鋁電解炭渣資源化綜合利用研究現狀

張亞楠，柴登鵬，周云峰，汪艷芳，白衛國，侯光輝

（中國鋁業鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

Hall-Heroult法是當今世界工業煉鋁的唯一方法，其主要原理是以氧化鋁為原料，以熔融冰晶石為溶劑，以炭素體為陽極，在電解槽內進行電解得到金屬鋁液。在鋁電解生產過程中，炭渣的形成主要是由于受到炭素陽極的不均勻燃燒、選擇性氧化、鋁液和電解質的侵蝕、沖刷等原因的影響，使部分碳顆粒從陽極脫落進入熔鹽電解質中[1]。

電解槽內炭渣的產生對鋁電解過程的影響較大[2-7]。炭渣會增加電解質的電阻率，在槽電壓恒定的情況下，導致極距減小，加劇電解質與鋁液界面上鋁的二次溶解損失，最終導致電流效率降低等問題。

為保證鋁電解生產過程正常進行，鋁電解槽電解質中的炭渣必須定期打撈。在撈炭渣過程當中，電解質因粘附在炭渣表面被帶走，炭渣中通常含有60%左右的電解質。據統計，每生產1t原鋁，約產生炭渣9kg，2017年我國原鋁產量3227萬t，電解鋁企業產生炭渣總計約29萬噸，其中炭渣帶走的電解質約17.4萬噸，造成電解質的大量浪費。

炭渣由于含氟等有毒物質會對環境產生危害，2016年被列入《國家危險廢物名錄》（代碼：321-025-48，危險特性：T）。根據國家相關政策，炭渣禁止棄置或露天堆存，要求在電解鋁企業廠內進行無害化處理或者委托具有危險廢物處理資質的單位處理。

對于工業危險廢物的處置，國家環保部門針對各地區情況規定了不同處置收費標準，一般在1500-5000元/噸。此外，自2018年1月1日起施行的《中華人民共和國環境保護稅法》中規定，每噸危險廢物環境保護稅稅額為1000元。電解鋁企業面臨著高昂的危險廢物處理費用和危險廢棄物環境保護稅的壓力，因此，炭渣的無害化處理及資源化綜合利用技術是電解鋁行業急需解決的難題。

1 國內外鋁電解炭渣產生現狀

鋁電解生產過程中，陽極反應主要為：

理論計算，生產一噸鋁消耗炭陽極量為334kg。但是，在實際鋁電解生產過程中由于炭陽極（活性較高的瀝青焦）與空氣和二氧化碳反應、脫落掉渣等會引起炭陽極的額外消耗，如圖1所示。

表1為各國預焙電解槽炭陽極凈耗和過量消耗情況。明顯可見，我國鋁電解企業炭陽極凈耗量和過量消耗量遠高于國外鋁行業消耗量。這一方面是由于近年來我國炭素陽極生產原料石油焦、瀝青等質量越來越差，影響炭陽極質量所致；另一方面是由于我國鋁電解生產采用低陽極電流密度的工藝路線造成的。這也是我國鋁電解生產噸鋁炭渣量遠大國外鋁行業炭渣量的主要原因。目前，我國鋁電解企業炭渣量一般在5-15kg/t-Al，而有些企業采用炭陽極質量較差，炭渣量高達50 kg/t-Al左右。

圖1 炭陽極消耗關系圖

表1 各國預焙電解槽陽極消耗情況

2 炭渣的成分及特性

炭渣的主要成分是電解質和炭，是一種非常有回收經濟價值的危險廢棄物。表2為國內某電解鋁企業炭渣的化學元素分析結果。可見，炭渣中Na、Al、F元素含量約占52%，C元素約占43%。

表2 炭渣的化學元素組成及含量

分析其成分，如表3所示：

表3 炭渣的成分組成及含量

3 鋁電解炭渣資源化綜合利用技術

近年來，研究學者針對鋁電解炭渣無害化處理及資源化綜合利用方面開展了大量的研究工作。目前，國內公開報道的處理炭渣技術主要有浮選法[8-13]、焙燒法[14-18]、真空冶煉法[19]、流化床技術[20]等。而國外尚未有相關報道。

3.1 炭渣浮選法

炭渣浮選法的基本原理[9,12]是：炭渣加水磨細至一定濃度和粒度，加入浮選藥劑攪拌處理，然后進入浮選機并導入空氣形成氣泡。炭粉隨氣泡上浮至礦漿上面形成泡沫刮出棄之，電解質自浮選槽底流排出，從而實現炭渣中炭粉與電解質分離的目的。

炭渣浮選法工藝流程[9]：炭渣浮選過程主要包括破碎、磨料與分級、浮選、脫水等工序。炭渣浮選工藝流程見圖2所示。

炭渣浮選法的優點：處理成本低；勞動用工少；工人勞動強度小，生產環境好。

炭渣浮選法的缺點：電解質回收率低；回收電解質含碳量高（約5%），不利于返回鋁電解生產用；浮選廢水中含有氟離子，需進行廢水處理，增加回收成本。

近年來，針對傳統炭渣浮選工藝存在的問題，中國鋁業鄭州研究院開發了以無傳動微泡浮選技術為核心的炭渣資源化綜合利用技術，炭渣經過處理，可回收金屬鋁、電解質和炭粉，實現炭渣的高效資源化利用。該技術采用自主研發的專用藥劑，電解質與炭分離效率高，產品雜質含量低：產品電解質C含量＜1.5%，Fe含量＜0.4%，產品可返回鋁電解用；產品炭粉固廢檢測氟化物含量＜100mg/L，符合國家排放標準。

圖3為中國鋁業鄭州研究院炭渣資源化綜合利用技術處理的電解質和炭粉產品。此外，采用無傳動浮選技術，自動化程度高，勞動用工少；整個工藝流程采用了完整的閉路循環工藝，并實現零排放。目前，該技術成熟，已在國內多家電解鋁企業建設炭渣資源化綜合利用生產線項目。

圖2 炭渣浮選工藝流程圖

圖3 電解質和炭粉產品

3.2 炭渣焙燒法

炭渣焙燒法的基本原理[14-16]是：炭渣在一定溫度下焙燒，使炭渣中的炭、氫等可燃物充分燃燒，所得焙燒產物即為電解質，從而實現炭渣中電解質與炭分離的目的。

炭渣焙燒法工藝流程：炭渣焙燒過程主要包括磨料、焙燒、冷卻等工序。炭渣焙燒工藝流程見圖4所示：

圖4 炭渣焙燒工藝流程圖

炭渣焙燒法的優點：回收電解質純度高，可直接返回電解槽循環利用。

炭渣焙燒法的缺點：高溫焙燒會產生二次環保問題；焙燒時間長，生產效率低下，不利于大規模處理炭渣；工人勞動強度大，勞動環境惡劣。

3.3 真空冶煉法

真空冶煉法處理炭渣是在真空爐中將炭渣進行分離處理，利用電解質在高溫下的易揮發特性，使電解質在真空爐上部冷卻凝結，炭留在底部，從而達到分離的目的。柴登鵬等[19]進行了炭渣真空冶煉分離的探索性研究，主要考察了真空度、溫度、原料粒度和反應時間對電解質分離效果的影響。在最優工藝試驗條件下，電解質的分離率在83%以上，殘余炭渣中的碳含量在74%以上。真空冶煉法分離炭渣為鋁電解炭渣的處理提供了一種新思路，目前還處于實驗研究階段，實現工業化應用還需開展更多后續優化研究工作并解決工程應用問題。

3.4 流化床處理技術

流化床處理炭渣嚴格意義上講也屬于炭渣焙燒法的一種，它是利用流化床燃燒效率高、燃燒強度高的優點，更高效地回收炭渣中的電解質。周峻宇等[20]對利用鼓泡流化床技術回收電解鋁炭渣中的電解質進行了研究，建立了鼓泡流化床冷態實驗模型，對流化床技術處理炭渣的各項參數進行了研究，同時搭建了流化床熱態模型并對熱態過程進行了研究。得出了565-734℃理想溫度區間以及流化床的初始床高、炭渣粒度、流化速度等參數對分離效果的影響。在熱態實驗中，電解炭渣中的碳最多只能處理掉66.3%。可見，流化床技術處理炭渣距離工業化應用仍有很大距離，需進一步深入研究。

4 結語

炭渣是鋁電解生產過程中產生的一種危險廢棄物，禁止棄置或露天堆存，相關環保政策要求電解鋁生產企業廠內進行無害化處理或者委托具有危險廢物處理資質的單位處理。目前炭渣資源化綜合利用較為成熟的技術是浮選法。浮選法能夠實現電解質與炭高效分離，回收產品冰晶石電解質雜質含量低，可返回鋁電解用，回收炭粉符合國家排放標準；整個工藝流程閉路循環，能夠實現零排放。焙燒法加入的催化劑和分散劑對回收電解質返回鋁電解過程使用造成不良影響，且炭、氫等可燃物燃燒既浪費資源又會再次產生環保問題。真空冶煉法和流化床技術都還處于實驗室研發階段，距離工業化應用還有很大距離。為滿足當前電解鋁生產企業對高效、環保、低成本處理炭渣的需求，更為先進、綠色環保的炭渣資源化利用技術仍需進一步研究開發。未來炭渣處理技術將朝炭渣資源化利用更充分、處理成本更經濟、設備自動化程度更高、工藝過程更環保且易于實現工業化應用的方向發展。

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