铝电解废碳素用于烟化炉的方法

169 编辑：中冶有色技术网来源：济源市万洋冶炼（集团）有限公司

2025-01-09 15:19:16

权利要求

1.一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)将铝电解废碳素进行预处理，通过高温真空蒸馏将可挥发性物去除，得到二次废碳素;

(2)将步骤(1)中所得的二次废碳素以质量比1:100-100:1的比例与粒度碳、煤、焦炭制成复合还原剂;

(3)将步骤(2)中所得的复合还原剂加入烟化炉进行还原操作。

2.根据权利要求1所述一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的铝电解废碳素还可以通过高温非真空蒸馏法、超高温真空处理、湿法浮选或机械破碎物理分离方式进行预处理。

3.根据权利要求1所述一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的铝电解废碳素为不经过任何方式预处理的铝电解废碳素。

4.根据权利要求1所述一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述步骤(2)中复合还原剂还包括蒸馏后的阳极碳渣或废阴极炭块。

5.根据权利要求1所述一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述步骤(2)中复合还原剂为粉状、粒状或块状中任一种。

6.根据权利要求1所述一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述步骤(3)中烟化炉为侧吹炉、顶吹炉、真空管式炉或底吹炉中的任一种。

7.根据权利要求1所述一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述步骤(3)中烟化炉内熔体还原温度为100-1800℃;炼铅还原炉的一次风用量和二次风用量均为0-10000Nm3/h;炼铅还原炉的一次风氧浓度和二次风氧浓度均为20%-100%，炼铅还原炉的还原时间为1-1000min;炼铅还原炉中造渣剂包括石灰、石灰石，石英、铁矿石、萤石或白云石中任一种。

8.根据权利要求1所述一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述步骤(3)中烟化炉中发生的化学反应如下：

PbO+C=Pb+CO;

PbO+CO=Pb+CO2;

ZnO+C=Zn+CO;

ZnO+CO=Zn+CO2。

9.根据权利要求1所述一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，其特征在于，所述步骤(3)中烟化炉中发生的化学反应还包括如下反应：

2AlF3+3CaO=Al2O3+3CaF2;

2Na3AlF6+6CaO+3SiO2=Al2O3+6CaF2+3Na2SiO3;

2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2SiO3;

4NaCN+9O2+2SiO2=2Na2SiO3+4NO2+4CO2;

2NaCN+4O2+SiO2=Na2SiO3+N2O3+2CO2。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于烟化炉工艺技术领域，具体涉及一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法。

背景技术

[0002]中国是电解铝生产大国，2023年中国电解铝生产总量达到4159.4万吨。由于铝电解使用的炭质阳极和阴极在电解过程中发生选择性氧化和机械损耗，部分炭质成分掉落进入电解质，增大电解质电阻，降低电流效率。掉落的炭质电极在生产过程中被生产人员定期打捞出电解槽，冷却后形成炭渣。炭渣2016年被确定为国家危险废物，我国电解铝工业每年会产生30万吨以上的炭渣，其中含有的碳、冰晶石和氟化钙等是重要的有价资源。电解铝废阴极炭块是铝电解槽拆解过程中产生的固体废弃物，含有大量的氟化物及氰化物，氟化物含量一般在20%-40%，氰化物含量约为100g/t，被《国家危险废物名录》明确列为危险废物，编号为321-023-HW48，如果对这些危险废物不及时利用或处置，废阴极炭块中的大量氟化盐、氰化物等毒害物质，经过风吹、日晒、雨淋会逐步转移至大气、土壤和地下水中，严重影响动植物和人类的健康及生存。电解铝废阴极碳块中含有用矿物C、NaF、冰晶石和CaF2，而且矿物C纯度达到较高水平，经过处理可以制备成碳质还原剂。

[0003]煤炭作为一种传统的化石燃料，长期以来在全球能源结构中占据重要地位，它被广泛用于发电、金属冶炼生产、水泥制造和作为工业能源使用。然而，随着全球气候变化问题的日益严峻，以及环境污染和可持续发展的挑战，煤炭能源的管控成为了全球能源政策的一个重要议题。为了应对环境和气候问题，许多国家和地区实施了一系列政策法规和措施来加强对煤炭能源的管控，这些措施包括限制新建煤电厂、提高排放标准、征收碳税、提供可再生能源补贴等。煤炭作为炼铅还原剂每年会消耗大量，煤炭能源管控对于烟化炉行业也有一定的冲击。

发明内容

[0004]为了解决现有技术中存在的铝电解废碳素处理工艺无法完全回收或大量利用得到的二次炭质废渣，以及烟化炉煤炭等还原剂紧缺等问题，本发明的目的是提供一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法。本申请通过利用铝电解废碳素经过真空蒸馏、湿法浸出或浮选等方法处理后的二次废碳素与煤炭、焦炭等传统还原剂制成复合还原剂或单独使用二次废碳素作为还原剂，或不经任何处理的铝电解废碳素作为还原剂用于烟化炉生产，根据不同处理程度的二次废碳素对烟化炉生产的一次风用量、二次风用量、氧浓度、还原温度、造渣剂和还原时间等重要冶炼参数进行调整，将铝电解废碳夹杂的氟化物转化成的氟化钙，可以改善炉渣的流动性及表面张力，降低烟化炉还原熔炼温度，提升烟化炉物料挥发率，同时通过控制氟元素的带入量，避免生成危险固体废渣，而且通过利用各种方式处理后的二次废碳素作为烟化炉还原剂，可以减少原还原剂煤炭的用量，从而实现了炼铅还原炉的绿色节能降碳。

[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006]一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，所述方法包括如下步骤：

[0007](1)将铝电解废碳素进行预处理，通过高温真空蒸馏将可挥发性物去除，得到二次废碳素;

[0008](2)将步骤(1)中所得的二次废碳素以质量比1:100-100:1的比例与粒度碳、煤、焦炭等还原剂制成复合还原剂;

[0009](3)将步骤(2)中所得的复合还原剂加入烟化炉进行还原操作。

[0010]进一步地，所述步骤(1)中的铝电解废碳素还可以通过高温非真空蒸馏法、超高温真空处理、湿法浮选或机械破碎物理分离等方式进行预处理。

[0011]进一步地，所述步骤(1)中的铝电解废碳素为不经过任何方式预处理的铝电解废碳素。

[0012]进一步地，所述步骤(2)中复合还原剂还包括蒸馏后的阳极碳渣或废阴极炭块。

[0013]进一步地，所述步骤(2)中复合还原剂为粉状、粒状或块状中任一种。

[0014]进一步地，所述步骤(3)中烟化炉为侧吹炉、顶吹炉、真空管式炉或底吹炉中的任一种。

[0015]进一步地，所述步骤(3)中烟化炉内熔体还原温度为100-1800℃;炼铅还原炉的一次风用量和二次风用量均为0-10000Nm3/h;炼铅还原炉的一次风氧浓度和二次风氧浓度均为20%-100%，炼铅还原炉的还原时间为1-1000min;炼铅还原炉中造渣剂包括石灰、石灰石，石英、铁矿石、萤石或白云石中任一种或多种。

[0016]进一步地，所述步骤(3)中烟化炉中发生的化学反应如下：

[0017]PbO+C=Pb+CO;

[0018]PbO+CO=Pb+CO2;

[0019]ZnO+C=Zn+CO;

[0020]ZnO+CO=Zn+CO2。

[0021]进一步地，所述步骤(3)中烟化炉中发生的化学反应还包括如下反应：

[0022]2AlF3+3CaO=Al2O3+3CaF2;

[0023]2Na3AlF6+6CaO+3SiO2=Al2O3+6CaF2+3Na2SiO3;

[0024]2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2SiO3;

[0025]4NaCN+9O2+2SiO2=2Na2SiO3+4NO2+4CO2;

[0026]2NaCN+4O2+SiO2=Na2SiO3+N2O3+2CO2。

[0027]与现有技术相比，本发明具备的积极有益效果在于：

[0028]本发明提供一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，通过此方法，本发明不但可以大量高效、绿色的利用铝电解生产过程中产生的阳极炭渣和废阴极炭块等废碳素危险固体废弃物，而且还可以对烟化炉工艺系统的煤炭消耗进行能源替代，同时通过本发明的方法既消耗了铝电解产生的危险固体废物废碳素，也实现了烟化炉生产的节能降碳，且不产生新的危险固体废物，整个工艺过程具有很好的工业应用前景。

附图说明

[0029]图1是本发明中一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法的工艺流程图;

[0030]图2是本发明实施例1中还原后的尾渣物相分析图;

[0031]图3是本发明实施例2中还原后的尾渣物相分析图;

[0032]图4是本发明实施例5中还原后的尾渣物相分析图。

具体实施方式

[0033]下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

[0034]实施例1

[0035]一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，该方法的具体工艺流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

[0036](1)将铝电解废碳素(废阴极炭块)破碎至粒径为1-3cm，在1100℃、压力30Pa条件下真空蒸馏2h，得到二次废碳素，将其研磨至200目以下;

[0037](2)将步骤(1)中研磨后的废阴极炭块与烟化炉使用高锌渣按质量比100:20比例混合均匀，加入高锌渣总质量2%的石灰作造渣剂，然后制备成球团;

[0038](3)将步骤(2)中制备好的球团放入坩埚，然后将坩埚放入真空管式炉进行熔炼，熔炼温度为1350℃，熔炼时间为2h，一次风用量2000Nm3/h，二次风用量1000Nm3/h，用风的氧浓度为21%。通过熔炼还原后发现，高锌渣还原后的物相分析图如图2所示，从图2可以看出还原后的尾渣主物相为铁酸钙，原硅酸钙和铁橄榄石，并无明显含锌物相，这表明高新渣还原效果良好，达到了实验预期;根据烟化炉高锌渣中残留的锌含量计算烟化炉高锌渣中锌的还原率为80.52%;在真空管式炉中发生的化学反应如下：

[0039]PbO+C=Pb+CO;

[0040]PbO+CO=Pb+CO2;

[0041]ZnO+C=Zn+CO;

[0042]ZnO+CO=Zn+CO2;

[0043]2AlF3+3CaO=Al2O3+3CaF2;

[0044]2Na3AlF6+6CaO+3SiO2=Al2O3+6CaF2+3Na2SiO3;

[0045]2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2SiO3;

[0046]4NaCN+9O2+2SiO2=2Na2SiO3+4NO2+4CO2;

[0047]2NaCN+4O2+SiO2=Na2SiO3+N2O3+2CO2。

[0048]实施例2

[0049]一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，具体包括如下步骤：

[0050](1)将铝电解废碳素(废阴极炭块)破碎至粒径为1-3cm，在1100℃、压力30Pa条件下真空蒸馏2h，得到二次废碳素，，将其研磨至200目以下;

[0051](2)将步骤(1)中研磨后的废阴极炭块与粒度碳粉末以质量比1:1的比例进行混合，制备成复合还原剂;

[0052](3)将步骤(2)制好的复合还原剂与烟化炉使用高锌渣按质量比100:10比例混合均匀，加入高锌渣总质量2%的石灰作造渣剂，然后制备成球团;

[0053](4)将步骤(3)中制备好的球团放入坩埚，然后将坩埚放入真空管式炉进行熔炼，熔炼温度为1250℃，熔炼时间为2h，一次风用量2000Nm3/h，二次风用量1000Nm3/h，用风的氧浓度为21%。通过熔炼还原后发现，高锌渣还原后的物相分析图如图3所示，从图3可以看出还原后的尾渣主物相为硅酸锌钙，铁钙橄榄石和二氧化硅，且硅酸锌钙物相衍射峰明显，这表明高新渣还原效果较差，仍有大量锌未被还原;根据烟化炉高锌渣中残留的锌含量计算烟化炉高锌渣中锌的还原率为75.34%;在真空管式炉中发生的化学反应如下：

[0054]PbO+C=Pb+CO;

[0055]PbO+CO=Pb+CO2;

[0056]ZnO+C=Zn+CO;

[0057]ZnO+CO=Zn+CO2;

[0058]2AlF3+3CaO=Al2O3+3CaF2;

[0059]2Na3AlF6+6CaO+3SiO2=Al2O3+6CaF2+3Na2SiO3;

[0060]2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2SiO3;

[0061]4NaCN+9O2+2SiO2=2Na2SiO3+4NO2+4CO2;

[0062]2NaCN+4O2+SiO2=Na2SiO3+N2O3+2CO2。

[0063]实施例3

[0064]一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，具体包括如下步骤：

[0065](1)将铝电解废碳素(废阴极炭块)破碎至粒径为1-3cm，在1100℃、压力30Pa条件下真空蒸馏2h，得到二次废碳素，将其研磨至200目以下;

[0066](2)将步骤(1)中研磨后的废阴极炭块与粒度碳粉末以质量比2:1的比例进行混合，制备成复合还原剂;

[0067](3)将步骤(2)制好的复合还原剂与烟化炉使用高锌渣按质量比100:20比例混合均匀，加入高锌渣总质量2%的石灰作造渣剂，然后制备成球团;

[0068](4)将步骤(3)中制备好的球团放入坩埚，然后将坩埚放入真空管式炉进行熔炼，熔炼温度为1350℃，熔炼时间为2h，一次风用量2000Nm3/h，二次风用量1000Nm3/h，用风的氧浓度为21%。通过熔炼还原后发现，根据烟化炉高锌渣中残留的锌含量计算烟化炉高锌渣中锌的还原率为81.59%;在真空管式炉中发生的化学反应如下：

[0069]PbO+C=Pb+CO;

[0070]PbO+CO=Pb+CO2;

[0071]ZnO+C=Zn+CO;

[0072]ZnO+CO=Zn+CO2;

[0073]2AlF3+3CaO=Al2O3+3CaF2;

[0074]2Na3AlF6+6CaO+3SiO2=Al2O3+6CaF2+3Na2SiO3;

[0075]2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2SiO3;

[0076]4NaCN+9O2+2SiO2=2Na2SiO3+4NO2+4CO2;

[0077]2NaCN+4O2+SiO2=Na2SiO3+N2O3+2CO2。

[0078]实施例4

[0079]一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，具体包括如下步骤：

[0080](1)将铝电解废碳素(废阴极炭块)破碎至粒径为1-3cm，在1100℃、压力30Pa条件下真空蒸馏2h，得到二次废碳素，将其研磨至200目以下;

[0081](2)将步骤(1)中研磨后的废阴极炭块与粒度碳粉末以质量比1:2的比例进行混合，制备成复合还原剂;

[0082](3)将步骤(2)制好的复合还原剂与烟化炉使用高锌渣按质量比100:20比例混合均匀，加入高锌渣总质量2%的石灰作造渣剂，然后制备成球团;

[0083](4)将步骤(3)中制备好的球团放入坩埚，然后将坩埚放入真空管式炉进行熔炼，熔炼温度为1350℃，熔炼时间为2h，一次风用量2000Nm3/h，二次风用量1000Nm3/h，用风的氧浓度为21%。通过熔炼还原后发现，根据烟化炉高锌渣中残留的锌含量计算烟化炉高锌渣中锌的还原率为87.65%;在真空管式炉中发生的化学反应如下：

[0084]PbO+C=Pb+CO;

[0085]PbO+CO=Pb+CO2;

[0086]ZnO+C=Zn+CO;

[0087]ZnO+CO=Zn+CO2;

[0088]2AlF3+3CaO=Al2O3+3CaF2;

[0089]2Na3AlF6+6CaO+3SiO2=Al2O3+6CaF2+3Na2SiO3;

[0090]2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2SiO3;

[0091]4NaCN+9O2+2SiO2=2Na2SiO3+4NO2+4CO2;

[0092]2NaCN+4O2+SiO2=Na2SiO3+N2O3+2CO2。

[0093]实施例5

[0094]一种铝电解废碳素用于烟化炉的方法，具体包括如下步骤：

[0095](1)将铝电解废碳素(废阴极炭块)破碎至粒径为1-3cm，在1100℃、压力30Pa条件下真空蒸馏2h，得到二次废碳素，将其研磨至200目以下;

[0096](2)将步骤(1)中研磨后的废阴极炭块与粒度碳粉末以质量比1:5的比例进行混合，制备成复合还原剂;

[0097](3)将步骤(2)制好的复合还原剂与烟化炉使用高锌渣按质量比100:30比例混合均匀，加入高锌渣总质量2%的石灰作造渣剂，然后制备成球团;

[0098](4)将步骤(3)中制备好的球团放入坩埚，然后将坩埚放入真空管式炉进行熔炼，熔炼温度为1350℃，熔炼时间为2h，一次风用量2000Nm3/h，二次风用量1000Nm3/h，用风的氧浓度为21%。通过熔炼还原后发现，高锌渣还原后的物相分析图如图4所示，从图4可以看出还原后的尾渣主物相为铁酸钙和铁橄榄石，并无明显含锌物相，这表明高新渣还原效果良好，达到了实验预期;根据烟化炉高锌渣中残留的锌含量计算烟化炉高锌渣中锌的还原率为90.26%;在真空管式炉中发生的化学反应如下：

[0099]PbO+C=Pb+CO;

[0100]PbO+CO=Pb+CO2;

[0101]ZnO+C=Zn+CO;

[0102]ZnO+CO=Zn+CO2;

[0103]2AlF3+3CaO=Al2O3+3CaF2;

[0104]2Na3AlF6+6CaO+3SiO2=Al2O3+6CaF2+3Na2SiO3;

[0105]2NaF+CaO+SiO2=CaF2+Na2SiO3;

[0106]4NaCN+9O2+2SiO2=2Na2SiO3+4NO2+4CO2;

[0107]2NaCN+4O2+SiO2=Na2SiO3+N2O3+2CO2。

[0108]显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

说明书附图(4)