燃烧法处理铝电解废阴极炭块的实验研究

２０１８年第６期　轻金属　·３５·　燃烧法处理铝电解废阴极炭块的实验研究　陈本松，杨万章，杨金星，王灿松，江俊　（云南云铝润鑫铝业有限公司，云南个旧６６１０１７）　摘要：本文详细阐述了燃烧法处理铝电解废旧阴极炭块的实验研究，重点介绍了燃烧法处理铝电解废旧阴极炭块过　程中粒度与结渣、失重率的关系，详细分析了空气流量、投料量及次数对废旧阴极炭块燃烧温度和速率的影响，同时介　绍了通过燃烧法处理铝电解废旧阴极炭块得到的固体产物和烟气中氟化物的去向。　关键词：电解废阴极炭块；燃烧法；实验研究　中图分类号：ＴＦ８２１文献标识码：Ａ文章编号：１００２—１７５２（２０１８）０６—００３５—０５　ＤｏＩ：１０．１３６６２／ｊ．ｅｎｋｉ．ｑｊｓ．２０１８．０６．００８　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｗａｓｔｅ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｌｏｃｋｓ　ｂｙ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｃｈｅｎ　Ｂｅｎｓｏｎｇ，Ｙａｎｇ　Ｗａｎｚｈａｎｇ，Ｙａｎｇ　Ｊｉｎｘｉｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｃａｎｓｏｎｇ　ａｎｄ　Ｊｉａｎｇ　Ｊｕｎ　（Ｙｕｎｎａｎ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｄ　￡　Ｒｕｎｘｉｎ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｃｏ．．Ｌｔｄ．，Ｇｅｊｉｕ　６６１０１７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗａｓｔｅ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｌｏｃｋｓ　ｗａｓ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅｓ，ｓｌａｇｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｗｅｉｇｈｔ　ｌｏｓｓ　ｒａｔｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｗｅｒｅ　ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｅ￣ｅｔｓ　ｏｆ　ａｉｒ　ｌｆｏｗ　ｒａｔｅ，ｍａ—　ｔｅｒｉｌ　ｑｕａｎｔａｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｉｍｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｗａｓｔｅ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｌｏｃｋ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｕｍｉａｎｕｍ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｗａｓｔｅ　ｃａｔｈｏｄｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｔｅ　ｏｆ　ｌｆｕｏｒｉｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｕｅ　ｇａｆｓ　Ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｗａｓｔｅ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｌｏｃｋ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ　ｓｔａｕｄｙ　众所周知，铝电解废旧阴极炭块是铝电解生产　过程中不可避免的固体废弃物，对生态环境危害很　废旧阴极炭块的污染问题显得越来越突出，成为制　约铝电解企业节约资源、减污减排的瓶颈问题＿４　Ｊ，　大，主要是其含有较高的可溶氟化物和氰化物，铝电　解废旧阴极炭块如不妥善处置，可溶氟化物会污染　地表水和地下水，并且释放出有害的气体污染大气，　对动植物生长有较大危害…。２００７年，《危险废弃　物的鉴别标准一浸出毒性鉴别》（ＧＢ５０８５—２００７）标　准规定浸出液含氟浓度在ｌＯＯｍｇ／Ｌ以上即为危险　废弃物，按此标准进行评价，电解槽废旧阴极炭块属　于危险废弃物，必须进行无害化处理　Ｊ。同时２０１６　年《国家危险废物名录》中明确规定，ＨＷ４８有色金　属冶炼废物电解铝过程中电解槽维修及废弃产生的　废渣（３２１—０２３—４８）具有毒性，属于危险废物。然　因此研究铝电解槽废旧阴极炭块的综合利用工艺，　既是资源回收的内容，也是环境保护的要求，将铝电　解槽废阴极炭块变废为宝，既能保护环境，又可以解　决资源问题，符合我国可持续发展战略的要求。　１　实验方法及过程　１．１实验原料预处理　实验所用的废旧阴极炭块原料取自云南某电解　铝厂，废旧阴极炭块原料取至实验室前，先进行机械　破碎包括粗碎（鄂式破碎机）、中碎（锤式破碎机），　然后在实验室进行人工磨碎，将其筛分为粒径小于　０．３０ｍｍ、０．３～３．０ｍｍ、大于３ｒａｍ三粒级混合均匀，　而有资料表明，每填埋或丢弃１吨废旧阴极，相当于　丢弃能源材料碳约３３０公斤，同时有约１５０公斤有　害氟化物和２公斤氰化物威胁着生态环境　ｊ，既浪　费了价格不菲的电解质和阴极碳，又带来了严重的　环境污染问题。随着我国铝电解工业的快速发展，　保存待用。同时对实验所用的废旧阴极炭块原料进　行分析，含碳６９．３５％，含氟７．４４％，其主要成分如　表１所示。　作者简介：陈本松（１９８７一），男，云南永善人，工程师，主要从事铝电解管理及研究。　收稿日期：２０１８一Ｏ１—０２　·３６·　陈本松等：燃烧法处理铝电解废阴极炭块的实验研究　２０１８年第６期　表１铝电解废旧阴极炭块的主要成分。％　成，在铝电解过程中通过炭块的微孔浸入到炭块内　部。　１．２实验设备及试剂　燃烧法处理废旧阴极炭块实验所用的设备及试　剂如表２所示。　实验设备　型号　生产厂家及来源　１．３实验步骤和方法　为了清晰的掌握燃烧法处理铝电解废旧炭块的　影响因素，本实验设计一套如图１所示燃烧法处理　铝电解废旧炭块的实验设备，破碎后的铝电解废旧　炭块直接放于顶吹炉，利用压缩空气机将定量的压　缩空气通人破碎后的铝电解废旧炭块表面助燃，从　而使铝电解废旧炭块连续燃烧，燃烧时产生的烟气　利用自制的ＩＩＩ级氧化铝吸附装置进行吸附，氧化铝　吸附后的烟气再进入氢氧化钠溶液进行吸收，吸收　从表１可以看出，铝电解阴极炭块的主要成分　后的烟气排空。　是碳，其他由ＮａＦ、Ｎａ，ＡＩＦ　、ＣａＦ　等铝电解质成分组　级　级　三级　氧化铝　氧化化　氧化铝　吸附装置吸附装置吸附装置　图１燃烧法处理铝电解废Ｉ１５ｔ炭块实验设备流程图　１．３．１　粒度与失重率、结渣率的关系　为了得出燃烧法处理铝电解废旧炭块实验粒度　与失重率、结渣率的关系，我们选定燃烧重量２００ｇ　和空气流量３．５～４．Ｏｍ。／ｈ，分别筛分粒度小于　０．０７５ｍｍ、小于０．１５ｍｍ、小于０．３ｍｍ、小于１．Ｏｍｍ、　小于２ｒａｍ、小于３ｍｍ及小于９ｍｍ等７组铝电解废　旧炭块进行实验，具体关系如图２所示。　从图２可以看出，随着粒度的增大，燃烧法处理　废阴极炭块失重率先上升后降低，粒度为１ｍｍ以下　的废阴极炭块失重率最高，结渣率随着粒度的增大　２０１８年第６期　图２粒度与失重率、结渣率关系图　轻金属　·３７·　而减少，燃烧粒度０．３—３ｍｍ以下的废阴极炭块失　重率保持在８５％以上，燃烧效果较好。　１．３．２　空气流量与失重率、结渣率的关系　为了得出燃烧法处理铝电解废旧炭块实验空气　流量与失重率、结渣率的关系，我们选定燃烧重量　２００ｇ和粒度＜１．Ｏｍｍ，分别选定空气流量粒度小于　１．ＯＯｍ　／ｈ、１．５０ｍ。／ｈ２．５０ｍ。／ｈ３．ＯＯｍ　／ｈ、３．５０ｍ　／　、、ｈ、４．ＯＯｍ　／ｈ及４．５０ｍ　／ｈ等７组铝电解废旧炭块进　行实验，具体参数如表３所示。　表３　空气流量与失重率、结渣率统计表　编号空　流量ｍ　／ｈ　２０１７６２４　２．０ｏ　２０１７６２５　２．５０　图３　空气流量与失重率、结渣率关系图　从图３可以看出，随着空气流量的增大，燃烧法　结渣率　％　２．６　２．７　粒径　燃烧前重量ｍｍ　ｇ　燃烧后重量ｇ　１４７　ｌＯ４　失重率％　２６　４８　处理废阴极炭块失重率呈线性上升，当空气流量达　到４．Ｏｍ　／ｈ后，失重率达到９０％以上，失重率和结　渣率的上升趋势减慢，说明废阴极炭块基本燃烧完　毕。　１．３．３投料量及次数对废旧阴极炭块燃烧温度和　速率的影响　２０１７６２６　３．００　瓣　水　５７　７２　８２　９０．５　９４．５　３．１　３．４　３．９　３．８　加１７６２７　３．５０　＜１．Ｏ　２００　３７　∞如∞加印卯加如加ｍ　０　２０ｌ７６２８　４．００　２０１７６２９　４．５０　１９　儿为了更直观的掌握投料量及次数对废旧阴极炭　块燃烧温度和速率的影响，本实验将燃烧重量扩大，　２０１７６３０　５．００　９　９５．５　３．５　同时选取不同投料次数进行５组实验，具体实验参　根据表３做出空气流量与失重率、结渣率关系　如图３所示。　数如表４所示。　表４投料量及次数对废旧阴极炭块燃烧性能统计表　从表４中可以看出在相同粒度下，空气流量越　大废旧阴极炭块的失重率会越高，结渣率越小，说明　空气流量越大废旧阴极炭块燃烧越充分，同时可以　看出单次投料量及投料次数对失重率和结渣率影响　程度不大。　同时将表４中具有代表性的２０１７７２０和　２０１７７２３两组绘制投料量、投料次数、时间、空气流　量和温度的关系曲线如图４所示。　从图４（左）可以看出，２０１７７２０实验组每次投　料ｌＯ００ｇ（粒度０．３—３．Ｏｍｍ），投料３次共计３０００ｇ，　开始利用电阻炉将废旧阴极炭块加热至６８０ｏＣ，然　后缓慢通入压缩空气，随着压缩空气流量的增加，温　度快速上升至１２００ｏＣ，此时关闭压缩空气后废旧阴　极炭块可以实现自燃。自燃６０ｍｉｎ温度开始急剧下　降，此时开始装入的ｌＯ００ｇ废旧阴极炭块已经燃烧　完毕。进行第二次投料时间６２ｍｉｎ，温度已降至　６００￣Ｃ，加料完毕后将通入的压缩空气流量调整至　５．Ｏｍ　／ｈ，温度快速上升至１３００ｏＣ，燃烧至１３５ｍｉｎ　开始第三次投料。本次实验总反应时间为３１４ｍｉｎ，　总燃烧速率８．１８ｇ／ｍｉｎ。从图４（右）可以看出，　２０１７７２３实验组每次投料２００％（粒度０．３～　３．Ｏｍｍ），投料２次共计４０００ｇ，第二次投料为　１２５ｍｉｎ，总反应时间为３６０ｍｉｎ，总燃烧速率９．８９ｇ／　ｍｉｎ。同时统计２０１７７１８和２０１７７２４五组废旧阴极　炭块燃烧速率如图５所示。　·３８·　陈本松等：燃烧法处理铝电解废阴极炭块的实验研究　２０１８年第６期　ｐ　赠　Ｏ　Ｏ　０　０　０　Ｏ　０　Ｏ　０　０　０　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　如　∞　舳加∞如如如　图４　２０１７７２０（左）、２０１７７２３（右）空气流量、时间和温度的关系曲线图　收尘、结渣和余料，对于含碳６９．３５％的废旧阴极炭　块，其固体产物产出率如表５所示。　宝　目　∞　＾　．ｐ　巡赠　０　９　８　７　６　５　４　３　２，　表５燃烧法处理铝电解废ｌ１５ｔ炭块固体产物产出率　４　３　２　∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞０　糌　幽　图５五组实验燃烧速率曲线　烟尘冷凝物去向分析：通过烟尘冷凝物物相分　析，其中主要物质成分为Ａ１Ｆ，和ＮａＦ，是铝电解槽　生产的主要原料，可以直接送电解槽进行生产使用。　燃烧后废旧阴极炭块产生结渣的化学成分如表　６所示。　表６燃烧后废旧阴极炭块产生结渣的　化学成分分析结果。％　据图５可以看出，反应速度最快的为２０１７７２３　组，最慢的为２０１７７２０组，结合图４可以确定将废旧　阴极炭块焙烧到６８０℃，吹入压缩空气即可实现废　阴极炭块的连续自燃，无需额外提供能源，自燃温度　可以通过调节空气流量进行控制。　１．３．４燃烧法处理铝电解废旧炭块固体产出物去　向分析　燃烧法处理铝电解废旧炭块得到的固体产物有　同时选择具有代表性的２０１７７２０结渣进行　ＸＲＤ分析，判断其物相结构，分析结果如表７所示。　表７　２０１７７２０结渣ＸＲＤ分析结果。％　从表６、７可以看出，结渣内氟元素总含量仅为　２．６５％，且为不溶于水的ＦｅＦ　，属于普通固体废弃　物，结渣的组成以铝硅酸盐为主，因此结渣的资源化　可以并人废槽衬的保温料和耐火砖进行处理。　余料去向分析：余料的产出率为１４．１２％，余料　内氟元素含量为２．１１％，余料由碳质颗粒和铝硅酸　盐颗粒组成，可重新返回原料进行燃烧处理。　１．３．５　ｌＩＩ级氧化铝吸附烟气中氟化物去向分析　本实验对选取其中３组进行ＩＩＩ级氧化铝吸附　烟气中氟化物分析检测，通过原料总氟含量，烧结后　的物料剩余氟含量、一级吸附氧化铝内氟含量、二级　吸附氧化铝内氟含量、三级吸附氧化铝内氟含量、冷　凝物内的氟含量及ＮａＯＨ吸收液内氟含量，计算出　烟气中各段物质中氟含量占总氟含量的百分率，如　表８所示。　２０１８年第６期　轻金属　·３９·　表８各段物质中氟含量占总氟含量的百分率统计表　由表８可见，一级、二级和三级氧化铝吸附和　ＮａＯＨ吸收液中的氟含量所占总氟含量的百分率逐　渐降低，即越到吸收后段，气体氟含量就越少，而实　验最后的差值为管道系统沉积未被收集的氟含量，　ＮａＯＨ吸收液中的氟含量所占总氟含量的百分率为　０．３７％，对此计算出尾气排出氟浓度为３．９１ｍｇ／ｍ　。　国家标准《危险废物焚烧污染控制标准（ＧＢ１８４８４—　２００１）》规定焚烧量小于３００ｋｇ／ｈ的ＨＦ排放标准为　＜９ｍｇ／ｍ　，“ＩＩＩ级氧化铝吸附系统”吸附烟气中氟　化物排放浓度，小于国家标准规定的允许排放浓度。　１．３．６物料平衡计算　为了清晰的物料的走向，我们重新选取１００ｋｇ　废旧阴极物料，进行了详细的物料平衡计算，具体结　果如表９所示。　表９燃烧法处理铝电解废阴极炭块物料平衡计算表　从表９可以看出，即氟化物大部分含在烟尘凝　结物内，同时新鲜氧化铝也吸附了部分。根据表９　可以计算出，投入的１００ｋｇ废旧阴极炭块中含氟　６．４５ｋｇ、重选轻相０．３ｋｇ，累计投入物料含氟　６．７５ｋｇ，产出物料中烟尘５．３９７ｋｇ，余料０．３１２ｋｇ、熔　渣０．０８５ｋｇ、载氟氧化铝０．９５４ｋｇ、尾气０．００４ｋｇ，产　出尾气总量为８７３．８０ｋｇ，根据烟气中ＣＯ　的含量占　３０％测算出体积约为１０２４ｍ　，因此计算出尾气中的　氟排放浓度为３．９１ｍｇ／ｍ　达到国家标准４．０ｍｇ／ｍ　的限值要求。　到的固体产物去向都能实现闭式循环，不会对环境　造成二次污染，同时配套模拟电解铝烟气吸附系统　的“ＩＩＩ级氧化铝吸附系统”吸附烟气中氟化物排放　浓度，能够达到国家标准规定的允许排放浓度。　（３）由于研究水平、实验时间和条件的限制，有　许多工作尚待进一步深入研究，但本实验为今后燃　烧法处理铝电解废旧阴极炭块提供了技术依据和保　障。　参考文献　［１］申士富，王金玲，等．电解铝固体废弃物的环境危害及处理技术　研究现状［ｃ］．中国环境科学学会学术年会论文集，２０１０：８４—　９２．　２　结语　（１）通过燃烧法处理铝电解废旧阴极炭块实验　研究，可以得出在吹人流量４．０～４．５ｍ　／ｈ压缩空　气的条件下，可实现粒度０．３—３ｍｍ废阴极炭块的　连续自燃，无需额外提供能源，自燃温度可以通过调　节空气流量进行控制。　（２）通过燃烧法处理铝电解废旧阴极炭块，得　［２］赵宝华，那永洁，等．废阴极碳的燃烧特性实验研究［Ｊ］．锅炉技　术，２００３，３４（６）：４９—５２．　［３］禄军正．铝电解废阴极浸提及燃烧特性的实验研究［Ｄ］．淄博：　山东理工大学，２００８．　［４］陈喜平．铝电解废槽衬火法处理工艺研究与热工分析［Ｄ］．长　沙：中南大学．　（责任编辑刘宝兰）