CN110938838B

CN110938838B - 利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法

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Publication number: CN110938838B
Application number: CN201911073837.8A
Authority: CN
Inventors: 彭建平; 梁诚; 狄跃忠; 魏征; 王耀武; 冯乃祥
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2039-11-06
Also published as: CN110938838A

Abstract

一种利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，按以下步骤进行；(1)将铝电解槽阳极炭渣粉碎；(2)粉碎炭渣与NaCl混合；(3)装入坩埚，升温至810～1020℃，获得混合物熔盐；(4)混合物熔盐冷凝；置于水中搅拌溶解，获得上层的悬浊液和底部的一次沉淀；(5)悬浊液与沉淀分离后过滤获得滤液和滤渣；(6)滤渣水洗烘干获得一次炭粉；滤液蒸发结晶得到一次NaCl盐；(7)一次沉淀与一次NaCl盐混合，重复步骤(3)～(6)，分别得到二次沉淀、二次炭粉和二次NaCl盐；二次沉淀烘干形成电解质。本发明的方法节省了大量的预处理时间和成本；原料价格低廉，处理过程简单，环保无有毒副产物产生。

Description

利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法

技术领域

本发明属于冶金及环保技术领域，特别涉及一种利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法。

背景技术

熔盐电解法生产金属铝是当今世界工业炼铝的唯一方法，该方法以熔融冰晶石为溶剂，以氧化铝为原料，炭素体做为阳极和阴极，在920～950℃下电解得到金属铝液。目前铝电解预焙阳极主要由骨料(石油焦)和粘结剂(沥青)制成，在电解铝生产过程中，由于碳素阳极中的骨料和粘结剂的抗氧化能力不一致，加上铝液和电解质的侵蚀、冲刷等原因，导致部分石油焦颗粒从基体上脱落，进入熔盐电解质中形成炭渣。

电解槽内炭渣的存在对铝电解生产过程存在很大的影响。电解槽中的炭渣主要为粉状和颗粒状，主要混合在电解液内部或者悬浮在电解液上层，不仅会影响电解质的物理化学性能，如电导率、流动性等，而且在槽电压恒定的情况下，导致极距减小，加剧电解质与铝液界面上铝的二次溶解损失，最终导致电流效率降低等问题。因此，为保证铝电解生产过程正常进行，铝电解槽电解质中的炭渣必须由工人定期打捞；在打捞炭渣的过程中，大量粘附在炭渣表面的电解质被一同打捞走，比例通常占60～80％；据统计每生产1t原铝约产生炭渣3～5kg，2017年我国原铝产量3227万吨，电解铝企业产生炭渣总计约29万吨，其中炭渣带走的电解质约17.4万吨，造成了电解质的大量浪费。

目前，铝电解槽阳极炭渣分离回收的方法主要由一下几种：(1)浮选法；炭渣加水磨细至一定浓度和粒度，加入浮选药剂搅拌处理，然后进入浮选机并导入空气形成气泡；炭粉随气泡上浮至矿浆上部取出，电解质自浮选槽底流排出，从而实现炭渣中炭粉与电解质分离的目的；浮选虽然具有处理成本低、劳动用工少、工人劳动强度小、生产环境好等优点，但是电解质回收率低，回收电解质含碳量高(约5％)，不利于返回铝电解生产用；回收后的炭中仍含有20％左右的电解质，这种含20％左右的炭质泥浆仍旧不易处理，也难以得到回收利用；浮选废水中含有氟离子，需进行废水处理，增加回收成本；(2)焙烧法；炭渣在一定温度下焙烧，使炭渣中的炭、氢等可燃物充分燃烧，所得焙烧产物即为电解质，从而实现炭渣中电解质与炭分离的目的；缺点是高温焙烧会产生二次环保问题；焙烧时间长，生产效率低下，不利于大规模处理炭渣；工人劳动强度大，劳动环境恶劣等；(3)真空冶炼法；将炭渣磨成细粉后加入合适的粘结剂并压制成团，然后在真空炉中利用电解质在高温下的易挥发特性，使电解质在真空炉上部冷却凝结，而炭留在罐体中，从而达到分离的目的；但是该方法分离率较低，电解质的分离率在83％以上，残余炭渣中炭含量在74％左右，且需要一定的真空度等苛刻条件，限制了该方法的大规模应用推广。其它的一些方法，如用酸液或者碱液浸出炭渣中的电解质等，但这些方法都不能使炭渣和电解质彻底分离，且工艺复杂，成本较高，均未在工业上获得应用。

发明内容

针对现有电解槽阳极炭渣处理技术存在的上述各种问题，本发明提供一种利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，将NaCl与阳极炭渣混合均匀后，加热至810～1020℃使二者熔融，然后利用NaCl易溶于水的物理特性实现电解质和炭的分离，在降低分离成本的同时，提高电解质和炭的分离效率。

本发明的方法按以下步骤进行；

(1)将铝电解槽阳极炭渣中的大块粉碎，制成粒径≤20mm的粉碎炭渣；

(2)将粉碎炭渣与NaCl混合均匀，制成混合物料，混合物料中NaCl与粉碎炭渣的质量比≥2；

(3)将混合物料装入坩埚内，再置于电炉中升温至810～1020℃，当混合物料完全融化后，获得由NaCl、电解质和炭共同存在的混合物熔盐；

(4)将混合物熔盐随炉冷却至凝固，获得凝固混合盐；将凝固混合盐置于水中，搅拌使水溶性成分溶解，获得的物料中上层为悬浊液，底部为一次沉淀；

(5)将悬浊液倾倒出去与沉淀分离，再将分离出来的悬浊液过滤获得滤液和滤渣；

(6)将滤渣水洗去除NaCl成分，然后烘干去除水分，获得一次炭粉；将滤液蒸发结晶得到一次NaCl盐；

(7)将一次沉淀与一次NaCl盐混合，获得的二次混合物料重复步骤(3)～(6)，分别得到二次沉淀、二次炭粉和二次NaCl盐；其中二次沉淀经烘干去除水分后形成电解质。

上述方法中，二次NaCl盐返回步骤(2)作为NaCl循环使用。

上述的铝电解槽阳极炭渣的元素成分按质量百分比含C 29.7％，Na 16.6％，Al11.3％，F34.1％；其中Na、Al和F为电解质成分。

上述方法中，一次炭粉和二次炭粉的C回收率≥85％。

上述方法中，一次炭粉和二次炭粉的混合物中按质量百分比含C≥85％。

上述方法中，NaCl与粉碎炭渣质量比为2～4，混合物料置于电炉中升温至880～950℃。

上述方法中，NaCl与粉碎炭渣质量比值越大，在电炉中升温的温度可以越低，炭和电解质的分离效果越好。

上述的步骤(4)中，搅拌停止后立即将悬浊液倾倒出去，避免悬浊液中的炭沉降。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：1、前处理过程简单，不需要将其全部粉碎至粒径为微米级别的粉末状，节省了大量的预处理时间和成本；2、原料NaCl价格低廉，易于获得，而且消耗很少，可以回收循环利用；3、与浮选法、高温焙烧法、真空蒸馏法等现有技术比较，处理过程简单，不需要苛刻的反应条件，成本低，环保无有毒副产物产生，可以快速处理大量的铝电解槽阳极炭渣。

本发明的方法是在高温下用大量的NaCl熔盐萃取出炭成分，使原先与炭结合的电解质与炭分离，然后利用NaCl盐易溶于水的物理特性，实现电解质和炭的分离回收。

附图说明

图1为本发明的利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法流程示意图；

图2为本发明实施例1中一次炭粉的XRD图；

图3为本发明实施例1中二次炭粉的XRD图；

图4为本发明实施例1中电解质的XRD图；

图5为本发明实施例1中二次NaCl盐的XRD图。

具体实施方式

本发明实施例中过滤采用布氏漏斗抽滤。

本发明实施例中采用的X射线衍射设型号为X Pertpro。

本发明实施例中采用的水均为去离子水。

本发明实施例中采用的NaCl为市购产品。

本发明实施例中采用的坩埚为刚玉坩埚。

以下为本发明优选实施例。

本发明实施例中获得的电解质纯度≥88％。

本发明实施例中，二次沉淀的烘干温度为100±5℃，时间至少10min。

本发明实施例中，混合物料在电炉中升温至810～1020℃后，保温20min。

实施例1

流程如图1所示；

将铝电解槽阳极炭渣中的大块粉碎，制成粒径≤20mm的粉碎炭渣；铝电解槽阳极炭渣的元素成分按质量百分比含C 29.7％，Na 16.6％，Al 11.3％，F 34.1％；其中Na、Al和F为电解质成分；

将粉碎炭渣与NaCl混合均匀，制成混合物料，混合物料中NaCl与粉碎炭渣的质量比为4；

将混合物料装入坩埚内，再置于电炉中升温至880℃，当混合物料完全融化后，获得由NaCl、电解质和炭共同存在的混合物熔盐；

将混合物熔盐随炉冷却至凝固，获得凝固混合盐；将凝固混合盐置于水中，搅拌使水溶性成分溶解，获得的物料中上层为悬浊液，底部为一次沉淀，XRD图如图2所示；

将悬浊液倾倒出去与沉淀分离，再将分离出来的悬浊液过滤获得滤液和滤渣；

将滤渣水洗去除NaCl成分，然后烘干去除水分，获得一次炭粉；将滤液蒸发结晶得到一次NaCl盐；

将一次沉淀与一次NaCl盐混合，获得二次混合物料，然后重复制成混合物熔盐-加水溶解-过滤-滤渣烘干/蒸发结晶步骤，分别得到二次沉淀、二次炭粉和二次NaCl盐；二次NaCl盐XRD图如图5所示，作为NaCl循环使用；二次炭粉XRD图如图3所示；

二次沉淀经烘干去除水分后形成电解质，XRD图如图4所示，电解质纯度88.5％；

一次炭粉和二次炭粉的C回收率86％；一次炭粉和二次炭粉的混合物中按质量百分比含C 87％。

实施例2

方法同实施例，不同点在于：

(1)混合物料中NaCl与粉碎炭渣的质量比为2；

(2)混合物料升温至900℃融化；

(3)电解质纯度90.3％；一次炭粉和二次炭粉的C回收率85％；一次炭粉和二次炭粉的混合物中按质量百分比含C 88％。

实施例3

方法同实施例，不同点在于：

(1)混合物料中NaCl与粉碎炭渣的质量比为3；

(2)混合物料升温至950℃融化；

(3)电解质纯度90.6％；一次炭粉和二次炭粉的C回收率86％；一次炭粉和二次炭粉的混合物中按质量百分比含C 86％。

Claims

1.一种利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于按以下步骤进行；

（1）将铝电解槽阳极炭渣中的大块粉碎，制成粒径≤20 mm的粉碎炭渣；铝电解槽阳极炭渣的选用元素成分按质量百分比含C 29.7%，Na 16.6%，Al 11.3%，F 34.1%；其中Na、Al和F为电解质成分；

（2）将粉碎炭渣与NaCl混合均匀，制成混合物料，混合物料中NaCl与粉碎炭渣的质量比≥2；

（3）将混合物料装入坩埚内，再置于电炉中升温至810~1020℃，当混合物料完全融化后，获得由NaCl、电解质和炭共同存在的混合物熔盐；

（4）将混合物熔盐随炉冷却至凝固，获得凝固混合盐；将凝固混合盐置于水中，搅拌使水溶性成分溶解，获得的物料中上层为悬浊液，底部为一次沉淀；

（5）将悬浊液倾倒出去与沉淀分离，再将分离出来的悬浊液过滤获得滤液和滤渣；

（6）将滤渣水洗去除NaCl成分，然后烘干去除水分，获得一次炭粉；将滤液蒸发结晶得到一次NaCl盐；

（7）将一次沉淀与一次NaCl盐混合，获得的二次混合物料重复步骤（3）~（6），分别得到二次沉淀、二次炭粉和二次NaCl盐；其中二次沉淀经烘干去除水分后形成电解质。

2.根据权利要求1所述的一种利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于所述的二次NaCl盐返回步骤（2）作为NaCl循环使用。

3.根据权利要求1所述的一种利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于所述的一次炭粉和二次炭粉的C回收率≥85%。

4.根据权利要求1所述的一种利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于所述的一次炭粉和二次炭粉的混合物中按质量百分比含C≥85%。

5.根据权利要求1所述的一种利用NaCl熔盐萃取法处理铝电解槽阳极炭渣的方法，其特征在于步骤（2）中，NaCl与粉碎炭渣质量比为2~4，混合物料置于电炉中升温至880~950℃。