王志謙，溫鐵軍，2，張洪濤，2

（1.伊電控股集團(tuán)有限公司；2.河南省鋁電解工程技術(shù)中心，河南 伊川 471300）

鋁電解槽生產(chǎn)中撈出的廢碳渣混合物--陽極碳渣，由碳粉、氟化鹽、少量金屬鋁和部分的雜質(zhì)組成。主要成分為：C、Na3AlF6、NaF、AlF3、CaF2、SiO2、Al2O3、MgF2、灰分等。成分復(fù)雜，含有可溶性的氟化物和微量的氰化物等有害物質(zhì)，易揮發(fā)進(jìn)入大氣，或滲入地下污染土壤和地下水，對動植物生長及人體產(chǎn)生很大損害，破壞生態(tài)環(huán)境，影響生態(tài)平衡。2016年8月1日起施行的新版《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中明確陽極碳渣等吸附氟化物屬危險(xiǎn)固廢。電解鋁碳渣中除了含有有害的元素外，還含有大量高附加值的物質(zhì)，主要有冰晶石和碳，再生冰晶石可作為電解生產(chǎn)熔融體原料補(bǔ)充的電解槽進(jìn)行生產(chǎn)使用，碳粉可以二次利用[2]。產(chǎn)品將變廢為寶，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。依靠科技進(jìn)步技術(shù)開展電解鋁碳渣的無害化處理技術(shù)及綜合利用研究、推廣實(shí)施，實(shí)現(xiàn)電解鋁行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

1 電解生產(chǎn)陽極碳渣的產(chǎn)生及危害

現(xiàn)代電解鋁陽極碳塊均采用預(yù)焙陽極工藝生產(chǎn)。電解鋁理論噸鋁碳陽極耗量為334kg，實(shí)際噸鋁消耗400kg～500kg，為主要消耗原料。陽極碳塊除承受0.7～0.94 A/cm2電解密度的強(qiáng)大直流電外，陽極碳塊隨著消耗需不斷下降高度，保持與電解槽內(nèi)鋁液界面4.5cm左右的極距。陽極碳塊始終有12～16cm高度浸在高溫熔融強(qiáng)腐蝕的電解質(zhì)熔液中，碳塊原料質(zhì)量和工作環(huán)境因素[3]，導(dǎo)致碳塊氧化脫落和剝離，碳粒進(jìn)入電解槽內(nèi)的電解質(zhì)中。產(chǎn)生了極大數(shù)量的陽極碳渣混合物。

1.1 碳渣形成因素

（1）由于預(yù)焙塊品質(zhì)因素，造成碳塊氧化從而產(chǎn)生碳渣。預(yù)焙碳塊是由石油焦、瀝青焦、瀝青通過破碎、煅燒、配料、混捏等工序燒制而成，原材料及工藝對碳塊質(zhì)量影響極大[4]。如：耐壓強(qiáng)度低、空隙度大、雜質(zhì)大、抗氧化性能差等，從而導(dǎo)致陽極的氧化和碳粒在陽極表面的脫落進(jìn)入電解質(zhì)中形成碳渣，有時(shí)會形成掉塊和裂縫，在電解質(zhì)的沖蝕和洗刷下，形成碳渣。由于碳塊質(zhì)量而引起的碳渣是生產(chǎn)中碳渣的主要原因。

（2）二次反應(yīng)生成游離的固態(tài)碳。鋁電解過程中的鋁的二次反應(yīng)，不僅降低電流效率，而且還溶解在電解質(zhì)溶液中的鋁將陽極氣體中的CO2和CO還原C，在電解質(zhì)溶液中形成細(xì)微的游離態(tài)碳渣。

1.2 電解質(zhì)中碳渣的危害

（1）鋁電解溶液中的碳渣，導(dǎo)致電解質(zhì)的電阻增大

鋁電解溶液中的碳渣，導(dǎo)致電解質(zhì)的電阻增大，鋁電解質(zhì)溶液中的碳渣含量達(dá)到1%時(shí)，電解質(zhì)導(dǎo)電率約降低11%，造成電解質(zhì)電壓降的升高，增加鋁電解生產(chǎn)的電能消耗；電阻的增大，引起電解質(zhì)溶液過熱，槽溫上升，產(chǎn)生熱槽病槽；鋁電解溶液中的碳渣多造成電阻增大，部分電流會直接通過碳渣進(jìn)入陰極或側(cè)部，形成側(cè)部漏電過熱甚至發(fā)生側(cè)部漏爐。

（2）鋁電解溶液中的碳渣，導(dǎo)致電解質(zhì)對氧化鋁的溶解能力差，增大噸鋁氧化鋁單耗，易形成電解槽爐底沉淀，影響電解正常生產(chǎn)。

1.3 碳渣的環(huán)保危害和處理要求

（1）電解鋁碳渣屬危險(xiǎn)廢物

《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中明確廢陰極、廢槽襯、鋁灰、碳渣等吸附氟化物屬危險(xiǎn)固廢。

表1 國家危險(xiǎn)廢物名錄

（2）傾倒危廢入刑和交稅

“兩高”對環(huán)保的司法解釋：“兩高”對非法排放、傾倒、處置危險(xiǎn)廢物三噸以上的認(rèn)定為“嚴(yán)重污染環(huán)境”行為，認(rèn)定為犯罪行為，并進(jìn)行處，最重可處死刑?！吨腥A人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》公布，每噸危險(xiǎn)廢物環(huán)保稅額1000元，每噸冶煉渣環(huán)保稅額為25元，2018年1月1日起施行。

（3）國家危廢處理后排放標(biāo)準(zhǔn)

表2 國家危廢處理后排放標(biāo)準(zhǔn)

2 陽極碳渣資源化處理技術(shù)

2.1 碳渣濕法浮選資源化利用技術(shù)

碳渣濕法綜合利用技術(shù)是利用碳渣中物質(zhì)不同成分的物理和化學(xué)性質(zhì)差異，通過浮選處理，使炭渣中的含氟物質(zhì)和炭成分等得到回收和循環(huán)利用，處理工藝無廢酸、廢氣、廢渣排放，實(shí)現(xiàn)了該危險(xiǎn)廢物的無害化處理及有用元素的資源化利用。

表3 碳渣浮選物質(zhì)的物理特點(diǎn)

碳渣經(jīng)多級破碎，碎后料進(jìn)入緩沖倉，緩沖倉下經(jīng)定量給料機(jī)進(jìn)入球磨機(jī)磨礦解離，磨制中分離出來的金屬鋁片在磨尾篩出，磨機(jī)排料經(jīng)水力分級后，粗粒返回磨機(jī)形成閉路循環(huán)，細(xì)料作為合格料漿加入浮選劑后送入高效微泡浮選系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)節(jié)氣壓、礦壓、泡沫層、循環(huán)量、藥劑制度等工藝條件，使碳粉與電解質(zhì)分離。浮選精礦—碳粉，經(jīng)沉降、壓濾多級脫水后得到碳粉產(chǎn)品[5]。浮選尾礦—電解質(zhì)，經(jīng)沉降、壓濾、烘干多級脫水后得到電解質(zhì)產(chǎn)品。

（1）工藝流程;篩選→破碎→濕磨→制漿→浮選，底流→除鐵→過濾→烘干→再生冰晶石，溢流→泡沫→過濾→碳粉。

（2）碳渣經(jīng)“處理后，產(chǎn)品為再生電解質(zhì)和無害化炭粉，電解質(zhì)可返回鋁電解利用；炭粉可以作為燃料（處理后符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)），廢鋁綜合回收,工業(yè)用水循環(huán)利用無外排，粉塵及廢氣經(jīng)治理后達(dá)標(biāo)排放。

表4 再生電解質(zhì)指標(biāo)（%）

表5 回收碳粉主要質(zhì)量指標(biāo)

2.2 火法碳渣處理技術(shù)

該工藝一般采用化反應(yīng)爐，集氧化燃燒、催化轉(zhuǎn)化、氣化除雜、調(diào)質(zhì)均化、煙氣處理于一體，加熱方式采用電或燃?xì)獾燃訜峄鸱ㄌ荚幚碇饕捎酶邷厝紵荚械奶?，產(chǎn)品為的再生冰晶石。技術(shù)缺點(diǎn)在于燃燒室的壽命問題及含氟氣體的處理，工藝技術(shù)能耗較高。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)的再生冰晶石純度質(zhì)量較好。該工藝在國內(nèi)用于碳渣濕法浮選的電解質(zhì)提純處理。工業(yè)化用于電解鋁廠碳渣處理的項(xiàng)目極少。

3 碳渣濕法浮選生產(chǎn)線的投資、成本

萬噸碳渣處理線建設(shè)根據(jù)設(shè)備及場地選型投資約為1500～3000萬元，碳渣中電解質(zhì)含量為50%～60%,年碳渣處理后可回收電解質(zhì)約5000噸，其余為碳粉和少量金屬鋁及其他雜質(zhì)。碳渣浮選分離的電解質(zhì)和碳粉年產(chǎn)值約1500萬元[6]。

4 結(jié)語

電解鋁陽極碳渣處理無害化循環(huán)利用是近年來研究實(shí)施的危廢無害化資源化處理技術(shù)課題，濕法浮選工藝基本實(shí)現(xiàn)初級固（危）廢資源化循環(huán)利用。目前碳渣循環(huán)利用技術(shù)方面的副產(chǎn)品再生冰晶石和碳粉需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化新技術(shù)應(yīng)用提高品質(zhì)。需不斷加快電解鋁危險(xiǎn)廢物利用處置污染控制技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。使我國鋁電解工業(yè)健康快速發(fā)展。