無害化處理鋁電解廢陰極炭塊技術分析及應用現狀

董旋 張鴻儒 李明

摘 要 鋁工業在我國社會經濟發展中占著舉足輕重的地位，在我國國防事業中也占據著重要位置，保證了國防建設的原材料供應。在經濟和技術快速發展帶動作用下，我國鋁工業也取得了顯著的進步，電解鋁產生翻倍增加。文章對鋁電解廢陰極炭塊的方法和有關技術進行了分析，對火法處理和濕法處理技術進行了闡述分析，旨在為今后相關研究提供參考。

關鍵詞 廢陰極炭塊 火法 濕法

中圖分類號：TF821;O646 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）04-0028-02

隨著這些年我國環保力度逐漸增大，鋁電解廢陰極無害化處理研究成為了研究重點，這也是作為一個有擔當企業的社會責任。鋁電解廢陰極無害化處理也符合資源重復利用的基本要求，是當前鋁企業研究的重點，這也符合循環經濟的基本要求[1]。

1 主要廢陰極處理方法分析

廢槽襯的構成比較復雜，涉及到的組件較多，如廢陰極碳塊、廢陰極鋼棒等。就從廢槽襯構成層面分析，廢陰極炭塊占整個重量百分比的35%。陰極在鋁電解生產時會與鋁液直接接觸，因此氟化物和氰化物會存在于廢陰極炭塊中，而其中的耐火材料處于下部，氟化物的含量相對較低，廢陰極鋼棒占重量百分比的15%，回收簡單。從結構構成上來看，廢槽主要污染源就是廢陰極。鋁電解廢陰極無害化處理主要表現在無害化處理和回收利用兩個層面，這也就是說在將廢陰極氟化物和氰化物等無害化處理的同時，還需要對處理過程中的物質進行有效的回收和利用[2]。就目前技術水平而言，廢陰極技術處理主要有以下幾種方法：耐腐蝕物質采用熱處理方法;氟化物、氰化物等采用化學浸出法;依據物質物理性質（如溶解性、密度等）實現碳與氟化物的分離。鋁電解廢陰極處理技術主要有兩種，即火法和濕法，所謂的火法就是利用高溫來將有害物質進行分解，從而實現無害化處理，如冶金爐、回轉窯等;而濕法處理技術則是利用物質物理原理實現有害物質的分離，如浮選法。對分離得到的氟化物可以回收利用，通過氧化物的加入來分解氰化物，從而實現無害化處理。

1.1 火法處理技術

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發生化學反應，其產生的產物為無害物質。當溫度大于700℃條件下，氰化物會完全分解，同時在高溫條件下，廢陰極中的炭也會完全燃燒，這樣還能節省能源[3]。廢陰極火法處理過程較為復雜，其化學反應機理還有待完善，有害物質發生的化學反應如下：

2NaCN+4.5O2=Na2O+2NO2+2CO2

2NaCN+4O2=Na2O+N2O3+2CO2

2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2O·SiO2

2NaF+3CaO+2SiO2=CaF2+Na2O·SiO2+2CaO·SiO2

其具體流程如下：（1）破碎。將廢陰極炭塊在無害化車間破碎后，用密閉車將其運至進料區，之后用天車抓斗送至冶煉爐內;（2）裝爐。在冶煉爐爐底鋪設一層無煙煤，鋪設至指定高度后將粉碎的廢陰極炭塊鋪上;待炭塊鋪設到工藝要求高度之后，再鋪設一層無煙煤，上述鋪設作業完成后，將爐蓋蓋好，保證冶煉爐處于全封閉狀態;（3）冶煉。待確認冶煉爐處于全封閉狀態后開始送電[4]。冶煉爐電源兩端鏈接的就是爐體的石墨電極。因為陰極炭塊電阻小，因此在送電后就會發熱。在持續通電條件下，溫度越來越高，溫度達到1700℃時，廢陰極炭塊中的氰化物就會以氣體的形式釋放出來，釋放出來的氣體則會經炭塊進入到透氣孔，之后進入到冷凝區域，在水套冷凝作用下，氰化物氣體會轉化成粉狀結晶狀態，這也標志著冶煉作業結束[5];（4）冷卻。冶煉作業結束后，所得產品的溫度還是比較高的，因此必須對產品進行冷卻處理。一般情況下會使用噴水冷卻方法;（5）出料。出料主要由爐槽內碳塊和無煙煤兩個部分。首先利用抓斗將上部的無煙煤抓取，其次將炭塊和緊貼炭塊的無煙煤抓取到烘干機中烘干，烘干后通過篩分機分離;（6）尾氣處理。無煙煤在冶煉過程中因受熱會揮發出尾氣，這些尾氣可以經冷卻后通過管道輸送至尾氣凈化處理系統中。利用尾氣凈化處理系統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

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，對廢陰極材料進行燃燒，在燃燒過程中將水蒸氣通入其中。通入其中的水蒸氣會同氟鹽發生化學反應，產物為氣體氟化氫，經過這一過程，廢陰極中的氰化物會被分解[6]。另外可以用水來吸收產生的氟化氫，進而得到氫氟酸水溶液，為其他化學反應提供原材料。高溫水解法中涉及的化學反應主要有：

NaF+H2O=NaOH+HF（g）

2NaF+Al2O3+H2O=2NaAlNO2+2HF（g）

其次，浮選處理方法。通過利用偏光顯微鏡對廢陰極炭塊結構進行觀察可以發現，電解質NaF、NaAIF6、AI2O3會浸入到炭塊的裂縫與孔洞中，且這些浸入物質與炭之間有較為明顯的界面，利用物質特性可以將兩者分離開來。所謂的浮選法其實質就是通過利用浮選劑來實現料漿物質分離的一種物理方法。具體步驟如下：把廢陰極材料進行粉料，調漿后移至浮選機內，將浮選劑加入其中并進行反復的浮選，之后就會得到碳和固體電解質[7]。表1為濕法炭粉成分分析結果。

2 廢陰極炭塊火法處理技術與濕法處理技術對比分析

就目前技術水平而言，廢陰極炭塊火法技術處理法中回轉窯燒結法使用較多，這種處理技術在鋁企業中應用廣泛。如某鋁企業建設了一條火法廢槽襯無害化處理工業線，其中廢陰極可溶氟化物轉化率高達98%，氰化物的轉化率在99%以上，這條工業線的轉化處理結果符合國家固體廢物排放標準。

廢陰極濕法處理技術中應用較多的就是浮選法。通過上述闡述可知，浮選法可以對廢陰極炭塊中存在的氟化物、氰化物進行無害化處理，且過程中的廢水可以循環化利用，產物品質較為穩定，但是所得到的物質利用價值還有待研究[8]。

通過對表2分析可以發現，無論是火法處理技術還是濕法處理技術都實現了無害化處理，且相關技術指標都符合國家有關要求[9]。從能耗角度分析，廢陰極火法處理技術耗能高，這就體現出濕法處理技術的節能優點;從資源綜合利用角度分析，廢陰極火法處理技術對資源的利用效率較濕法處理技術相比較低，鑒于上述分析，廢陰極炭塊濕法處理技術應用更加符合當前實際，但是值得注意的是，利用浮選法所得到的碳產品含量最高為85%，不符合工業化生產使用要求，在今后的工作中需要進一步進行相關研究，優化提純工藝。

3 結語

近年來，關于鋁電解廢陰極炭塊的無害化處理研究越來越多，越來越深入，且在實踐中也得到了一定的應用，取得了一定的成績，無論是火法處理技術還是濕法處理技術在我國鋁企業中都得到了應用，都是比較先進的處理技術，通過上述分析可以發現，這兩種處理技術的應用都實現了廢陰極炭塊氰化物的完全費解。其中火法處理技術是無害化處理氰化物，而濕法處理技術則實現了氰化物的回收利用，符合資源循環的利用要求，但是受到某些技術因素的限制，濕法處理技術所得到的產品應用范圍還有待商榷，因此在今后的研究中應當進一步深入研究廢陰極炭塊處理方法。

參考文獻：

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[7] 羅銘洋.電解鋁廢舊陰極炭塊真空蒸餾分離炭和電解質的研究[D].昆明理工大學，2020.

[8] 趙洪亮，洪爽，劉偉，呂晗，劉風琴.電解鋁廢槽襯還原提取銅轉爐渣中銅鈷的試驗[J].有色金屬（冶煉部分），2019 （09）：53-57.

[9] 洪爽，劉偉，劉風琴.使用廢陰極炭塊還原提取銅轉爐渣中銅鈷的初步研究[J].輕金屬，2019（08）：41-45.