一種用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統的製作方法
2023-04-29 16:36:46
本發明涉及固體廢物處理技術領域，尤其涉及一種用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統，具體涉及一種能耗小、成本低、無害化處理徹底且能有效提高電解鋁固體廢棄物的處理效率和資源化利用效率的用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統。
背景技術：
隨著電解鋁產量的增加，電解過程中產生的固體廢棄物也隨之增加。其中，電解鋁廢棄物以電解鋁陰極的危害最大，電解鋁陰極以煅燒無煙煤、冶金焦、石墨等為骨料，煤瀝青等黏結劑製成的，主要用於製作鋁電解槽炭質內襯的塊類或糊類碳素製品。鋁電解過程中，陰極上發生的主要反應是熔於冰晶石(Na2AIFeNa2AIF6)中的AI被還原成液態金屬鋁，匯積於炭質槽底表面，鋁液和炭質槽底均為電解槽的導電陰極。由於電解質熔體中有各種氟化物、雜質，在電場的作用下電解產生的熔鹽對陰極炭塊發生侵蝕和衝刷等作用，加上熱應力的作用，使陰極材料發生變形、隆起、斷裂，甚而破損為廢陰極。
電解鋁廢陰極是含有20-40％左右氟化物，微量氰化物的危險廢物，由於其氟化物及氰化物容易水解，因此如不進行有效處置，遇到雨淋、水浸容易造成嚴重的環境汙染。2014年我國電解鋁產量達到了2200多萬噸，世界電解鋁產量達到了5000多萬噸。隨著電解鋁產量的增加，電解鋁產生的廢陰極日益增加。目前，我國電解鋁行業每年產生的廢陰極達到了20萬噸，有400多萬噸的累積堆存。由於目前國內外缺乏先進的電解鋁廢陰極無害化處置及資源化利用技術，電解鋁企業普遍採用的掩埋處理方法造成了環境極大汙染和資源極大浪費。
目前，現有的處置電解鋁廢陰極主要採用溼法和燃燒法、填埋法，其中溼法得到的碳粉價值不高，資源化利用效率低；燃燒法存在分離方法繁瑣、加熱時間長、能耗大且不能有效回收其中的氟化物；因此主要採用高成本的填埋法，但是由於大部分企業不能按照危險廢物的處置方式進行無害化填埋，因此電解鋁廢陰極的環境汙染問題一直沒有得到有效解決。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明的目的是：提供一種能耗小、成本低、無害化處理徹底且能有效提高電解鋁廢陰極炭塊的處理效率和資源化利用效率的用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統，以解決現有的電解鋁廢陰極炭塊處理方法存在成本高、能耗大、且不能達到無害化徹底處理效果的問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統，用於對電解鋁廢陰極進行無害化處置與資源化利用，以獲取碳素製品及氟化鹽，其包括破碎系統、上料系統、焙燒系統、煙氣處理系統及固體顆粒物處理系統；所述破碎系統用於將電解鋁廢陰極炭塊破碎至顆粒料，並通過所述上料系統將所述顆粒料輸送至所述焙燒系統；所述焙燒系統包括電煅爐，所述電煅爐的上端設有氣體出料口，下端設有固體出料口；所述煙氣處理系統與所述氣體出料口連接，所述固體顆粒物處理系統與所述固體出料口連接。
其中，所述煙氣處理系統包括依次連接的第一處理單元、第二處理單元、至少一級收塵單元及調節系統，所述第一處理單元與所述氣體出料口連接。
其中，所述第一處理單元包括復燃室及設於所述復燃室底部的第一回收裝置，所述復燃室的進口端與所述氣體出料口連接。
其中，所述第二處理單元包括冷卻室及設於所述冷卻室底部的第二回收裝置，所述冷卻室的進口端與所述復燃室的出口端連接。
其中，所述收塵單元包括一通過通風管道連接所述冷卻室出口端的收塵裝置。
其中，所述收塵裝置為布袋收塵器或水霧收塵器。
其中，所述煙氣處理系統還包括分別與所述第二處理單元及至少一級收塵單元連接的氟化鹽純化系統。
其中，還包括分別與所述焙燒系統、第一處理單元及第二處理單元連接的餘熱利用系統，所述餘熱利用系統用於收集所述焙燒系統、第一處理單元及第二處理單元排出的高溫氣體的熱能，並將所述熱能用於發電或烘乾或生產餘熱蒸汽。
其中，所述調節系統包括依次連接的第一風壓風速調節單元、脫硫脫硝單元、第二風壓風速調節單元及送風單元，所述送風單元與大氣連通。
其中，所述固體顆粒物處理系統包括依次連接的緩冷單元、循環冷卻單元、出料裝置及碳素製品回收裝置，所述緩冷單元與所述固體出料口連接。
(三)有益效果
本發明的上述技術方案具有如下優點：本發明提供了一種用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統，用於對電解鋁廢陰極進行無害化處置與資源化利用，以獲取碳素製品及氟化鹽，其包括破碎系統、上料系統、焙燒系統、煙氣處理系統及固體顆粒物處理系統；破碎系統用於將電解鋁廢陰極炭塊破碎至顆粒料，並通過上料系統將顆粒料輸送至焙燒系統；焙燒系統包括電煅爐，電煅爐的上端設有氣體出料口，下端設有固體出料口；煙氣處理系統與氣體出料口連接，固體顆粒物處理系統與固體出料口連接。本申請提供的高溫連續式處理系統對破碎後的電解鋁廢陰極炭塊進行高溫煅燒得到的高溫電鍛煙氣及電解鋁廢陰極碳粒，並分別通過煙氣處理系統及固體顆粒物處理系統進行處理，進而得到高品質的且具有經濟附加值的氟化鹽及碳素製品，該處理系統結構簡單、操作方便，且具有能耗小、成本低、無害化處理徹底的特點，同時也能有效提高電解鋁廢陰極炭塊的處理效率和資源化利用效率。
附圖說明
圖1是本發明一種用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統實施例的高溫連續式處理系統的具體結構示意圖。
圖中：1：破碎系統；2：上料系統；3：焙燒系統；4：第一處理單元；5：第二處理單元；6：第二級收塵單元；7：第三級收塵單元；8：第四級收塵單元；9：第一風壓風速調節單元；10：脫硫脫硝單元；11：第二風壓風速調節單元；12：氟化鹽純化系統；13：餘熱利用系統；A：電解鋁廢陰極碳塊；P1：碳素製品；P2：氟化鹽。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本發明提供了一種用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統，用於對電解鋁廢陰極進行無害化處置與資源化利用，以獲取碳素製品P1及氟化鹽P2，包括破碎系統1、上料系統2、焙燒系統3、煙氣處理系統及固體顆粒物處理系統；破碎系統1用於將電解鋁廢陰極炭塊A破碎至顆粒料，並通過上料系統2將顆粒料輸送至焙燒系統3；焙燒系統3包括電煅爐，電煅爐的上端設有氣體出料口，下端設有固體出料口；煙氣處理系統與氣體出料口連接，固體顆粒物處理系統與固體出料口連接。具體地，在本實施例中，電煅爐的上方設有進料倉，上料系統2包括提升機，通過提升機將經破碎系統1處理後的電解鋁廢陰極顆粒料運輸至進料倉內，進料倉內的電解鋁廢陰極顆粒料隨後通過管道進入電煅爐內進行高溫煅燒，得到高溫電鍛煙氣及電解鋁廢陰極碳粒，高溫電鍛煙氣通過氣體出料口進而煙氣處理系統進行處理，以得到高品質的氟化鹽P2(即氟化物含量在90％以上的氟化鹽P2)；電解鋁廢陰極碳粒通過固體出料口流入固體顆粒物處理系統進行冷卻，最終得到高品質的碳素製品P1(即固定碳含量在95％以上的石墨化碳素製品P1)。
在本實施例中，電煅爐的高溫區溫度可以達到2000-3000℃；3-100mm的電解鋁廢陰極顆粒料由電煅爐的上部連續下料、下部連續卸料；其中，廢陰極顆粒料中的氟化物以及矽酸鹽、氧化鋁、金屬鈉等經高溫焙燒後絕大部分以氣態從電煅爐的氣體出料口抽出；氣體出料口可以是一個，也可以是多個。
本申請提供的高溫連續式處理系統對破碎後的電解鋁廢陰極炭塊A進行高溫煅燒得到的高溫電鍛煙氣及電解鋁廢陰極碳粒，並分別通過煙氣處理系統及固體顆粒物處理系統進行處理，進而得到高品質的且具有經濟附加值的氟化鹽P2及碳素製品P1，處理得到的碳素製品P1固定碳含量大於95％；可以用做煉鋼增碳劑、鑄造增碳劑、電解鋁陰極、電解鋁陽極、再生石墨材料、導電材料、塗料等。處理得到的氟化鹽P2含量達90％以上的工業氟化鹽主要成分為氟化鈉，主要用於電解鋁作為電解質，也可以用於塗裝工業中作磷化促進劑，使磷化液穩定，磷化細化，改良磷化膜性能，木材防腐劑、農業殺蟲劑、釀造業殺菌劑、醫藥防腐劑、焊接助焊劑、鹼性鋅酸鹽鍍鋅添加劑及搪瓷、造紙業等。該處理系統結構簡單、操作方便，且具有能耗小、成本低、無害化處理徹底的特點，同時也能有效提高電解鋁廢陰極炭塊A的處理效率和資源化利用效率。
具體地，煙氣處理系統包括依次連接的第一處理單元4、第二處理單元5、至少一級收塵單元及調節系統，第一處理單元4與氣體出料口連接。具體地，通過電煅爐高溫煅燒後得到的高溫電鍛煙氣，依次經過第一處理單元4、第二處理單元5、至少一級收塵單元及調節系統處理後，得到無害化的氣體並最終排放至大氣中。在本實施例中，一共設置四級收塵單元，且第一級收塵單元與第二處理單元集成於一體，第一級收塵單元採用旋風收塵、布袋收塵器等方式進行第一次收塵；一次收塵後的煙氣進入第二級收塵單元6，第二級收塵單元6主要採用布袋收塵器，第二級收塵單元6也可以採用其它收塵方式；二次收塵後的煙氣進入第三級收塵單元7，第三級收塵單元7主要採用布袋收塵器，也可以採用其它收塵方式；三次收塵後的煙氣進入第四級收塵單元8，第四級收塵單元8主要採用水霧收塵器，也可以採用其它收塵方式。對於環保要求不高的地區，或者只需經過第一級收塵單元及第二級收塵單元6處理後的煙氣組分可以達到環保要求，該高溫連續式處理系統可以不用第三級收塵單元7及第四級收塵單元8。
具體地，第一處理單元4包括復燃室及設於復燃室底部的第一回收裝置，復燃室的進口端與氣體出料口連接。其中，復燃室的溫度控制在1000-1300℃。第一處理單元4主要用於對在電煅爐內未完全燃燒的雜質(比如炭粉、冰晶石等)進行再次燃燒，降低煙氣中碳的含量，提高所回收氟化鹽P2(主要為氟化鈉)的純度，並通過第一回收裝置進行捕收，同時也起到了防止碳粉或冰晶石等固體雜質堵塞管道的作用，使得高溫煅燒氣體能連續排出至第二處理單元5、收塵單元及調節系統內，以避免影響整個高溫連續式處理系統的正常使用及影響後續電解質產品的品質。優選地，二次燃燒可以採用鼓入空氣的方法，也可以採用鼓入燃料(包括天然氣、液化氣、煤制氣等)的方法。
具體地，第二處理單元5包括冷卻室及設於冷卻室底部的第二回收裝置，冷卻室的進口端與復燃室的出口端連接。其中，第二處理單元5用於對經第一處理單元4處理後的高溫電鍛煙氣進行進一步的捕收處理；在本實施例中，冷卻室的溫度可調節，採用風冷或水冷以及二者聯合的方式將從復燃室出來的高溫煙氣冷卻為200℃左右的煙氣，並與第二回收裝置相配合，以實現對高溫電鍛煙氣的梯度回收。其中，高溫電鍛煙氣包括氟化物、氯化物、氰化物、硫、鐵或矽產生的蒸汽，通過調節冷卻室的溫度，並與設於其底部的第二回收裝置相配合，依次對氟化物、氯化物、氰化物、硫、鐵或矽產生的蒸汽進行回收，以得到高品質的電解質產物。
具體地，收塵單元包括一通過通風管道連接冷卻室出口端的收塵裝置。優選地，收塵裝置為布袋收塵器或水霧收塵器。經第二處理單元5處理後的氣體通過收塵裝置除去或降低煙氣中飛灰含量，使得收塵處理後的氣體達到排放標準，並排放至大氣中，從而實現了無害化處理的目的。其中，收塵裝置可以為水霧收塵器或重力式收塵裝置或布袋收塵裝置或水霧收塵器與重力式收塵裝置與布袋收塵裝置相結合的收塵裝置。特別的，收塵裝置並不僅局限於上述收塵裝置，也可以為旋風收塵裝置或溼式收塵裝置或靜電收塵裝置或脫硫收塵裝置等。
為得到品質純正的氟化鹽P2，在本實施例中，煙氣處理系統還包括分別與第二處理單元5及至少一級收塵單元連接的氟化鹽P2純化系統12。高溫煙氣經收塵後，得到的產品為氟化鹽P2、碳酸鈉等的混合物，氟化鹽P2純化系統12用於將該混合物按照一定的摩爾比加入氫氟酸，將其中的碳酸鈉反應成氟化鈉，從而提高氟化物的純度。
進一步地，為有效提高資源化利用效率，本申請提供的高溫連續式處理系統還包括分別與焙燒系統3、第一處理單元4及第二處理單元5連接的餘熱利用系統13，餘熱利用系統13用於收集焙燒系統3、第一處理單元4及第二處理單元5排出的高溫氣體的熱能，並將熱能用於發電或烘乾或生產餘熱蒸汽。其中，餘熱利用系統13可為包括餘熱回收油罐及與餘熱回收油罐連接的發電裝置，餘熱回收油罐分別與焙燒系統3及煙氣處理系統連接。在本實施例中，焙燒系統3及煙氣處理系統排出的高溫氣體的熱量，通過餘熱回收油罐轉換後，輸送至發電裝置內，以提供電能。
具體地，調節系統包括依次連接的第一風壓風速調節單元9、脫硫脫硝單元10、第二風壓風速調節單元11及送風單元，送風單元與大氣連通。其中，第一風壓風速調節單元9包括風機，風機用於調節電煅爐上部空腔的負壓、風量，使空腔內的高溫煙氣儘快排出，也用於調節多級收塵單元的風速和風壓；脫硫脫硝單元10用於將經收塵後的煙氣進行脫硫脫硝以達到環保要求；第二風壓風速調節單元11用於調節脫硫脫硝的煙氣的風速、風量，隨後通過送風單元排入大氣。
具體地，固體顆粒物處理系統包括依次連接的緩冷單元、循環冷卻單元、出料裝置及碳素製品P1回收裝置，緩冷單元與固體出料口連接。為提高出料效率及保障得到高品質的碳素製品P1，緩冷單元用於將電解鋁廢陰極碳粒緩慢冷卻至常溫，隨後冷卻至常溫的電解鋁廢陰極碳粒進而通過循環冷卻單元進行進一步冷卻後，冷卻後的電解鋁廢陰極碳粒通過出料裝置進一步處理後進入碳素製品P1回收裝置，最終通過管道排放至碳素製品P1回收裝置；其中，出料裝置根據具體的實施條件(出料速率、溫度等)來設有相應的結構及乾燥功能。
本申請提供的用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統，主要包括下述三種工況，具體為：
工況1：電解鋁廢陰極碳塊A進入破碎系統1，該破碎系統1採用一段PE型顎式破碎機、一段PEX型細碎顎式破碎機、一段雙層振動篩，雙層振動篩的篩孔分別為3mm和20mm；經過破碎、篩分後的3-20mm電解鋁廢陰極顆粒料採用的上料系統2包括皮帶輸送機輸送到焙燒系統3的立式連續化高溫電煅爐中；立式連續化高溫電煅爐的高溫區焙燒溫度為2600-2800℃，電解鋁廢陰極顆粒料經過高溫區的時間為1小時，卸料後得到的碳素製品P1固定碳含量為98.5％；立式連續化高溫電煅爐上部高溫煙氣出口排出的煙氣溫度約為1700℃(其煙氣抽出速度、高溫爐上部的空腔負壓由後面工序的風機控制)；鼓入空氣進入復燃室，高溫煙氣中的碳粉燃燒成二氧化碳；二次復燃的高溫煙氣溫度約為1700℃，進入第二處理單元，該單元包括採用鼓風機風冷的方式將高溫煙氣快速冷卻到200℃左右，然後進入第一級收塵單元(旋風收塵器)。旋風收塵器排出的煙塵進入第二級收塵單元，該第二級收塵單元包括布袋收塵器對煙氣進行二次收塵。二次收塵的煙氣進入第三級收塵單元，該第三級收塵單元採用電收塵對煙氣再次收塵。再次收塵的煙氣進入第四級收塵單元，該第四級收塵單元包括水霧收塵器，再對煙氣進行處理。水霧收塵後的煙氣經過第一風壓風速調節單元進入脫硫脫硝單元。脫硫脫硝後的煙氣經過第二風壓風速調節單元及送風單元排入大氣，該煙氣調節系統為高35m的煙囪。收塵產品為氟化鈉含量約為55％、碳酸鈉含量約為45％的混合物。將收塵產品和一定質量的氫氟酸在氟化鹽純化系統中混合(質量比為1:0.6)，攪拌1h，然後烘乾得到純度為90％以上的氟化物產品。該工況無需使用餘熱利用系統13。
工況2：電解鋁廢陰極碳塊A進入破碎系統1，破碎系統1採用一段PE型顎式破碎機、一段PEX型細碎顎式破碎機、一段雙層振動篩，雙層振動篩的篩孔分別為5mm和30mm；經過破碎、篩分後廢陰極碳塊的5-30mm顆粒料採用的上料系統2包括皮帶輸送機輸送到焙燒系統3的立式連續化高溫電煅爐中；立式連續化高溫電煅爐的高溫區焙燒溫度為2400-2600℃，電解鋁廢陰極經過高溫區的時間為1小時，卸料後得到的碳素製品P1固定碳含量為97％；立式連續化高溫電煅爐上部高溫煙氣出口排出的煙氣溫度約為1700℃(其煙氣抽出速度、高溫爐上部的空腔負壓由後面工序的風機控制)；鼓入空氣進入復燃室，高溫煙氣中的碳粉燃燒成二氧化碳；二次復燃的高溫煙氣溫度約為1700℃，進入第二處理單元，該單元包括採用鼓風機風冷的方式將高溫煙氣快速冷卻到200℃左右，然後進入第一級收塵單元(旋風收塵器)。旋風收塵器排出的煙塵進入第二級收塵單元，該第二級收塵單元包括布袋收塵器對煙氣進行二次收塵；二次收塵的煙氣進入第三級收塵單元，該第三級收塵單元採用水霧收塵再次處理煙氣；水霧收塵後的煙氣第一風壓風速調節單元進入脫硫脫硝單元。脫硫脫硝後的煙氣經過第二風壓風速調節單元及送風單元排入大氣，該煙氣調節系統為高35m的煙囪。收塵產品為氟化鈉含量約為55％、碳酸鈉含量約為45％的混合物，將收塵產品和一定質量的氫氟酸在氟化鹽純化系統中混合(質量比為1:0.6)，攪拌1h，然後烘乾得到純度為90％以上的氟化物產品。該工況無需使用餘熱利用系統13。
工況3：電解鋁廢陰極碳塊A進入破碎系統1，破碎系統1採用一段PFW反擊式破碎機、一段PEX型細碎顎式破碎機、一段雙層振動篩，雙層振動篩的篩孔分別為5mm和40mm；經過破碎、篩分後廢陰極碳塊的5-40mm顆粒料採用的上料系統2包括皮帶輸送機輸送到焙燒系統3的立式連續化高溫電煅爐中；立式連續化高溫電煅爐的高溫區焙燒溫度為2800-3000℃，顆粒料經過高溫區的時間為1.5小時，卸料後得到的碳素製品P1固定碳含量為99.99％。立式連續化高溫電煅爐上部高溫煙氣出口排出的煙氣溫度約為1900℃(其煙氣抽出速度、高溫爐上部的空腔負壓由後面工序的第一風壓風速調節單元控制)；鼓入空氣進入復燃室，高溫煙氣中的碳粉燃燒成二氧化碳；二次復燃的高溫煙氣溫度約為1750℃，進入第二處理單元，該單元包括採用風冷和水冷聯和的方式將高溫煙氣快速冷卻到200℃左右，然後進入第一級收塵單元(旋風收塵器)；水冷的循環水進入餘熱利用系統13製備水蒸汽。旋風收塵器排出的煙塵進入第二級收塵單元，該第二級收塵單元包括布袋收塵器對煙氣進行二次收塵；二次收塵的煙氣進入第三級收塵單元，該第三級收塵單元採用水霧收塵再次處理煙氣；水霧收塵後的煙氣第一風壓風速調節單元進入脫硫脫硝單元。脫硫脫硝後的煙氣經過第二風壓風速調節單元及送風單元排入大氣，該第二風壓風速調節單元包括離心風機。收塵產品為氟化鈉含量約為55％、碳酸鈉含量約為45％的混合物。將收塵產品和一定質量的氫氟酸在氟化物純化系統12中混合(質量比為1:0.7)，攪拌1h，然後烘乾得到純度為93％以上的氟化物產品。
綜上所述，本發明提供了一種用於處置電解鋁廢陰極的高溫連續式處理系統，用於對電解鋁廢陰極進行無害化處置與資源化利用，以獲取碳素製品及氟化鹽，其包括破碎系統、上料系統、焙燒系統、煙氣處理系統及固體顆粒物處理系統；破碎系統用於將電解鋁廢陰極炭塊破碎至顆粒料，並通過上料系統將顆粒料輸送至焙燒系統；焙燒系統包括電煅爐，電煅爐的上端設有氣體出料口，下端設有固體出料口；煙氣處理系統與氣體出料口連接，固體顆粒物處理系統與固體出料口連接。本申請提供的高溫連續式處理系統對破碎後的電解鋁廢陰極炭塊進行高溫煅燒得到的高溫電鍛煙氣及電解鋁廢陰極碳粒，並分別通過煙氣處理系統及固體顆粒物處理系統進行處理，進而得到高品質的且具有經濟附加值的氟化鹽及碳素製品，該處理系統結構簡單、操作方便，且具有能耗小、成本低、無害化處理徹底的特點，同時也能有效提高電解鋁廢陰極炭塊的處理效率和資源化利用效率。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。