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铝电解废槽衬火法处理工艺研究与热工分析

陈喜平  
【摘要】: 铝电解生产排出的废槽衬是极其有害的固体废物,其可溶氟化物和氰化物含量严重超标。受风吹、日晒、雨淋的作用,其毒害物质将转移,进入大气,渗入土壤和地下水,将破坏生态环境,严重影响人类健康和动植物生长。 废槽衬的处理方法,分为湿法和火法两大类,相关的专利有100多件。火法处理技术因其工艺流程短、容易操作、回收利用氟化物、投资少而逐渐发展为处理废槽衬的主导技术。 本文重点研究了废槽衬的火法处理技术,从理论和实践方面深入分析研究了废槽衬的火法处理过程,为中国铝业公司开发的废槽衬火法处理技术的完善及推广应用提供了理论依据和技术基础,得到了以下主要结论: 1、废槽衬中氟化物主要以NaF、Na3AlF6形式存在,氟化物的分散度大,SEM和EDX分析均证明了这一点。废槽衬含有较高浓度的F-和CN-,远远超过国家允许的排放限值。废槽衬遇水时,F-和CN-容易浸出,并能与水反应生成HF、HCN,毒害性极大,外排的废槽衬是潜在的危险源。 2、采用自由焓函数法分析研究了废槽衬的火法处理过程,计算了各反应的△GT0值和1200~1300K的平衡常数,氰化物的氧化分解反应平衡常数最大,氟化钠转化为氟化钙的反应平衡常数最小。各反应平衡常数从大到小的顺序是:氰化物的氧化分解反应氟化铝的转化反应碳的燃烧反应氟化钠的转化反应。在石灰石、二氧化硅、空气与废槽衬同时存在的条件下,废槽衬的火法处理在热力学上是完全可行的。 3、通过模拟工业条件实验,在暴露于空气中单独焙烧、与石灰石混合焙烧两种情况下研究了废槽衬中氟化物的化学稳定性,氟化钠具有好的化学稳定性,氟化铝的化学稳定性最差,按稳定性高低排序是:氟化钠冰晶石氟化铝。研究结果与热力学计算结果相吻合。表明在废槽衬火法处理过程中,氟化铝最容易转化,氟化钠最难转化,冰晶石的化学稳定性介于两者之间。 4、以工业试验回转窑为热工对象,研究了废槽衬火法处理的传热过程。对工业试验回转窑进行了热平衡分析,验证了废槽衬火法处理工业试验方案的合理性。推导了物料自然堆角的计算公式,给出了回转窑内煤粉燃烧的释热模型,导出了物料与被覆盖窑壁间热传导的物理数学模型,给出了颗粒与受热面接触过程中通过气膜导热的计算公式,求出了物料与被覆盖窑壁间的热传导综合传热系数。建立了回转窑一维轴线温度分布数学模型,基于热工测试和窑内传热原理,编制了回转窑轴线温度计算程序。讨论了工艺参数对回转窑温度分布的影响,给出了优化的运行参数值。 5、工业试验研究表明,在废槽衬中添加石灰石、工业废料PCA处理废槽衬是可行的,在进料量500 kg/h的工业规模下取得了较好的处理效果,实现了废槽衬的无害化处理,氟化物的转化率达98%以上,氰化物的氧化分解率达99.5%以上。回收的固体残渣中平均F-含量39.7 mg/L,CN-含量0.053 mg/L,低于国家环保标准允许限值。烟气中的HF浓度约1.4g/m3,可通过干法净化系统回收、生成氟化铝作为电解原料。固体残渣含氟化钙约20%,可替代荧石作为水泥烧成的催化剂。本研究开发的废槽衬火法处理技术实现了废槽衬的无害化、资源化和减量化,具有明显的经济效益和环境效益。该技术在全国推广应用后,将根除我国废槽衬的污染。


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