一種處理及回收鋁電解固體廢料的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金環(huán)境領(lǐng)域,特別涉及一種處理及回收鋁電解固體廢料的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)中鋁是采用冰晶石-氧化鋁電解質(zhì)體系,在950?980°C的溫度條件下電解生產(chǎn),在鋁電解生產(chǎn)過程中,產(chǎn)生以下4種固體廢料:
[0003]1、陽極炭渣。冰晶石-氧化鋁電解質(zhì)體系的陽極使用煅燒后的石油焦破碎成不同的粒級與煤瀝青混合、混捏成型,再經(jīng)焙燒后制成。在鋁電解的生產(chǎn)過程,炭陽極不斷消耗,理論上每電解生產(chǎn)一噸金屬鋁需要消耗0.334噸炭陽極,而實(shí)際上每生產(chǎn)一噸金屬鋁,炭陽極消耗在0.4噸以上,即實(shí)際炭陽極消耗要比理論炭陽極消耗多70kg/t-Al左右,有的高達(dá)100kg/t-Al以上,這多消耗的70?100kg/t-Al主要是空氣和電解槽中的CO2對炭陽極進(jìn)行氧化而損失掉,還有相當(dāng)大的一部分消耗是電解過程中部分炭從陽極上脫落進(jìn)入電解槽中成為炭渣。這種炭渣有細(xì)粉狀和顆粒狀,混熔于或懸浮于電解質(zhì)中不僅會影響鋁電解質(zhì)的物理化學(xué)性能,如電導(dǎo)率、粘度等,還對電解槽的工作狀態(tài)和電解槽的電流效率造成影響。因而需要電解工人定期將這些炭渣從電解槽中撈出,而撈出的炭渣中又粘附了大量的電解質(zhì),比例約占70%,電解鋁廠將這種炭渣棄之不用,也有的將大塊的含電解質(zhì)成分過高的炭渣炭塊破碎后,返回到電解槽中,而細(xì)小的炭渣仍被棄掉,進(jìn)而造成炭和電解質(zhì)的損耗并對環(huán)境造成污染。通常工業(yè)電解槽中每生產(chǎn)I噸鋁約產(chǎn)生3?5kg炭渣,一個(gè)年產(chǎn)50萬噸金屬鋁的電解鋁廠,一年的炭渣量約為1500?2000噸。
[0004]2、廢陰極炭塊。鋁電解槽廢陰極炭塊是指鋁電解槽在經(jīng)過一段時(shí)間的電解,出現(xiàn)槽底破損后,從破損的電解槽中取出的槽底陰極炭塊和側(cè)部炭塊,其中也包括側(cè)部炭塊與底部陰極炭塊之間的由搗固糊形成的炭塊,以及陰極炭塊之間的搗固糊在電解溫度條件下形成的炭塊。在鋁電解生產(chǎn)過程中,少部分氟化鈉也會被電化學(xué)還原為金屬鈉。在電解槽的整個(gè)使用周期內(nèi),電解質(zhì)和金屬鈉會一直向炭質(zhì)陰極材料中滲透。因此,在從破損槽刨出的鋁電解廢陰極炭塊一般含有約30%左右的電解質(zhì)和約10%左右的金屬鈉。目前我國電解鋁廠所使用的電解槽的平均壽命在5年左右,以一個(gè)年產(chǎn)100萬噸/年的電解鋁廠為例,每年所產(chǎn)生的廢陰極炭塊約在I萬噸左右,也就是說電解鋁廠每生產(chǎn)100噸電解鋁,就要產(chǎn)生I噸的廢陰極炭塊。
[0005]3、廢電解槽耐火材料內(nèi)襯。廢電解槽耐火材料內(nèi)襯是電解質(zhì)在電解過程中通過陰極炭塊的孔隙和陰極底塊的裂縫以及陰極底塊與底塊之間的搗固糊所形成的裂縫滲入到炭陰極底塊下部的耐火材料中,并與耐火材料反應(yīng)而形成的。因此,廢電解槽耐火材料內(nèi)襯主要由電解質(zhì)、電解質(zhì)與耐火材料反應(yīng)生成的化合物,以及未反應(yīng)的耐火材料組成,其中電解質(zhì)與耐火材料反應(yīng)生成的化合物主要為由Na20,Al2O3和S12B成的化合物。在鋁電解槽廢耐火材料內(nèi)襯中,還包括一種由氮化硅結(jié)合的碳化硅耐火材料內(nèi)襯,這種由氮化硅結(jié)合的碳化硅耐火材料內(nèi)襯,只應(yīng)用在大型電解槽的側(cè)部。
[0006]4、槽底漏鋁熔化陰極鋼棒后形成的Al-Fe合金。這部分合金在大修的破損槽上多有產(chǎn)生、數(shù)量大小不一,這部分Al-Fe合金雖然不是廢料,但常常被鋁廠拋棄,或以低價(jià)賣給廢品回收部門。
[0007]5、鋁灰。通常將從電解鋁鑄造車間的鋁混合爐中扒出的鋁渣,和鋁錠(棒或板)鑄造過程中打下來的渣,以及出鋁抬包內(nèi)襯粘附的渣料統(tǒng)稱為鋁渣。鋁渣的主要成分為鋁氧化后形成的粉狀氧化鋁以及粉狀氧化鋁所包覆的少量團(tuán)聚狀金屬鋁。鋁渣經(jīng)球磨后篩分,可篩出團(tuán)聚狀的金屬鋁,篩下的粉體被稱為鋁灰。鋁灰由細(xì)小的顆粒狀的金屬鋁和氧化鋁組成,其中也不可避免地會有微量的電解質(zhì)氟化物存在。目前無論是電解鋁廠還是鋁渣回收小作坊,都將這部分“鋁灰”作為垃圾棄之,對環(huán)境造成較大影響。
[0008]目前,尚無一個(gè)技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都可行的方法將鋁電解固體廢料進(jìn)行有效處理及回收。因此,開發(fā)研宄鋁電解固體廢料的處理及回收技術(shù),使其能夠變廢為寶對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會尤為重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的各種問題,本發(fā)明提供一種處理及回收鋁電解固體廢料的裝置及方法。本發(fā)明裝置是一種利用鋁電解槽廢陰極炭塊固體碎料的導(dǎo)電性質(zhì)制成廢舊陰極炭塊碎塊作為電阻發(fā)熱體的高溫真空電阻爐。本發(fā)明方法利用廢陰極炭塊的電阻熱產(chǎn)生高溫,使廢陰極炭塊的碎塊狀料在真空條件下加熱到1000-1400°C,同時(shí)利用這種廢陰極炭塊的高溫?zé)崃繉⒅糜谕粻t內(nèi)的陽極炭渣物料或廢電解槽耐火材料內(nèi)襯磨粉料與鋁灰或Al-Fe合金的磨細(xì)料混合制成的壓團(tuán)料加熱到900-1200°C,使鋁電解槽固體廢料中的非碳質(zhì)組分以氣態(tài)形式蒸發(fā),并在裝置內(nèi)的不同位置結(jié)晶,最終實(shí)現(xiàn)了鋁電解固體廢料中碳質(zhì)組分和非碳質(zhì)組分的有效分離及回收。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種處理及回收鋁電解固體廢料的裝置,包括金屬外殼、爐蓋、耐火保溫爐墻體、耐火保溫爐底、電阻發(fā)熱體、耐火混凝土墻體、料室、耐火混凝土柱體、熱輻射擋板、罩型結(jié)晶器、筒型結(jié)晶器、電解質(zhì)結(jié)晶室、堿金屬結(jié)晶室、隔熱板、真空抽氣管、氬氣充氣管、真空壓力表和用于給電阻發(fā)熱體輸入電能的電極。
[0011]所述金屬外殼上沿之下的一段爐殼外壁設(shè)有冷卻水套。
[0012]所述爐蓋用鐵質(zhì)金屬材料制成,帶有法蘭結(jié)構(gòu),金屬外殼上沿也焊接有法蘭,法蘭之間設(shè)有真空墊圈,法蘭孔中設(shè)有螺栓,爐蓋和爐殼借助真空墊圈和螺栓實(shí)現(xiàn)壓緊與密封;爐蓋的上表面設(shè)有冷卻水套,內(nèi)表面設(shè)有隔熱板,并且隔熱板正對著罩形結(jié)晶器的喇叭口,隔熱板由保溫材料制成。
[0013]所述耐火保溫爐墻體位于爐體內(nèi)壁和電阻發(fā)熱體外側(cè)之間,且耐火保溫爐墻體的高度高于電阻發(fā)熱體的高度,耐火保溫爐墻體頂部內(nèi)側(cè)有一斷面形狀為矩形的環(huán)狀缺口。
[0014]所述電阻發(fā)熱體是由破碎成粒徑1cm以下的廢陰極炭塊的碎塊制成,位于耐火保溫爐底上,包括U型、Π型或兩個(gè)相互平行且相互獨(dú)立的直線體型三種不同設(shè)計(jì),其斷面為矩形,并且電阻發(fā)熱體上表面暴露于爐內(nèi)的電解質(zhì)結(jié)晶室中;
[0015]每個(gè)獨(dú)立電阻發(fā)熱體的兩端都有兩個(gè)電極,其中一個(gè)為進(jìn)電電極,另一個(gè)為出電電極;當(dāng)電阻發(fā)熱體為U型或Π型設(shè)置時(shí),U型或Π型電阻發(fā)熱體的兩個(gè)電極在爐體的同一側(cè)面,與電爐供電電源連接;當(dāng)電阻發(fā)熱體為兩個(gè)相互平行且相互獨(dú)立的直線體型設(shè)計(jì)時(shí),每個(gè)獨(dú)立電阻發(fā)熱體的兩個(gè)電極分別位于電爐的兩個(gè)對應(yīng)面上,兩個(gè)電阻發(fā)熱體的同一側(cè)的兩個(gè)電極與電爐供電電源連接,另一側(cè)的兩個(gè)電極之間用金屬導(dǎo)體連接;當(dāng)電阻發(fā)熱體為兩個(gè)相互平行且相互獨(dú)立的直線體型設(shè)計(jì)時(shí),本發(fā)明還可以通過金屬母線連接多個(gè)這種相同的真空電阻爐一起使用,即第一個(gè)真空電阻爐同一側(cè)的兩個(gè)電極通過金屬導(dǎo)體連接到下一個(gè)真空電阻爐的兩個(gè)電極上,依次類推,從而形成同一個(gè)電源的兩個(gè)或兩個(gè)以上真空電阻爐串聯(lián)工作;
[0016]每個(gè)電極均由兩部分導(dǎo)電體組成,爐內(nèi)側(cè)與電阻發(fā)熱體相接觸