炭渣提铝及其对炭渣处理的影响

刘君鹏，陈湘清

（1.天山铝业集团股份有限公司，新疆石河子 832000；2.湖南绿脉环保科技有限公司，湖南长沙 410001）

炭渣是电解铝生产过程阳极表面的脱落进入电解质，被打捞出的固体废弃物，因其成分含氟、具有浸出毒性而被列入《国家危险废物名录》（2021）。据统计，每生产1 t铝就会伴随产生5～15 kg的铝电解槽炭渣[1]。2020年，我国铝产量为37 080 kt，约产生185.4~666.2 kt/a炭渣。

1 炭渣来源及影响

铝电解槽为工业炼铝设备，其主要工作原理是以氧化铝作为原料，以熔融冰晶石为熔剂组成电解质，以炭素体为阳极，在950~970℃温度下在电解槽内进行电解。氧化铝分解为金属铝与氧，铝在碳阴极以液相形式析出，氧在碳阳极以二氧化碳形式逸出，化学反应式如下：

采用电解方法生产金属铝，过程中不断消耗阳极。由于阳极质量不稳定，以及电流效应的原因，使得阳极炭块会脱落阳极细粉，使部分碳颗粒脱落进入电解槽熔盐电解质形成炭渣。

炭渣的产生会增加电解质的电阻率，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，对铝电解过程影响较大，因此必须及时从电解槽中捞出。捞出后的炭渣主要成分是碳素、氟化盐、氧化铝、铁化合物和其他微量元素，如果不进行合理的处置回收，大量堆存在露天，所含的可溶氟随雨水渗入地下，会给环境带来不利影响。

目前，国内主要的炭渣处理方法有浮选法、真空冶炼法和焙烧法。本文以天山铝业集团炭渣回收处理项目为例，探讨炭渣提铝对炭渣回收处理的影响。

2 浮选法回收炭渣的原理与流程

碳和电解质是炭渣的主要成分。其中，电解质的主要成分为冰晶石和亚冰晶石，其余主要为氧化铝、氟化钙、氟化镁、锂冰晶石、氟化铝等。天山铝业采用浮选法即利用碳和电解质物理性质的差异实现了炭渣中各种成分的分离，所得碳精料可用作炭素产品生产原料，所得电解质精料可直接返回电解槽使用。

2.1 浮选法回收处理炭渣原理

浮选法能够有效地将炭渣中碳与电解质进行分离与再利用，是由炭渣所含物质的性质决定的：1）性质差异。炭渣中的碳和电解质在物理性状上表现较大差异，碳为疏水性物质，而电解质是亲水性物质，因此可以利用两者对水的表面性质的差异进行分离。炭渣中不同成分的性质差异见表1。2）可分离性。炭渣中的碳和电解质来自于电解槽的不同位置，因此二者之间有明显的界面，可以通过破碎或磨矿方式实现二者解离。

表1 炭渣中不同成分的性质差异g/cm3

2.2 工艺流程

回收处理总体思路为采用“破碎磨矿+浮选+过滤烘干”的分选工艺：将炭渣磨至一定粒度，使炭渣中的电解质与碳粉充分解离，加水调浆后加入浮选药剂，根据碳与电解质的表面性质差异，碳粉沾附在泡沫上，随着泡沫上浮，经浮选机溢流口溢出，电解质则从底流放出，达到碳粉与电解质的分离，从而得到碳粉与电解质两种产品。碳粉过滤去水分烘干，可返回阳极糊生产中，作为微粉料使用；电解质经干燥后返回电解槽中，作为对其电解质消耗的正常补充。工艺流程图如图1所示。

图1 提铝及浮选回收处理工艺流程

然而，在实际生产过程中，炭渣是由人工使用漏勺从电解槽中打捞的。理论上，如果漏勺停留时间久，铝液和炭渣就能分离，捞出炭渣中含有的金属铝量就比较少；但一般情况下，由于工人畏惧高温，通常捞出就立刻倒掉，铝液来不及分离，使得铝液和碳粉一起被倾倒入待处理的炭渣中，造成了铝的损失。金属铝液与炭渣混合捞出后，经循环水池冷却，其中的铝液变成块状、粒状的金属铝。由于金属铝的强度非常大，而且是变形金属，一般难以破碎，给后续的炭渣回收处理带来了更大的麻烦。因此，在采用浮选法对炭渣进行回收处理之前，有必要对打捞出来的炭渣进行提铝预处理。

3 炭渣提铝对回收处理的影响

3.1 炭渣提铝必要性

1）炭渣提铝对破碎、球磨与旋分的影响。炭渣回收主选工艺是湿法浮选工艺。在浮选时，炭渣需要提前粉碎，通常采用破碎与球磨方式。首先，大块金属铝与其他杂质须经过装载机粗筛预处理后，将原料粒度降至200 mm以下，再进入破碎机下料斗，否则会造成下料不太顺畅。大块原料进入破碎机偶尔会导致搭拱架桥现象，甚至会卡住破碎机，此时必须停止破碎机，通过人工振打疏通将其去除。一旦造成破碎设备的损坏，检修非常麻烦。破碎出料粒度一般小于40 mm，球磨一般采用溢流式球磨机，分级采用复合振动筛，副产品为金属铝料。基于此，在铝电解过程中，工人捞取炭渣时应保持强烈的责任意识，尽量减少带出铝的损失，从而提高后续设备工作效率。

2）炭渣提铝对浮选指标的影响。小颗粒金属铝被带入到球磨机中后，在钢球的磨辊下，变成片状的小颗粒，最后经球磨机出口的筛网筛出，从而达到分离和利用的目的。同时，球磨粒度及浆料浓度对浮选指标即碳及电解质回收率、品位及药剂成本等影响较大。铝含量过高会影响球磨粒度及浆料浓度，给后续浮选回收指标产生不利影响，并降低碳与电解质的回收率及产品品位。所以，提铝回收率应达到90%以上，使炭渣中铝质量分数降低到0.02%以下，尽量减少对后续回收处理的影响。

以天山铝业为例，提铝后的炭渣中碳质量分数在30%左右，电解质质量分数在65%~70%左右。

3.2 提铝价值

当前的铝价在18 500元/t以上，通常炭渣中的铝质量分数为2%左右，偶尔还会更高。按照每吨电解铝产消耗470 kg阳极，产生12 kg炭渣测算，一个40 kt规模的铝厂将产生4.8 kt炭渣，同时损失96 t金属铝，折损将近110万元。如果捞炭渣的工人比较粗心，炭渣中的金属铝含量还将更高。由此可见，炭渣提铝回收具有重大的经济价值，既能减少了带出铝的经济损失，又可减少后续炭渣回收处理的的麻烦与不利影响。回收铝料对于企业而言是一笔非常可观经济收入。以天山铝业年产生8 kt炭渣为例，可回收160 t金属铝，效益可达180多万元。提铝及浮选回收处理工艺原料及各阶段产品见图2。

图2 提铝及浮选回收处理工艺原料及各阶段产品

4 炭渣提铝的方法及工艺操作要点

4.1 粗筛提铝

首先，将待处理电解铝炭渣进行粗处理。金属铝液与炭渣混合捞出后，经过冷却，其中的铝液变成块状、粒状的金属铝。这些块状、粒状的金属铝与肉眼可见的大颗粒碎石、废铁、阳极炭块等杂质必须首先通过筛分分检出来回收。一般粗筛提铝采用装载机等机械进行预处理粗分，原料粒度小于200 mm的可进破碎机料斗，200 mm以上粗铝料返回电解槽回收。

4.2 破碎球磨提细铝料

1）原理：球磨采用溢流型球磨机，其工作原理主要由滚动轴承做支撑，通过传动机械使其筒体旋转，物料从给矿处给入，在筒体内与钢球一同完成抛落、冲击、撞击和自磨作业，实现物料磨碎。因不断给入物料，其压力会促使筒体内的物料由给料端逐渐排向出料端；当矿浆高出排矿端中空轴的下边缘时，物料会自流溢出，而排矿端处的钢球和粗物料会由反螺旋叶片返回至磨机内，机械碎磨。

2）工艺过程：提粗铝后，炭渣经过电磁振动给料机、皮带输送机进入颚式破碎机破碎除铁，小颗粒金属铝被带入到球磨机中，在钢球的磨辊下，变成片状的小颗粒，经球磨机出口的筛网筛出分离和回收利用。球磨机采用格子双仓球磨机，一仓放钢球，二仓放钢锻。格子式球磨机可以使铝料强制排出，一仓钢球主要用于砸碎物料，二仓钢锻主要用于把物料磨细。球磨与分级机形成闭路磨矿。球磨时给入水，将那些已经符合细度要求的炭渣分级选出，进入浮选作业；不符合细度要求的粗粒经过水力螺旋返回球磨机。通过一次提粗铝、二次破碎湿磨提铝细料，炭渣中铝的分离回收率可达到90%以上，炭渣中铝的质量分数降低到0.02%以下，有效降低了炭渣含铝对后续回收处理的影响，提高了浮选指标及生产效率。

3）工艺参数及浮选指标：综上所述，球磨无论对于铝的回收效果还是后续浮选作业都十分关键。在对球磨的效率和时间进行设置时，一方面要保证铝的回收效果，另一方面要确保出料粒度、浆料浓度符合浮选分离的最佳工艺条件。一般而言，若要球磨出料粒度≤0.15，炭渣球磨分级溢流细度-200目要达到80%以上，并达到提铝要求，球磨时间一般在30~40 min。生产工艺参数及浮选指标见表2、表3。

表2 破碎、破碎工艺参数

表3 浮选指标%

天山铝业炭渣回收处理项目采用上述工艺，浮选电解质回收率及品位高于同行业水平10%左右。

4.3 工艺操作建议

1）破碎机操作建议：电磁振动给料机进料粒度必须小于200 mm，物料中的铝块和木棍等杂物须人工除去。破碎机和斗式提升机必须空载启动，停机前必须让破碎机和斗式提升机空转一会，清空里面的物料再停机。破碎机须经常（每班）检查蓖条是否损坏、螺栓是否松动和损坏、破碎腔里是否有铝块等不能破碎的东西。破碎机过程中有异常声响必须立即停止给料并停机检查。

2)球磨机操作建议：(1)球磨机、搅拌槽停机前保证物料抽空，防止发生沉槽现象。(2)球磨机磨头和磨尾补水应严格按照生产工艺参数执行。(3)磨矿工段开机前，检查润滑情况，球磨机减速机、渣浆泵、搅拌减速机的油位，渣浆泵机封水等是否正常，检查完毕后联系浮选工段人员，在浮选工段准备完毕后再开机。开机顺序须严格执行。（4）控制球磨机入料和磨头水的量，物料量约2.90 t/h，旋流器底流冲洗水流量共约1.5～2.9 m3/h，磨矿浆液质量浓度为50%~65%，根据实际情况进行微调。磨尾水量约为3.9～5.3 m3/h，旋流器给料质量浓度约为30%，根据实际情况进行调整。（5）球磨机严禁长时间空负荷运转，容易打坏衬板，球磨机每隔1周要检查1次衬板螺栓是否松动。停机时，严格按照停机顺序进行。停机前须用循环水涮磨约15 min，以便下次开机顺利启动。开机前应做检查，确认渣浆泵机封冷却水正常供应，防止烧坏渣浆泵机械密封；保证渣浆泵的润滑以及冷却水正常供应等。停机长时间后再启动应确认手动盘泵几圈无卡滞现象。现场电磁振动给料机、破碎机、球磨机、浮选机设备见图3。

图3 现场设备

5 结论

1）炭渣产生于铝电解过程中，并对铝电解不利，必须及时捞出，尽量减少带出铝的损失，避免为后续炭渣回收处理带来了更大的影响。

2）炭渣提铝对其后续回收处理有较大影响：大块金属铝会对破碎球磨分选造成卡机停运，甚至损坏设备，因此必须要粗选出来。细铝料通过球磨机出口的筛网筛出后，可减少对浮选分离回收的影响，提高浮选指标。提铝还有明显经济效益，回收铝料对于企业是一笔非常可观经济收入。因此炭渣提铝是炭渣回收处理的必要前提。

3）炭渣提铝通过粗选提铝、二次球磨提铝后使铝料和炭渣充分分离，并得到回收利用，铝回收率可达到90%以上。但在生产操作上必须严格按照工艺参数执行，并注意细节操作。天山铝业通过优化破碎球磨工艺，浮选回收处理电解质比国内先进水平提高了10%。