电解铝废旧电极资源化环保处置

刘叶刚

（上海电气集团国控环球工程有限公司，山西 太原 030001）

我国的电解铝行业在全球占据着举足轻重的地位，电解铝产量占全球的57.18%，消费量占全球的58.97%。随着电解铝产业的不断发展，电解铝废旧电极外排量也在逐年增长，其污染问题越来越突出，成为制约电解铝企业节约资源、节能减排的瓶颈问题[1-2]。因此，解决其对环境的危害，实现铝工业持续发展与环境和谐，是铝工业需要一起面对的课题。

1 电解铝废旧电极的来源

1.1 电解铝用阴极材料的报废

铝电解过程中，阴极上发生的主反应是熔于冰晶石（Na3A1F6、A1F3、CaF2和A12O3等）中的Al3+被还原成液态金属铝，然后汇积于炭质槽底表面，铝液和炭质槽底均为电解槽的导电阴极。电解质熔体中有各种氟化物、杂质，电解过程会产生熔盐。在熔盐的腐蚀、冲刷以及及热应力的作用下，阴极碳块会逐渐变形、膨胀和断裂，最后破损成为废阴极。铝电解槽阴极的生命周期通常在3～10 a 不等，一般为5～6 a。

废旧阴极大部分浸渍了电解液和金属。其主要由两种材料组成：一是位于集电棒上方的废旧阴极炭块，主要由石墨化侧壁块、捣固糊、阴极块和碳化硅的混合物组成，占废旧阴极质量的55%；二是集电棒下方的废旧阴极耐火材料，主要由耐蛭石和火砖组成，占废旧阴极质量的45%。

1.2 电解铝用阳极材料的报废

铝电解过程中，阳极在高温条件下被氧气氧化形成CO 和CO2，造成石墨阳极的损耗，形成残极。破碎后为颗粒状以及粉磨状的残极渣。电解过程中，浸泡在氟化物电解质里的阳极炭块，受电解质冲刷发生掉渣现象，掉落的炭渣会影响电解质的某些性质，从而影响电解工艺，须将其从电解槽中捞出，捞出的炭渣含有大量的电解质（70%左右）。

2 电解铝废旧电极的危害

电解铝废旧电极一直以来是制约电解铝行业发展的重要因素。据统计，每生产1 kt 电解铝将产生8 t废耐火材料、10 t 废炭素材料以及一定数量的废保温材料，其排放量不可小视。

废旧阳极炭块浸渍的电解质较少（17%左右），经重选分离后的碳素块，可作为优质的燃料出售；废旧阴极中的耐火成分用于制造水泥、混凝土和砖，或作为道路铺装添加剂等；而废旧阴极炭块是一种有毒废弃物（质量分数30%～60%的氟化物，微量氰化物的危险废物），遇到雨淋、水浸等情况，会造成严重的环境污染。2020 年我国产出废旧阴极共约37～56 万t。目前，世界范围内尚缺乏完全可工业化应用的电解铝废阴极无害化处置及资源化利用技术。

3 废旧阴极材料资源化处置研究进展

一直以来，国内外针对废旧阴极的有效处理已经研究探索很多，但仍没有可以在电解铝工业中广泛应用有效处理方法。目前已有的技术及研究方向主要分为三类：惰性化处理、协同处理和材料回收处理。

惰性化处理是利用高温、浮选、浸出、玻璃化等方法，将废旧阴极转化为对环境影响较小的废物。但并不能实现废旧阴极的完全资源化利用，目前已经中试装置运行。协同处理是将电解铝废旧阴极应用到其他领域，实现对废旧阴极的处理与利用，如：将废旧阴极的碳组分作为发电燃料添加剂、耐火成分用于水泥生产中等。该方法并不能充分利用废旧阴极中不同组分，资源化利用效果不明显。材料回收处理是通过物理分离、化学浸出或热处理等方法，将废旧阴极中有价值的材料及产品进行回收或转化，从而得到更多附加值高产品，充分地利用废旧阴极中潜在的有价材料。该方法可将废旧阴极完全资源化利用，但处理成本较高，目前还未开展中试[3-4]。

目前的电解铝企业处置废阴极的方法主要有浮选、燃烧和填埋三种方法。其中，浮选法得到的碳粉价值不高，资源化利用率低；燃烧法存在分离繁琐、加热时间长、能耗大且不能有效回收其中的氟化物的缺点；因此，电解铝企业还是普遍采用高成本的填埋法，但大部分公司不能按照危险废物的处置方式进行无害化填埋，废阴极带来的环境污染问题一直没有得到有效解决。

4 电解铝废旧电极资源化处置方案（图1）

图1 电解铝废旧电极资源化处置方案建议

4.1 废阴极炭块的无害化处理和综合利用

针对废旧阴极材料的资源化处置，在成本和环保的双重要求下，较为有工业应用前景的是浮选-酸浸法和超高温无害化处置资源化利用技术，且都已进行了工业化的中试试验。

4.1.1 浮选-酸浸法

浮选-酸浸法是将废阴极炭块破碎、分级后的粉末加水调浆后进行浮选，得到以炭粉和电解质为主的两种产品。石墨化的炭粉可以返回阴极生产系统制备高炭素产品，电解质可重新返回至铝电解工艺中使用。该方法工艺简单、流程短、分离效果好、成本低廉、对设备无腐蚀等，但浮选得到的碳粉价值不高，产品的附加值低，资源化利用率不高，经济效益不明显。

4.1.2 超高温无害化处置资源化利用技术

北京矿冶研究总院提出的超高温无害化处置及资源化利用技术主要采用超高温的电弧炉（2 400～2 600 ℃）处置废阴极。废阴极中的氟化物挥发再回收成为高纯度的电解质，氰化物分解成N2O5、CO2，实现氟化物和氰化物的无害化和资源化处置；废阴极中的炭素高度石墨化和高纯化。

北京矿冶研究总院针对超高温处置工艺进行了小型试验和40 t 废阴极的半工业试验，得到了较高纯度的电解质且石墨化度达91%以上、固定碳含量达98%以上的石墨碎，收尘产品为氟化物质量分数约为55%、碳酸钠质量分数约为45%的混合物，并对整个系统的安全性、经济性、环保性进行了初步考察。超高温技术的成功开发可以实现废阴极炭块全部危险要素的无害化，以及97%以上化学成分的资源化处置，并产生较高的附加值。

4.2 电解铝废旧阳极资源化处置

电解铝废旧阳极主要包括阳极炭块残极、阳极炭渣。阳极炭块残极破碎后产生的残极渣可利用在不同成分在比重上的差异，采用跳汰机等重选设备可分离出碳素和电解质。分选出的高质量碳素块经加工处理后（浮选或超高温），可作为碳素电极生产的一种骨料，用于阳极和电解槽阴极内衬的制备；分选出的碳素块可以作为优质燃料出售。分选出的电解质块和阳极炭渣都是氟化物的“富集矿”。生产氟化物的主要原料萤石本身是一种不可再生资源，所以针对电解铝废旧阳极中氟化物的回收具有重要的意义。阳极炭渣、电解质块分别破碎、磨成粉后，可通过超高温处理的技术实现电解质和碳素粉回收。

4.3 废旧电极资源化处置方案建议

通过上述分析发现，超高温无害化处置资源化利用技术操作方便，且具有能耗小、成本低、无害化处理彻底的特点，且单套装置可以同时实现废阴极炭块、阳极炭渣、阳极炭块等多种废料的无害化处置，以及97%以上化学成分的资源化处置，产生较高的附加值。该技术有效提高电解铝废电极炭块的处理效率和资源化利用效率，其实用性强，社会、环境、经济效益显著，也利于进行标准化生产及推广。

5 结语

电解铝行业废旧电极无害化、资源化处置利用逐渐成为废旧电极环保处置的主要方向，也是实现电解铝行业可持续发展的重要手段。超高温无害化处置资源化利用技术单套装置可以同时实现废阴极炭块、阳极炭渣、阳极炭块等多种废料的无害化处置并进行资源化利用、该方法操作方便，且具有能耗小、成本低，社会、环境、经济效益显著，将逐渐成为电解铝废旧电极无害化及资源化处理的重要发展方向。