一種從鋁熔鹽電解含炭固體廢料中分離回收炭和電解質(zhì)組分的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金環(huán)境領(lǐng)域，特別涉及一種從鋁熔鹽電解含炭固體廢料中分離回收炭和電解質(zhì)組分的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)中某些輕金屬和稀土金屬都是采用熔鹽電解的方法生產(chǎn)，如鋁、稀土金屬鑭、鈰、銣等。鋁是用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解的方法生產(chǎn)，其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，而實際上每生產(chǎn)一噸金屬鋁，炭陽極消耗在0.4噸左右，即實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對炭陽極進行氧化而損失掉，還有相當大的一部分消耗是電解過程中部分炭從陽極上脫落進入電解槽中成為炭渣。這種炭渣有細粉狀和顆粒狀，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60?80%，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。
[0003]冰晶石-氧化鋁熔鹽電解槽的陰極和槽邊部內(nèi)襯使用炭質(zhì)材料，一般都是以煅后的無煙煤或人造石墨或煅后的無煙煤與人造石墨混合為骨料，加入瀝青粘結(jié)劑，經(jīng)混捏、成型后在1000?1300°C的溫度下煅燒制取。并且電解槽陰極之間以及陰極與槽邊部內(nèi)襯之間均使用炭素糊進行搗固粘結(jié)，以防止電解槽中的電解質(zhì)和鋁液從電解槽中漏出。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。在電解槽的整個使用周期內(nèi)，電解質(zhì)和金屬鈉會一直向陰極和槽邊部內(nèi)襯的炭質(zhì)材料中滲透。鋁電解槽陰極和槽邊部內(nèi)襯的使用壽命一般為4-6年，電解槽破損后，滲透了電解質(zhì)的陰極和槽邊部內(nèi)襯從電解槽中刨出，并堆積到特定的地方。目前，尚無一個技術(shù)上和經(jīng)濟上都可行的方法將陽極、陰極以及槽邊部內(nèi)襯中的炭和電解質(zhì)組分進行有效分離回收。
[0004]目前處理鋁熔鹽電解含炭固體廢料的方法主要有以下幾種:(I)浮選法，炭渣浮選的原理是將炭渣加水磨細，達到符合要求的粒度和濃度后，加入浮選藥劑進行攪拌處理，然后進入浮選機導(dǎo)入空氣形成氣泡，此時可浮的物料就夾雜在氣泡中浮至礦漿表面，隨泡沫從上部取出，剩余物料從浮選槽的底部排出從而達到分選的目的。但是，用浮選法尚不能徹底地將炭渣中的炭分離出來，采用浮選分離出來的炭渣中仍含有20%左右的電解質(zhì)，這種含20%左右的炭質(zhì)泥漿不易處理，也無法得到回收利用，因此未在工業(yè)上應(yīng)用。(2)氧化焙燒法，將含電解質(zhì)的炭塊磨細后直接進行有氧焙燒，炭氧化變?yōu)槎趸己?，回收炭渣中的電解質(zhì)。用這種方法如果不將燃燒過程中產(chǎn)生的熱能加以利用，則該方法的經(jīng)濟性并不合算，且燃燒過程中產(chǎn)生大量的含氟氣體對環(huán)境造成二次污染。還有其它一些處理方法，如用堿液或酸液浸取炭渣中的電解質(zhì)等，但這些方法都不能使炭渣和電解質(zhì)徹底分離，且工藝復(fù)雜，成本高，在工業(yè)上均未獲得應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的各種問題，本發(fā)明提供一種從鋁熔鹽電解含炭固體廢料中分離回收炭和電解質(zhì)組分的方法，采用真空條件將物料加熱到1000?1400°C，使物料中的非炭質(zhì)組分以氣態(tài)形式與炭分離，整個分離過程不產(chǎn)生二次污染，分離后的電解質(zhì)和炭均可回收再利用，最大限度的實現(xiàn)了含炭固體廢料的價值。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種從鋁熔鹽電解含炭固體廢料中分離回收炭和電解質(zhì)組分的方法，按照以下工藝步驟進行:
(1)當鋁熔鹽電解含炭固體廢料粒徑大于60mm，將固體廢料破碎成粒徑為5?60mm的細顆粒；當鋁熔鹽電解含炭固體廢料粒徑小于5_，將固體廢料與有機粘結(jié)劑混勻加熱，制成粒徑為20?60mm的團狀料，其中粘結(jié)劑加入量為固體廢料重量的3?20%，加熱溫度為100 ?600。。；
(2)將細顆粒或團狀料裝入真空罐內(nèi)，抽真空并加熱蒸餾，真空度為I?lOOPa，加熱蒸餾溫度為1000?1400°C，蒸餾時間為I?10h，蒸餾完畢在真空罐的結(jié)晶器中收集電解質(zhì)組分，在罐體中收集炭。
[0006]所述鋁熔鹽電解含炭固體廢料包括陰極炭塊，槽邊部內(nèi)襯炭塊和陽極炭渣，當固體廢料為陰極炭塊和槽邊部內(nèi)襯炭塊時，真空罐的結(jié)晶器中還收集有金屬鈉。
[0007]所述電解質(zhì)組分包括冰晶石，氟化鋁，氟化鈉，氟化鎂，還可以包括氟化鈣和/或氟化鉀和氟化鋰；當電解質(zhì)組分包括氟化鉀和氟化鋰，且固體廢料為陰極炭塊和槽邊部內(nèi)襯炭塊時，真空罐的結(jié)晶器中還收集有金屬鉀和鋰。
[0008]所述有機粘結(jié)劑為碳氫質(zhì)粘結(jié)劑，包括煤焦油、聚乙烯醇。
[0009]所述加熱蒸餾溫度為1000?1400°C分為以下兩種情況，當電解質(zhì)組分不含有氟化鈣時，加熱蒸餾溫度為1000-1200°C ;當電解質(zhì)組分含有氟化鈣時，加熱蒸餾溫度為1300-1400。。。
[0010]本發(fā)明的真空加熱蒸餾過程使用的真空罐與目前工業(yè)應(yīng)用的皮江法煉鎂罐相似，真空罐分為罐體和結(jié)晶器，結(jié)晶器外部有水冷套進行冷卻，對罐體進行加熱，固體廢料中的電解質(zhì)和金屬(鈉、鉀、鋰)被加熱到一定溫度后以氣體形式蒸發(fā)與炭分離，電解質(zhì)和金屬氣體蒸發(fā)到結(jié)晶器中，由于電解質(zhì)熔點高，其首先在靠近罐體的結(jié)晶器一端(溫度在600-1000°C )結(jié)晶成為固體電解質(zhì)，而金屬鈉鉀鋰由于熔點低，其在遠離罐體的結(jié)晶器另一端(溫度在300°C以下)冷凝為固體金屬，從而自然分離開。
[0011]鋁熔鹽電解含炭固體廢料中鈉、鉀、鋰全部是在電解過程中由氟化鈉、氟化鋰和氟化鉀電解產(chǎn)生的，電解產(chǎn)生金屬鈉、鉀、鋰會向陰極炭塊中滲透進入炭晶格中，如以下化學(xué)反應(yīng)方程式所示:
在陰極發(fā)生的還原反應(yīng)為:Na++e=Na K++e=K Li++e=Li
本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明方法處理鋁熔鹽電解含炭固體廢料，可實現(xiàn)炭、金屬鈉鉀鋰和電解質(zhì)的徹底分離，且工藝簡單，成本較低，整個分離過程無廢渣、廢氣、廢水產(chǎn)生，是一種節(jié)能環(huán)保的處理方法，非常適合在工業(yè)上大規(guī)模推廣應(yīng)用。此外，本發(fā)明方法處理的廢炭塊中炭的回收率可達到100%，含量在95%以上。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明方法處理陰極和槽邊部內(nèi)襯炭塊的工藝流程圖；
圖2為本發(fā)明方法處理陽極炭渣的工藝流程圖；
圖3為本發(fā)明實施例1陰極炭塊的物相分析圖；
圖4為本發(fā)明實施例1罐體中收集炭的物相分析圖；
圖5為本發(fā)明實施例3陽極炭渣的物相分析圖；
圖6為本發(fā)明實施例3罐體中收集炭的物相分析圖；
圖7為本發(fā)明實施例4槽邊部內(nèi)襯