会随雨水流入江河, 渗入地下污染土壤和水源,对周围生态环境、 人类健康和动植物生长造成极大危害。

2 固体废弃物的资源化处理

2.1 固体废弃物中有价资源及其物料性质

电解铝固体废弃物中废阴极炭素材料有价资源丰富, 利用价值较高。

某公司已建成年处理 4000 t 电解铝废阴极碳块项目, 其废阴极炭素材料主要包括: 废 35% 石墨质阴极炭块和废 50%石墨质阴极炭块。 试验样 品 1 的 烧 失 量 为 58.56%, 样 品 2 的 烧 失 量 为67.82%; 主要成分为 C、 NaF、 冰晶石和 CaF2 等。其它物料相主要是富铝相、 富铁相和富硅酸盐相。样品中矿物相间互相嵌布紧密, 互含普遍, 矿物相的嵌布粒度在数十纳米至几十微米之间; 碳的石墨化程度较高, 但是层状石墨的结晶只有几十纳米至几微米。 富碳相中杂质和电解质组分含量高, 并且分布粒度很细。

2.2 处理工艺

固体废弃物的资源化处理, 首先要遵循“ 减量化、 资源化、 无害化” 原则, 主要考虑的是就地消化, 尽可能地合理利用, 化害为利, 同时要采取防护措施, 减少它们对环境的污染。

工艺方案为破碎 - 磨矿 - 水浸 - 浮选 - 蒸发结晶 -酸浸 - 石灰中和 - 酸雾气体吸收工艺后, 电解铝废阴极碳块经综合回收后得到碳精粉、 氟化钠和硫酸钙渣产品。 其尾渣可用于作为水泥生料的原料,提供生产水泥所需的碳、 硅和铝等。

该废阴极炭素材料无害化处理技术, 在无害化利用的基础上, 最大限度回收废炭素材料中的有价资源, 该项目有价资源综合回收率达 90%;所回收的材料纯度达到较高水平, 可以高附加值利用制备新炭素材料等。

2.3 主要设备

( 1) 粉磨设备

磨矿采用 1 台高频振动磨 2MZG-600, 其设备是利用磨料介质的高频振动来撞击物料, 从而使物料磨碎, 适合磨碎摩擦系数小的物料; 设备振动频率高, 适合粉磨较高硬度的物料; 设备的磨料介质损耗小, 并且不需要高性能的耐磨介质,磨矿介质的成本较低。

( 2) 蒸发结晶设备

蒸发设备的热源由公司的余热供给, 温度140 ~ 160℃。 浮选精矿与浮选尾矿的滤液通过 1组 NDFC-2 蒸发结晶装置结晶出氟化钠产品。 首先通过输送泵进入蒸发 - 结晶设备的一效加热室入口处, 加热后到分离室进行气液分离。 一效浓缩完成后输送到二效继续蒸发, 二效蒸发完成的晶浆通过出料泵输送到离心机, 离心分离后的母液返回二效继续蒸发, 结晶固体氟化钠取出。

( 3) 过滤洗涤设备

根据物料性质, 过滤洗涤设备采用自动化程度高的 PGZ 型平板式全自动卸料离心机, 离心机和其它分离机械相比不仅能得到含湿量低的固相和高纯度的液相, 而且具有节省劳力, 减轻劳动强度, 改善劳动条件, 可连续运转、 自动遥控、操作安全可靠和占地面积小等优点。

( 4) 酸雾吸收设备

主厂房中振动磨机给料口及出料口、 浮选机、泵池、 酸浸搅拌槽、 离心机内会产生酸性气体,主要为氟化氢气体。 采用耐酸风机将这些酸性气体引入 1 台 BSG-2-20 酸雾吸收塔进行吸收, 此酸雾吸收塔净化效率高达 95%。

由于石灰中和过滤后水为碱性, 可作为酸雾吸收塔的吸收剂。 采用玻璃钢离心通风机将氟化氢气体通入酸雾吸收塔进行收集, 排放气体经酸雾吸收塔进行再次收集, 利用废碱液进行喷淋吸收, 中和后的液体返回浮选工艺流程, 作为循环液闭路循环。 酸雾吸收设备采用玻璃钢和聚乙烯材料制作, 喷淋采用双层填料, 两级喷淋, 使气液充分接触, 以提高净化效率。对主厂房中产生酸雾蒸汽的地方密封处理, 采用离心通风机将氟化氢气体通过酸雾吸收塔进行吸收, 利用废碱液进行喷淋吸收, 同时车间设机械排风屋顶通风机; 设备噪音采用隔音罩、 减震的方式及建筑隔音等措施。

2.5 工程应用效果

电解铝废阴极碳块工程项目已试车投产成功, 进入生产阶段。 竣工验收所得数据表明, 年生产能力达到 4000 t, 碳精粉中碳的回收率达到87.77%, 氟化钠中氟的回收率达到 83.41%。 该工艺在生产中的顺利应用, 不仅解决了电解铝固体废弃物的排放污染环境等问题, 推进了电解铝固体废弃物的无害化处理产业化进程, 取得了很好的经济效益。 可提高当地矿产资源综合回收利用水平, 实现了资源科学发展和可持续发展, 避免国家资源浪费。

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