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　　摘    要

 

　　工业铝灰中的主要成分为氧化铝和铝。如果回收的铝灰能返到电解槽作为原料使用，将为铝电解厂节约成本，减少废料排放，铝回收变成产品，最大限度实现经济效益。本研究用某电解铝厂电解槽中的电解质与铸造过程产生的细铝灰按照一定比例混合放入坩埚中，利用实验室的熔化炉模拟电解槽中的温度环境，对铝灰返回电解槽后的去向做了一些试验性的研究和探索，并结合试验结果对铝灰返电解槽给出了一些建议。

 

 

　　近年来，我国铝工业发展迅速，截至2020年6月的统计数据，全国铝运行产能达到3664.2万ｔ，占世界铝产量的57％，在推动国民经济发挥着巨大的作用。电解铝生产铸造过程中会产生大量的工业铝灰，工业铝灰是铝电解、铝加工及再生铝加工过程中产生的废弃物，已被国家列为固体危废(废物代码：321－024－48)。根据铝灰含铝量的不同可分为一次铝灰和二次铝灰。铝灰的成分因各生产厂家的原料及操作条件不同而略有变化，但通常都含有金属铝、铝的氧化物、氮化物和碳化物、盐、其他金属氧化物(如ＳｉＯ2、ＭｇＯ)以及一些其他成分。目前大多数电解铝厂虽然将铸造产生的一次铝灰经研磨、筛分等处理回收了一部分金属铝，但产生的二次铝灰由于没有成熟完善的处理技术，各大电解铝厂和铝加工厂都存放有大量的工业铝灰，且总量还在逐年增加，因其含有大量的金属铝和氧化铝，如何妥善处理有效回收，实现循环利用，是当前众多电解铝企业亟待破解的一个难题。

 

　　本文基于对工业二次细铝灰的循环利用、创造经济效益的目的，利用实验室熔化炉模拟铝灰作用于电解槽阳极覆盖料与电解质混合后的去向进行分析研究，探索工业二次细铝灰返回电解槽循环利用的可行性。

 

　　02固态铝电解质的成分和物相分析

 

　　2.1 固态电解质的成分

 

　　电解槽中电解质主要含氧化铝、冰晶石、氟化钙等，为了研究工业铝灰返回电解槽后的去向，探索工业铝灰返回电解槽循环利用的可行性，借助XRD对某铝电解厂电解槽固体电解质在加入工业铝灰前后其成分及物相进行分析。某铝电解厂电解槽固态电解质主要成分及物相图分别见表1及图1所示。

 

　　表1 实验过程固态铝电解质元素成分/％

 

 

　　由表1看出，某铝电解厂电解槽中固态电解质中主要含Ａｌ、Ｎａ、Ｆ、Ｋ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｍｇ等电解槽启动元素。

 

　　2.2 实验过程固态铝电解质ＸＲＤ物相分析

 

 

　　图1 实验过程固态铝电解质ＸＲＤ物相图谱

 

　　由图1可以看出，实验过程固态铝电解质中主要含有冰晶石(Na3AlF6)、氟化钙(ＣａＦ2)、γ－氧化铝(γ－Al2O3)、锂钠冰晶石(ＬｉNa2AlF6)、钾钠冰晶石(Ｋ2NaAlF6)、Na5Al8F14等物质。

 

　　03铝灰返电解槽后固态电解质成分及物相变化

 

　　为更好模拟工业二次铝灰作为电解槽阳极覆盖料返回电解槽后的去向变化，本次试验将固态电解质破碎均等分为5份，利用管式炉作为固态铝电解质加热设备将固态电解质加热至熔融状态，按照一定比例分别往熔融态铝电解质中加工业铝灰，从理论上验证其对铝电解质成分的影响，相关试验数据见表2和图2所示。

 

　　表2 工业铝灰对铝电解质成分影响数据/％

 

 

　　从表2并结合表1对比分析得出，铝电解质中加入工业二次铝灰后Ａｌ、Ｎａ、Ｆ等元素含量都会随着铝灰加入量的增加而增加，随着工业铝灰的加入，铝电解质中Ｎ、ＳｉＯ2、Ｆｅ、Ｃｌ等元素和物质的含量也随之增加。

 

 

　　图2 工业铝灰加入铝电解质后物相图谱

 

　　由图2工业二次铝灰加入铝电解质后的物相图谱并结合图1固态铝电解质XRD物相图谱可以看出，未加入工业二次铝灰的铝电解质中，氧化铝物相为γ－氧化铝(γ－Al2O3)，易溶于铝电解质；加入工业二次铝灰后的铝电解质物相中，含有冰晶石(Na3AlF6)、氟化钙(ＣａＦ2)、刚玉相氧化铝(α－Al2O3)和锂钠冰晶石(ＬｉNa2AlF6)等成分，加入工业二次铝灰后铝电解质中的氧化铝物相变为刚玉相氧化铝(α－Al2O3)，根据李龙华，王林学，薛东东等的研究发现，刚玉相氧化铝(α－Al2O3)很难溶于铝电解质中，会逐渐使铝电解质的流动性、对氧化铝的溶解性变弱而使氧化铝逐渐沉入炉底，导致炉底的氧化铝沉淀增多，电解槽炉底电压上升。

 

　　根据图2的物相图谱分析发现，二次铝灰加入后在高温下电解质中生成的α－Al2O3物相峰值相对较小，如果工业二次铝灰大量返电解槽后会对铝电解生产造成严重影响，因此，工业二次铝灰返电解槽回收利用要慎重，不可大量使用，建议少量掺入破碎料中，在换极时作为阳极覆盖料使用。以某铝厂500ｋＡ系列铝电解槽为例，一个系列有336台电解槽，每台电解槽有24组阳极，工业二次铝灰与破碎料混合后在换极时作为阳极覆盖料使用，每组阳极混合约130kg工业二次铝灰，换极周期一般为31ｄ，三轮换极周期持续使用后停用两个月观察电解槽原铝质量变化，经过长期对比发现，工业二次铝灰与破碎料混合后返电解槽后电解槽内铝液硅含量在0.004％范围内波动，并未呈持续升高趋势，并未对电解槽原铝质量造成影响，则五个月内工业二次铝灰用量为24×3×0.12×336＝2903.4ｔ，基本可以实现对产生的工业二次铝灰的循环利用。

 

　　04石油化工行业固体废物的水泥窑协同处置前景分析

 

　　⑴借助XRD分析设备，对工业铝灰加入铝电解质前后的物相情况进行深入研究。从理论上得出，加入工业二次铝灰后铝电解质中的氧化铝物相变为刚玉相氧化铝(α－Al2O3)，很难溶于铝电解质中。

 

　　⑵工业二次铝灰返电解槽回收利用要慎重，不可大量使用，建议少量与破碎料混合后在换极时作为阳极覆盖料使用，且每组阳极使用量不得超过130kg。

 

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