一種處理及回收鋁電解固體廢料的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于冶金環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種處理及回收鋁電解固體廢料的
目.ο
【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(guò)程中，產(chǎn)生以下4種固體廢料:
[0003]1、廢陰極炭塊。鋁電解槽廢陰極炭塊是指鋁電解槽在經(jīng)過(guò)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(guò)程中，少部分氟化鈉也會(huì)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(huì)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(guó)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(wàn)噸/年的電解鋁廠為例，每年所產(chǎn)生的廢陰極炭塊約在1萬(wàn)噸左右，也就是說(shuō)電解鋁廠每生產(chǎn)100噸電解鋁，就要產(chǎn)生1噸的廢陰極炭塊。
[0004]2、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(guò)程中通過(guò)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，A1203和Si02B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。
[0005]3、陽(yáng)極炭渣。冰晶石-氧化鋁電解質(zhì)體系的陽(yáng)極使用煅燒后的石油焦破碎成不同的粒級(jí)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(guò)程，炭陽(yáng)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(yáng)極，而實(shí)際上每生產(chǎn)一噸金屬鋁，炭陽(yáng)極消耗在0.4噸以上，即實(shí)際炭陽(yáng)極消耗要比理論炭陽(yáng)極消耗多70kg/t-Al左右，有的高達(dá)100 kg/t-Al以上，這多消耗的70?100 kg/t-Al主要是空氣和電解槽中的C02對(duì)炭陽(yáng)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(guò)程中部分炭從陽(yáng)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(huì)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(duì)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(guò)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(duì)環(huán)境造成污染。通常工業(yè)電解槽中每生產(chǎn)1噸鋁約產(chǎn)生3?5kg炭渣，一個(gè)年產(chǎn)50萬(wàn)噸金屬鋁的電解鋁廠，一年的炭渣量約為1500?2000噸。
[0006]4、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(guò)程中打下來(lái)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(huì)有微量的電解質(zhì)氟化物存在。目前無(wú)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(duì)環(huán)境造成較大影響。
[0007]除了上述4種鋁電解生產(chǎn)產(chǎn)生的固體廢料外，由電解槽底部破損漏鋁熔化陰極鋼棒而產(chǎn)生的Al-Fe合金，雖然原則上并不屬于固體廢料，但由于其量不大，合金成分又不固定，因而常被電解鋁廠當(dāng)作垃圾隨同電解槽的內(nèi)襯丟棄。
[0008]目前，尚無(wú)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。但是探索處理和回收鋁電解槽生產(chǎn)產(chǎn)生的固體廢料的方法，將其變廢為寶一直是人們的愿望和研究課題。這其中，備受人們關(guān)注和研究最多的是鋁電解槽廢陰極炭塊和陽(yáng)極炭渣的處理和回收利用，這是因?yàn)閺U陰極炭塊和陽(yáng)極炭渣中的炭、電解質(zhì)組分和炭的化合物組分均是具有非常大的回收價(jià)值的組分，且量大，如果棄之，不僅其中的有價(jià)組分得不到回收利用，而且其中的氟化物組分對(duì)環(huán)境會(huì)造成很大的影響。相對(duì)而言，對(duì)電解槽的廢耐火材料內(nèi)襯的回收利用則研究的不多。早在上世紀(jì)50年代，人們就開(kāi)始研究如何處理和回收利用鋁電解槽生產(chǎn)產(chǎn)生的廢陰極炭塊和炭渣，這些方法不外乎三種是作為其它化工生產(chǎn)過(guò)程中的添加劑，如將廢陰極炭塊磨成粉作為水泥生產(chǎn)的添加劑，但這部分用量很少，因?yàn)橛玫奶啵鋸U陰極炭塊中的氟化物會(huì)影響水泥的質(zhì)量，因此并不被水泥廠家所歡迎；2是作為燃料，但是作為燃料也存在著二次污染問(wèn)題；3是回收其中的電解質(zhì)，這其中研究最多的是采用浮選的方法將陽(yáng)極炭渣和廢陰極炭塊中的炭和電解質(zhì)組分分離，但直到現(xiàn)在為止，這一方法尚未成功地應(yīng)用在工業(yè)上，因?yàn)椴捎酶∵x法不能完全地將電解質(zhì)從廢陰極炭塊中分離出來(lái)，且浮選過(guò)程產(chǎn)生的廢水也容易造成二次污染。1958年，US2858198的專利中提出了一種采用蒸餾法分離鋁電解槽廢陰極炭塊中電解質(zhì)組分的方法，但這種方法所采用的裝置為塔式結(jié)構(gòu)，加熱方法為外加熱，大概由于裝置復(fù)雜、操作困難、能耗較高等原因直到現(xiàn)在也未能在工業(yè)上得到應(yīng)用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種處理及回收鋁電解固體廢料的裝置，利用鋁電解槽廢陰極炭塊固體碎塊的導(dǎo)電性質(zhì)制成以廢陰極炭塊碎塊作為電阻發(fā)熱體的高溫真空電阻爐；利用廢陰極炭塊碎塊的電阻熱產(chǎn)生高溫，使廢陰極炭塊的碎塊狀料在真空條件下被加熱到1000-1400°C，使廢陰極炭塊碎塊中的電解質(zhì)成分蒸發(fā)出來(lái)凝結(jié)在電解質(zhì)結(jié)晶室中，廢陰極碳?jí)K碎塊中的堿金屬(Na或Na-K合金)蒸發(fā)出來(lái)凝結(jié)到堿金屬結(jié)晶室中的堿金屬結(jié)晶器上，同時(shí)利用這種被加熱的廢陰極炭塊碎塊的高溫?zé)崃繉⑴c電阻發(fā)熱體相鄰的副料室內(nèi)的陽(yáng)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，使陽(yáng)極炭渣或廢耐火材料中的電解質(zhì)組分蒸發(fā)出來(lái)，凝結(jié)在電解質(zhì)結(jié)晶室中，使電解槽廢耐火材料內(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)料在高溫真空條件下反應(yīng)生成的堿金屬(鈉或鈉鉀合金等)被蒸發(fā)出來(lái)后凝結(jié)到堿金屬結(jié)晶室中的堿金屬結(jié)晶器上。
[0010]本實(shí)用新型的處理及回收鋁電解固體廢料的裝置包括爐殼、爐蓋、爐內(nèi)襯、爐壁耐火材料墻體、爐底耐火材料襯體、電阻發(fā)熱體、爐內(nèi)中部的耐火材料墻體、堿金屬結(jié)晶器、隔熱蓋板、金屬罩、電極以及副料室、電解質(zhì)結(jié)晶室和喊金屬結(jié)晶室；
[0011]所述的爐殼為一個(gè)箱式金屬殼體，由鋼制金屬材料制成；爐殼的頂部外沿具有法蘭結(jié)構(gòu)，法蘭結(jié)構(gòu)之下的一段爐殼的外壁設(shè)有冷卻水套，法蘭結(jié)構(gòu)下部的爐殼上焊有真空抽氣管；爐殼頂部法蘭結(jié)構(gòu)下沿處還焊有可以向爐內(nèi)充入氬氣或其它惰性氣體的充氣管和顯示爐內(nèi)壓力和真空情況的真空壓力表；
[0012]所述的爐蓋用鋼質(zhì)金屬材料制成，爐殼上沿的法蘭結(jié)構(gòu)與爐蓋之間設(shè)有真空墊圈；
[0013]所述的爐內(nèi)襯由爐側(cè)部?jī)?nèi)襯和爐底內(nèi)襯組成，爐側(cè)部?jī)?nèi)襯的內(nèi)壁為耐火材料制成的墻體，稱為爐壁耐火材料墻體，爐底內(nèi)襯的內(nèi)層為由耐火材料制成的襯體，稱為爐底耐火材料襯體，爐壁耐火材料墻體與側(cè)壁爐殼之間是由保溫材料制成的襯體，稱為爐壁保溫材料襯體；爐底耐火材料襯體與爐底爐殼之間為由保溫材料制成的襯體，稱為爐底保溫材料襯體；
[0014]所述的爐壁耐火材料墻體高于爐壁保溫材料襯體，爐壁耐火材料墻體的頂部有槽型開(kāi)口，通過(guò)此槽型開(kāi)口使電解質(zhì)結(jié)晶室與堿金屬結(jié)晶室連通；
[0015]所述的爐內(nèi)中部的耐火材料墻體是坐落在爐底耐火材料襯體之上的，與爐底耐火材料襯體垂直的，且緊靠電阻發(fā)熱體的內(nèi)側(cè)面垂直向上的墻體；爐內(nèi)中部耐火材料墻體的高度等于或低于爐壁耐火材料墻體的高度，當(dāng)爐內(nèi)中部耐火材料墻體的高度等于爐壁耐火材料墻體的高度時(shí)，爐內(nèi)中部耐火材料墻體的頂部設(shè)有槽型開(kāi)口，通過(guò)此槽型開(kāi)口將