铝电解生产阳极碳渣处置资源化利用技术分析研究

王志谦，温铁军，2，张洪涛，2

（1.伊电控股集团有限公司；2.河南省铝电解工程技术中心，河南 伊川 471300）

铝电解槽生产中捞出的废碳渣混合物--阳极碳渣，由碳粉、氟化盐、少量金属铝和部分的杂质组成。主要成分为：C、Na3AlF6、NaF、AlF3、CaF2、SiO2、Al2O3、MgF2、灰分等。成分复杂，含有可溶性的氟化物和微量的氰化物等有害物质，易挥发进入大气，或渗入地下污染土壤和地下水，对动植物生长及人体产生很大损害，破坏生态环境，影响生态平衡。2016年8月1日起施行的新版《国家危险废物名录》中明确阳极碳渣等吸附氟化物属危险固废。电解铝碳渣中除了含有有害的元素外，还含有大量高附加值的物质，主要有冰晶石和碳，再生冰晶石可作为电解生产熔融体原料补充的电解槽进行生产使用，碳粉可以二次利用[2]。产品将变废为宝，产生巨大的经济效益和社会效益。依靠科技进步技术开展电解铝碳渣的无害化处理技术及综合利用研究、推广实施，实现电解铝行业的可持续健康发展。

1 电解生产阳极碳渣的产生及危害

现代电解铝阳极碳块均采用预焙阳极工艺生产。电解铝理论吨铝碳阳极耗量为334kg，实际吨铝消耗400kg～500kg，为主要消耗原料。阳极碳块除承受0.7～0.94 A/cm2电解密度的强大直流电外，阳极碳块随着消耗需不断下降高度，保持与电解槽内铝液界面4.5cm左右的极距。阳极碳块始终有12～16cm高度浸在高温熔融强腐蚀的电解质熔液中，碳块原料质量和工作环境因素[3]，导致碳块氧化脱落和剥离，碳粒进入电解槽内的电解质中。产生了极大数量的阳极碳渣混合物。

1.1 碳渣形成因素

（1）由于预焙块品质因素，造成碳块氧化从而产生碳渣。预焙碳块是由石油焦、沥青焦、沥青通过破碎、煅烧、配料、混捏等工序烧制而成，原材料及工艺对碳块质量影响极大[4]。如：耐压强度低、空隙度大、杂质大、抗氧化性能差等，从而导致阳极的氧化和碳粒在阳极表面的脱落进入电解质中形成碳渣，有时会形成掉块和裂缝，在电解质的冲蚀和洗刷下，形成碳渣。由于碳块质量而引起的碳渣是生产中碳渣的主要原因。

（2）二次反应生成游离的固态碳。铝电解过程中的铝的二次反应，不仅降低电流效率，而且还溶解在电解质溶液中的铝将阳极气体中的CO2和CO还原C，在电解质溶液中形成细微的游离态碳渣。

1.2 电解质中碳渣的危害

（1）铝电解溶液中的碳渣，导致电解质的电阻增大

铝电解溶液中的碳渣，导致电解质的电阻增大，铝电解质溶液中的碳渣含量达到1%时，电解质导电率约降低11%，造成电解质电压降的升高，增加铝电解生产的电能消耗；电阻的增大，引起电解质溶液过热，槽温上升，产生热槽病槽；铝电解溶液中的碳渣多造成电阻增大，部分电流会直接通过碳渣进入阴极或侧部，形成侧部漏电过热甚至发生侧部漏炉。

（2）铝电解溶液中的碳渣，导致电解质对氧化铝的溶解能力差，增大吨铝氧化铝单耗，易形成电解槽炉底沉淀，影响电解正常生产。

1.3 碳渣的环保危害和处理要求

（1）电解铝碳渣属危险废物

《国家危险废物名录》中明确废阴极、废槽衬、铝灰、碳渣等吸附氟化物属危险固废。

表1 国家危险废物名录

（2）倾倒危废入刑和交税

“两高”对环保的司法解释：“两高”对非法排放、倾倒、处置危险废物三吨以上的认定为“严重污染环境”行为，认定为犯罪行为，并进行处，最重可处死刑。《中华人民共和国环境保护税法》公布，每吨危险废物环保税额1000元，每吨冶炼渣环保税额为25元，2018年1月1日起施行。

（3）国家危废处理后排放标准

表2 国家危废处理后排放标准

2 阳极碳渣资源化处理技术

2.1 碳渣湿法浮选资源化利用技术

碳渣湿法综合利用技术是利用碳渣中物质不同成分的物理和化学性质差异，通过浮选处理，使炭渣中的含氟物质和炭成分等得到回收和循环利用，处理工艺无废酸、废气、废渣排放，实现了该危险废物的无害化处理及有用元素的资源化利用。

表3 碳渣浮选物质的物理特点

碳渣经多级破碎，碎后料进入缓冲仓，缓冲仓下经定量给料机进入球磨机磨矿解离，磨制中分离出来的金属铝片在磨尾筛出，磨机排料经水力分级后，粗粒返回磨机形成闭路循环，细料作为合格料浆加入浮选剂后送入高效微泡浮选系统，经调节气压、矿压、泡沫层、循环量、药剂制度等工艺条件，使碳粉与电解质分离。浮选精矿—碳粉，经沉降、压滤多级脱水后得到碳粉产品[5]。浮选尾矿—电解质，经沉降、压滤、烘干多级脱水后得到电解质产品。

（1）工艺流程;筛选→破碎→湿磨→制浆→浮选，底流→除铁→过滤→烘干→再生冰晶石，溢流→泡沫→过滤→碳粉。

（2）碳渣经“处理后，产品为再生电解质和无害化炭粉，电解质可返回铝电解利用；炭粉可以作为燃料（处理后符合国家排放标准），废铝综合回收,工业用水循环利用无外排，粉尘及废气经治理后达标排放。

表4 再生电解质指标（%）

表5 回收碳粉主要质量指标

2.2 火法碳渣处理技术

该工艺一般采用化反应炉，集氧化燃烧、催化转化、气化除杂、调质均化、烟气处理于一体，加热方式采用电或燃气等加热火法碳渣处理主要采用高温燃烧碳渣中的碳，产品为的再生冰晶石。技术缺点在于燃烧室的寿命问题及含氟气体的处理，工艺技术能耗较高。优点是生产的再生冰晶石纯度质量较好。该工艺在国内用于碳渣湿法浮选的电解质提纯处理。工业化用于电解铝厂碳渣处理的项目极少。

3 碳渣湿法浮选生产线的投资、成本

万吨碳渣处理线建设根据设备及场地选型投资约为1500～3000万元，碳渣中电解质含量为50%～60%,年碳渣处理后可回收电解质约5000吨，其余为碳粉和少量金属铝及其他杂质。碳渣浮选分离的电解质和碳粉年产值约1500万元[6]。

4 结语

电解铝阳极碳渣处理无害化循环利用是近年来研究实施的危废无害化资源化处理技术课题，湿法浮选工艺基本实现初级固（危）废资源化循环利用。目前碳渣循环利用技术方面的副产品再生冰晶石和碳粉需进一步进行优化新技术应用提高品质。需不断加快电解铝危险废物利用处置污染控制技术产业化进程。使我国铝电解工业健康快速发展。