电解铝废阴极碳块资源化处理系统及处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种电解铝废阴极碳块资源化处理系统及处理方法，旨在解决现有的废阴极碳块回收率低、能源浪费严重、回收成本高的技术问题。该处理系统包括高温旋风炉和干法净化装置，所述高温旋风炉包括炉体、燃烧器和换热器。该处理方法为：先将电解铝废阴极碳块破碎成粉料；所得的粉料通过高温旋风炉添加助燃剂燃烧；燃烧产生的烟气通过换热器为高温旋风炉的二次进风提供预热后，通过干法净化装置得到净化。本发明能够实现废阴极碳块中电解质的高纯度回收；充分利用了粉料燃烧产生的热能，降低了生产能耗、避免了能源的浪费；该方法操作简便、节能环保，能够实现废阴极碳块的资源化回收利用。
【专利说明】电解铝废阴极碳块资源化处理系统及处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电解铝生产过程中的固废处理【技术领域】，具体涉及一种电解铝废阴极碳块资源化处理系统及处理方法。
【背景技术】
[0002]在电解铝生产过程中，阴极内衬及其他筑炉材料长期受钠、电解质和铝的侵蚀而吸收大量含氟盐，同时侵蚀过程中产生的应力作用会使电解槽变形和内衬破损，电解槽在运行到一定寿命(6?8年)时必须进行大修，大修时电解槽内衬就要更换，包括底阴极碳块、耐火砖、保温砖和防渗材料和侧部碳化硅砖。因此在原铝生产、铸造过程中和电解槽大修过程中，会产生大量的废阴极碳块、废保温砖、废耐火材料和废阴极方钢等固体废弃物。据统计，每生产和铸造一吨铝，大约产生20?30kg废阴极，2013年，我国原铝产量达2000万吨，约占全球总产量的45%，产生废旧碳阴极排放量达40万吨。阴极碳块的原始组成为无烟煤和浙青粘结剂。在电解过程中，由于受到热作用、化学作用、机械冲蚀作用、电作用、钠和电解质的渗透等引起的熔盐反应、化学反应，铝电解槽中的阴极碳块使用一定时间后会破损。废阴极炭块中一般含有C、NaF, Na3AlF6, A1F3、CaF2, Al2O3等成分，其中含C约50%?70%、电解质氟化物约50%?30%、氰化物约为0.2%。
[0003]目前对废阴极碳块的处理主要有焙烧法、浮选法和硫酸分解法，这些方法可以回收废阴极碳块中的一部分电解质和碳粉。但浮选法和硫酸分解法无法去除废阴极碳块中的氰化物，氰化物和部分氟化物进入废液易造成二次污染；采用焙烧法将废阴极碳块中的碳作为燃料回收，燃烧产生的热量难以有效利用，造成大量的能源浪费，且无法达到焙烧过程中的严格温度控制的要求。针对现有的废阴极碳块回收方法回收率低、能源浪费严重、回收成本高的问题，研究一种高效、节能、环保的电解铝废阴极碳块资源化处理工艺是极有必要的。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种回收利用率高、成本低且节能环保的电解铝废阴极碳块资源化处理系统及处理方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明电解铝废阴极碳块资源化处理系统包括高温旋风炉和干法净化装置，所述高温旋风炉包括炉体、燃烧器和换热器；
所述炉体上部设有原料箱、下部设有燃烧室，所述原料箱和所述燃烧室之间通过进料通道相连通，在所述进料通道上设有进料阀，所述燃烧室设有进风口、烟气管道和排料口，在所述进风口上设有风量调节阀；所述燃烧器设置于所述燃烧室的下方；
所述换热器设置于所述燃烧室的外部，包括冷风进口、热风出口、高温烟气进口和低温烟气出口，所述热风出口与所述燃烧室的进风口对应连通，所述高温烟气进口与所述燃烧室的烟气管道对应连通；所述低温烟气出口与所述干法净化装置相连通。
[0006]采用上述电解铝废阴极碳块处理系统的有益效果在于，使用高温旋风炉，能够使废阴极碳块破碎后的粉料充分燃烧，实现废阴极碳块中电解质的高纯度回收；燃烧后的烟气被换热器循环利用，为旋风炉的二次进风进行预热，充分利用了燃烧产生的热能，降低了生产能耗、避免了能源的浪费；高温旋风炉排出的废气通过干法净化装置，能够去除废气中的有害物质，将净化后的无害气体排出，确保不污染环境，实现清洁生产；该系统操作简便、节能环保，能够实现废阴极碳块的资源化回收利用，适于规模化生产和应用。
[0007]优选的，所述干法净化装置包括集烟管、吸附反应单元和气固分离单元，所述集烟管与所述换热器的低温烟气出口密封连接，所述吸附反应单元包括依次相连通的烟气入口段、圆锥形收缩段、圆柱形喉道、圆锥形烟气扩散段，在所述烟气入口段设有一次吸附剂输入口，在所述烟气扩散段设有二次吸附剂输入口 ；所述气固分离单元包括除尘器和引风机，所述除尘器的下部含尘烟气进口与所述吸附分离单元的烟气扩散段密封连接，所述引风机设置于所述除尘器的净气出口处。
[0008]优选的，所述一次吸附剂为载氟氧化铝，所述二次吸附剂为新鲜氧化铝。
[0009]优选的，所述布袋除尘器为低压脉冲长袋除尘器。
[0010]优选的，所述引风机为离心引风机。
[0011]上述干法净化装置采用二次吸附技术，首先使用活性相对较差的载氟氧化铝作为吸附剂与含氟浓度高的烟气进行第一次吸附反应，去除烟气中一部分氟化物；然后再用活性更高的新鲜氧化铝对烟气中剩余的氟化物进行第二次吸附反应，从而获得更高的氟净化效率，同时能够节省吸附剂的使用量，降低生产成本。上述吸附反应单元的整体结构为文丘里管结构，当烟气通过圆柱形喉道进入圆锥形烟气扩散段时，会产生文丘里效应(文丘里效应的原理是:当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动)，能够达到更好的吸附效果。
[0012]优选的，所述高温旋风炉还包括设置于所述燃烧室内部的温度传感器和压力传感器。
[0013]优选的，所述高温旋风炉还包括PLC控制器，所述PLC控制器的输入端与所述温度传感器和压力传感器相连接，所述PLC控制器的输出端与所述进料阀和所述风量调节阀相连接。
[0014]采用上述PLC控制器，能够根据温度传感器和压力传感器传输的数据，对高温旋风炉内部的温度和压力进行实时监测，通过控制所述进料阀和所述风量调节阀对高温旋风炉的给料量和风量，调节高温旋风炉内部的温度和压力，使高温旋风炉处于所需的工作状态，大幅提高了高温旋风炉的温度和压力的控制精度，并且整个操作实现自动化，能够减少人工操作、降低劳动强度。
[0015]本发明电解铝废阴极碳块资源化处理方法包括下列步骤:
(1)将电解铝废阴极碳块进行鄂破、球磨后得到粒度为50目?200目的粉料；
(2)将步骤(I)所得的粉料加入到所述电解铝废阴极碳块资源化处理系统中的高温旋风炉内，添加助燃剂使该粉料中的碳粉充分燃烧，所述助燃剂的添加量为所述粉料质量的3 ?5%0 ；
(3)步骤(2)中粉料燃烧所得的高温烟气通过所述换热器，为所述高温旋风炉二次进风提供预热后，转化为低温烟气；
(4)收集步骤(2)粉料充分燃烧后从所述高温旋风炉排料口排出的电解质； (5)步骤(3)中所述低温烟气进入所述干法净化装置中的吸附反应单元，在吸附反应过程中加入的一次吸附剂载氟氧化铝的固气比为20?30g/m3，加入的二次吸附剂新鲜氧化铝的固气比为5?15g/m3 ；
(6)经过步骤(5)吸附反应后得到的含尘烟气通过所述气固分离单元，净化后的气体排出，分离的载氟氧化铝作为吸附分离单元中的一次吸附剂循环使用。
[0016]步骤(2)中所述助燃剂由硝酸盐、高锰酸钾、氧化钙、氧化铁和淀粉组成，其中各组分所占质量百分比为:硝酸盐I?3%、高锰酸钾18?45%、氧化钙4?7%、氧化铁4?8%，余量为淀粉。
[0017]步骤(2)中所述高温旋风炉燃烧室压力为-10?10Pa，工作温度范围为750°C?800°C，温度控制精度在±5°C。
[0018]本发明电解铝废阴极碳块资源化处理方法的有益效果在于，采用高温旋风炉对废阴极碳块破碎后的粉料进行燃烧，加入助燃剂能够使燃烧更加充分，进而实现废阴极碳块中电解质的高纯度回收；燃烧后的烟气被换热器循环利用，为旋风炉的二次进风进行预热，充分利用了燃烧产生的热能，降低了生产能耗、避免了能源的浪费；高温旋风炉排出的废气通过干法净化装置，能够去除废气中的有害物质，将净化后的无害气体排出，确保不污染环境，实现清洁生产；该方法操作简便、节能环保，能够实现废阴极碳块的资源化回收利用，对于电解铝生产领域降低固废物处理成本有着重要的作用。
[0019]对于本发明电解铝废阴极碳块资源化处理系统的具体结构及其作用与效果，以及本发明电解铝废阴极碳块资源化处理方法的具体操作步骤及流程，将在下面结合附图作出进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明电解铝废阴极碳块资源化处理系统的示意图。
[0021]图2是本发明电解铝废阴极碳块资源化处理系统中高温旋风炉的结构示意图。
[0022]图3是图2中区域B的放大图。
[0023]图4是图2的A-A视图。
[0024]其中，I为高温旋风炉；2为炉体；3为燃烧器；4为换热器；5为原料箱；6为燃烧室；7为进料阀；8为进风口 ；9为烟气管道；10为排料口 ；11为冷风进口 ；12为热风出口 ；13为高温烟气进口 ；14为低温烟气出口 ；15为集烟管；16为烟气入口段；17为收缩段；18为喉道；19为烟气扩散段；20为除尘器；21为含尘烟气进口 ；22为净气出口。
【具体实施方式】
[0025]下面的实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
[0026]实施例1:一种电解铝废阴极碳块处理系统，如图f图4所示，包括高温旋风炉I和干法净化装置，所述高温旋风炉I包括炉体2、燃烧器3和换热器4 ;所述炉体2上部设有原料箱5、下部设有燃烧室6，所述原料箱5和所述燃烧室6之间通过进料通道相连通，在所述进料通道上设有进料阀7，所述燃烧室6设有进风口 8、烟气管道9和排料口 10，在所述进风口 8上设有风量调节阀；所述燃烧器3设置于所述燃烧室6的下方；所述换热器4设置于所述燃烧室6的外部，包括冷风进口 11、热风出口 12、高温烟气进口 13和低温烟气出口14，所述热风出口 12与所述燃烧室6的进风口 8对应连通，所述高温烟气进口 13与所述燃烧室6的烟气管道9对应连通；所述低温烟气出口 14与所述干法净化装置相连通。
[0027]所述干法净化装置包括集烟管15、吸附反应单元和气固分离单元，所述集烟管15与所述换热器4的低温烟气出口 14密封连接，所述吸附反应单元包括依次相连通的烟气入口段16、圆锥形收缩段17、圆柱形喉道18、圆锥形烟气扩散段19，在所述烟气入口段16设有一次吸附剂输入口，在所述烟气扩散段19设有二次吸附剂输入口 ；所述气固分离单元包括除尘器20和引风机，所述除尘器20的下部含尘烟气进口 21与所述吸附分离单元的烟气扩散段19密封连接，所述引风机设置于所述除尘器20的净气出口 22处。所述一次吸附剂为载氟氧化铝，所述二次吸附剂为新鲜氧化铝。所述除尘器20为低压脉冲长袋除尘器。所述引风机为离心引风机。
[0028]所述高温旋风炉I还包括设置于所述燃烧室6内部的温度传感器和压力传感器。所述高温旋风炉I还包括PLC控制器，所述PLC控制器的输入端与所述温度传感器和压力传感器相连接，所述PLC控制器的输出端与所述进料阀和所述风量调节阀相连接。
[0029]所述电解铝废阴极碳块处理系统的工作方式如下:
将电解铝废阴极炭块破碎成所需粒度的粉料后，输送到高温旋风炉I的原料箱5内，在高温旋风炉I工作前，通过燃烧器3对高温旋风炉I进行烘炉和升温，温度达到750?800°C时，即可进入工作状态。粉料由原料箱5进入燃烧室6的同时，外界冷风从冷风进口 11进入换热器4，经过预热后由进风口 8进入燃烧室6，形成高速热风带动粉料在燃烧室6内部高速旋转燃烧，粉料充分燃烧产生的高纯电解质由排料口 10排出。
[0030]燃烧器3为高温旋风炉I补充部分热量，燃烧室6内产生的高温烟气通过烟气管道9进入换热器4的高温烟气入口，在换热器4中与外界进入的冷风进行热交换，对该冷风进行预热的同时使自身的温度降低，形成低温烟气经换热器4的低温烟气出口 14排出，进入干法净化装置的吸附反应单元。
[0031]低温烟气依次通过吸附反应单元的烟气入口段16、圆锥形收缩段17、圆柱形喉道18和圆锥形烟气扩散段19，在烟气入口段首先使用活性相对较差的载氟氧化铝作为吸附剂与含氟浓度高的烟气进行第一次吸附反应，去除烟气中一部分氟化物；然后在烟气扩散段再用活性更高的新鲜氧化铝对烟气中剩余的氟化物进行第二次吸附反应，进一步去除烟气中的氟化物。该吸附反应单元的整体结构为文丘里管结构，当烟气通过圆柱形喉道进入圆锥形烟气扩散段时，会产生文丘里效应(文丘里效应的原理是:当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动)，从而增强烟气扩散段的吸附效果，同时配合二次吸附技术，能够时烟气的氟净化效率更高，达到99%以上。氧化铝将烟气中的氟化物吸附并与之反应生成载氟氧化铝，从吸附反应单元排出的含有载氟氧化铝的烟气，再进入气固分离单元的除尘器中，将其中的载氟氧化铝回收，净化后的烟气排出。
[0032]实施例2:—种电解铝废阴极碳块资源化处理方法，包括下列步骤:
(1)将电解铝废阴极碳块进行鄂破、球磨后得到粒度为50目?200目的粉料；
(2)将步骤(I)所得的粉料加入到所述电解铝废阴极碳块资源化处理系统中的高温旋风炉内，添加助燃剂使该粉料中的碳粉充分燃烧，所述助燃剂的添加量为所述粉料质量的3%o。所述助燃剂由硝酸盐、高锰酸钾、氧化钙、氧化铁和淀粉组成，其中各组分所占质量百分比为:硝酸盐3%、高锰酸钾40%、氧化钙6%、氧化铁8%，余量为淀粉；
(3)步骤(2)中粉料燃烧所得的高温烟气通过所述换热器，为所述高温旋风炉二次进风提供预热后，转化为低温烟气；
(4)收集步骤(2)粉料充分燃烧后从所述高温旋风炉排料口排出的电解质；
(5)步骤(3)中所述低温烟气进入所述干法净化装置中的吸附反应单元，在吸附反应过程中加入的一次吸附剂载氟氧化铝的固气比为25g/m3，加入的二次吸附剂新鲜氧化铝的固气比为10g/m3 ；
(6)经过步骤(5)吸附反应后得到的含尘烟气通过所述气固分离单元，净化后的气体排出，分离的载氟氧化铝作为吸附分离单元中的一次吸附剂循环使用。
[0033]实施例3:与实施例2的不同之处在于，步骤(2)中所述助燃剂的添加量为所述粉料质量的5%。，所述助燃剂各组分所占质量百分比为:硝酸盐1%、高锰酸钾20%、氧化钙4%、氧化铁5%，余量为淀粉。
[0034]实施例4:与实施例2的不同之处在于，步骤(5)中在吸附反应过程中加入的一次吸附剂载氟氧化铝的固气比为20g/m3，加入的二次吸附剂新鲜氧化铝的固气比为15g/m3。
[0035]实施例5:与实施例3的不同之处在于，步骤(5)中在吸附反应过程中加入的一次吸附剂载氟氧化铝的固气比为30g/m3，加入的二次吸附剂新鲜氧化铝的固气比为5g/m3。
[0036]以上实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
[0037]上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属【技术领域】的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
【权利要求】
1.一种电解铝废阴极碳块资源化处理系统，其特征在于，包括高温旋风炉和干法净化装置，所述高温旋风炉包括炉体、燃烧器和换热器； 所述炉体上部设有原料箱、下部设有燃烧室，所述原料箱和所述燃烧室之间通过进料通道相连通，在所述进料通道上设有进料阀，所述燃烧室设有进风口、烟气管道和排料口，在所述进风口上设有风量调节阀；所述燃烧器设置于所述燃烧室的下方； 所述换热器设置于所述燃烧室的外部，包括冷风进口、热风出口、高温烟气进口和低温烟气出口，所述热风出口与所述燃烧室的进风口对应连通，所述高温烟气进口与所述燃烧室的烟气管道对应连通；所述低温烟气出口与所述干法净化装置相连通。
2.根据权利要求1所述的电解铝废阴极碳块资源化处理系统，其特征在于，所述干法净化装置包括集烟管、吸附反应单元和气固分离单元，所述集烟管与所述换热器的低温烟气出口密封连接，所述吸附反应单元包括依次相连通的烟气入口段、圆锥形收缩段、圆柱形喉道、圆锥形烟气扩散段，在所述烟气入口段设有一次吸附剂输入口，在所述烟气扩散段设有二次吸附剂输入口 ；所述气固分离单元包括除尘器和引风机，所述除尘器的下部含尘烟气进口与所述吸附分离单元的烟气扩散段密封连接，所述引风机设置于所述除尘器的净气出口处。
3.根据权利要求2所述的电解铝废阴极碳块资源化处理系统，其特征在于，所述一次吸附剂为载氟氧化铝，所述二次吸附剂为氧化铝。
4.根据权利要求2所述的电解铝废阴极碳块资源化处理系统，其特征在于，所述除尘器为低压脉冲长袋除尘器。
5.根据权利要求2所述的电解铝废阴极碳块资源化处理系统，其特征在于，所述引风机为离心引风机。
6.根据权利要求1所述的电解铝废阴极碳块资源化处理系统，其特征在于，所述高温旋风炉还包括设置于所述燃烧室内部的温度传感器和压力传感器。`
7.根据权利要求6所述的电解铝废阴极碳块资源化处理系统，其特征在于，所述高温旋风炉还包括PLC控制器，所述PLC控制器的输入端与所述温度传感器和压力传感器相连接，所述PLC控制器的输出端与所述进料阀和所述风量调节阀相连接。
8.一种电解铝废阴极碳块资源化处理方法，其特征在于，包括下列步骤: (1)将电解铝废阴极碳块进行鄂破、球磨后得到粒度为50目~200目的粉料； (2)将步骤(1)所得的粉料加入到权利要求1所述电解铝废阴极碳块资源化处理系统中的所述高温旋风炉内，添加助燃剂使该粉料中的碳粉充分燃烧，所述助燃剂的添加量为所述粉料质量的3~5%。； (3)步骤(2)中粉料燃烧所得的高温烟气通过所述换热器，为所述高温旋风炉二次进风提供预热后，转化为低温烟气； (4)收集步骤(2)粉料充分燃烧后从所述高温旋风炉排料口排出的电解质； (5)步骤(3)中所述低温烟气进入所述干法净化装置中的吸附反应单元，在吸附反应过程中加入的一次吸附剂载氟氧化铝的固气比为20~30g/m3，加入的二次吸附剂新鲜氧化铝的固气比为5~15g/m3 ； (6)经过步骤(5)吸附反应后得到的含尘烟气通过所述气固分离单元，净化后的气体排出，分离的载氟氧化铝作为吸附分离单元中的一次吸附剂循环使用。
9.根据权利要求8所述的电解铝废阴极碳块资源化处理方法，其特征在于，步骤(2)中所述助燃剂由硝酸盐、高锰酸钾、氧化钙、氧化铁和淀粉组成，其中各组分所占质量百分比为:硝酸盐I~3%、高锰酸钾18~45%、氧化钙4~7%、氧化铁4~8%，余量为淀粉。
10.根据权利要求8所述的电解铝废阴极碳块资源化处理方法，其特征在于，步骤(2)中所述高温旋风炉燃烧室压力为-10~10Pa，工作温度范围为750V~800°C，温度控制精度在±5°C。·
【文档编号】C25C3/08GK103851632SQ201410089371
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】王旭东, 曹国法, 朱振国, 袁志强, 和清霖, 冯晓强, 曹志伟, 刘威 申请人:郑州经纬科技实业有限公司