卢婷婷等：铝电解槽废阴极炭块电-热耦合处理过程数值模拟 737· 间才能完全挥发，这也是方案1的优势所在.从图9 93.1%以上； 中可以看出，供电电压递减时在加热I6h时氟化 (2)设计的高温电阻炉，在加热阶段，高温区 盐挥发率达到峰值95%左右，满足生产设计要求， 由炉芯呈辐射状向外扩散，加热24h炉内最高温 之后挥发占比有所下降，但基本维持在85%，其炉 可达2250℃，氟化盐有效挥发区域占比可达98%： 膛温度满足氟化盐充分挥发的时间长达20h远超 保温阶段炉料废阴极炭块温度基本维持在2000℃ 递增情况.电压递增时，炉膛内部1700℃以上温 左右.在12V升温24h,9V保温12h的供电模式 度占比突变时间滞后，不利于铝电解槽废阴极炭 下，有效高温区占比大于80%的处理时间长达18h: 块的处理.电压恒定时的变化介于递增和递减之 (3)通过对供电电压模式的优化研究发现，与 间.综上所述，逐级递减的供压方式，对实际生产 恒定电压和递增电压供电模式相比，逐级递减供 更加有利，此结论与相关电阻炉文献研究结论 电模式下炉内有效热处理时间可达20h,更有利 相一致 于氟化盐的深度分离 1800 Case 1 参考文献 1500 -Case 2 --Case3 [1] Birry L,Leclerc S,Poirier S.The LCL&L process:a sustainable 1200 2000000 solution for the treatment and recycling of spent potlining //Lighr Metals 2016.Switzerland:Springer Cham,2016.467 900 [2] Cao X Z,Shi YY,Zhao S,et al.Recovery of valuable components 600 from spent pot-lining of aluminium electrolytic reduction cells.J Northeast Uniy Nat Sci,2014,35(12):1746 300 (曹晓舟，时园园，赵爽，等.铝电解槽废旧阴极炭块中有价组分 0 的回收.东北大学学报：自然科学版，2014,35(12)：1746) 0 4 12 16 2024 [3] Time/h Bao L F,Zhao J X,Tang W D,et al.Separation and recycling use of waste cathode in aluminium electrolysis cells.China Nonferrous 图8监测点温度随时间变化 Metall,.2014,43(3):51 Fig.8 Variations in temperature with heating time at monitoring point (鲍龙飞，赵俊学，唐雯聃，等.铝电解槽废旧阴极的分选与回收 利用.中国有色冶金，2014,43(3)：51) Case 1 [4]Holywell,G.Breault,R.An overview of useful methods to treat. --Case 2 80 Case 3 recover,or recycle spent potlining.JOM,2013,65(11):1441 [5] Ma J L,Shang X F,Ma Y P,et al.Directions for development of 60 hazardous waste treatment technologies in electrolytic aluminum 40 industry.Environ Prot Chem Ind,2016,36(1):11 (马建立，商晓甫，马云鹏，等.电解铝工业危险废物处理技术的 20 发展方向.化工环保，2016,36(1)：11) 0a4-4-0-1a-00081-山1 [6]Hittner HJ,Byers L R,Lees Jr.J N,et al.Rotary Kilntreamment of 8 1216 Potliner:US Patent,5711018.1998-01-20 20 Time/h [7]Barrillon E,Personnet P,Bontron J.Process for the Thermal Shock 图9氟化盐挥发率随时间变化 Treatment of Spent Pot Linings Obtained from Hall-heroult Fig.9 Volatilization rate of fluoride salts at different time Electrolytic Cells:US Patent,5245115.1993-09-14 [8] Grolman R J,Holywell G C,Kimmerle F M,et al.Recycling of 4结论 Spent Por Linings:US Patent,5740559.1995-11-28 [9]Sorlie M.Ove H A.Cathodes in Aluminium Electrolysis.3rd 采用电-热偶合数值模拟的方法，对电加热高 edition.Berlin:Beuth Verlag GmbH,2010 温电阻炉通电加热实现铝电解槽废阴极炭块中炭 [10]Chen X P,Li W X,Zhou J M,et al.Studying on the toxicity of 与氟化盐的分离过程进行了数值计算，获得该电 spent potline in aluminum electrolysis.Lighr Met,2005(12):33 (陈喜平，李旺兴，周子民，等，铝电解废槽内衬的危害性研究 加热高温电阻炉的温度场分布以及优化的供电调 轻金属，2005(12)：33) 节参数.结论如下： [11]Zhai X J,Qiu Z X.Applying flotation to separate electrolyte from (1)实验表明废阴极炭块中氟化物的有效脱 spent carbon of aluminum electrolysis.Nonferrous Met,1993, 除温度需≥1700℃，该温度下氟化物挥发率可达 45(2):38间才能完全挥发，这也是方案 1 的优势所在. 从图 9 中可以看出，供电电压递减时在加热 16 h 时氟化 盐挥发率达到峰值 95% 左右，满足生产设计要求， 之后挥发占比有所下降，但基本维持在 85%，其炉 膛温度满足氟化盐充分挥发的时间长达 20 h 远超 递增情况. 电压递增时，炉膛内部 1700 ℃ 以上温 度占比突变时间滞后，不利于铝电解槽废阴极炭 块的处理. 电压恒定时的变化介于递增和递减之 间. 综上所述，逐级递减的供压方式，对实际生产 更加有利，此结论与相关电阻炉文献研究结论[20] 相一致. 4    结论 采用电‒热偶合数值模拟的方法，对电加热高 温电阻炉通电加热实现铝电解槽废阴极炭块中炭 与氟化盐的分离过程进行了数值计算，获得该电 加热高温电阻炉的温度场分布以及优化的供电调 节参数. 结论如下： （1）实验表明废阴极炭块中氟化物的有效脱 除温度需≥1700 ℃，该温度下氟化物挥发率可达 93.1% 以上； （2）设计的高温电阻炉，在加热阶段，高温区 由炉芯呈辐射状向外扩散，加热 24 h 炉内最高温 可达 2250 ℃，氟化盐有效挥发区域占比可达 98%； 保温阶段炉料废阴极炭块温度基本维持在 2000 ℃ 左右. 在 12 V 升温 24 h，9 V 保温 12 h 的供电模式 下，有效高温区占比大于 80% 的处理时间长达 18 h； （3）通过对供电电压模式的优化研究发现，与 恒定电压和递增电压供电模式相比，逐级递减供 电模式下炉内有效热处理时间可达 20 h，更有利 于氟化盐的深度分离. 参    考    文    献 Birry L, Leclerc S, Poirier S. The LCL&L process: a sustainable solution for the treatment and recycling of spent potlining // Light Metals 2016. Switzerland: Springer Cham, 2016. 467 [1] Cao X Z, Shi Y Y, Zhao S, et al. Recovery of valuable components from spent pot-lining of aluminium electrolytic reduction cells. J Northeast Univ Nat Sci, 2014, 35（12）: 1746 （曹晓舟, 时园园, 赵爽, 等. 铝电解槽废旧阴极炭块中有价组分 的回收. 东北大学学报: 自然科学版, 2014, 35（12）：1746） [2] Bao L F, Zhao J X, Tang W D, et al. Separation and recycling use of waste cathode in aluminium electrolysis cells. China Nonferrous Metall, 2014, 43（3）: 51 （鲍龙飞, 赵俊学, 唐雯聃, 等. 铝电解槽废旧阴极的分选与回收 利用. 中国有色冶金, 2014, 43（3）：51） [3] Holywell, G, Breault, R. An overview of useful methods to treat, recover, or recycle spent potlining. JOM, 2013, 65（11）: 1441 [4] Ma J L, Shang X F, Ma Y P, et al. Directions for development of hazardous waste treatment technologies in electrolytic aluminum industry. Environ Prot Chem Ind, 2016, 36（1）: 11 （马建立, 商晓甫, 马云鹏, 等. 电解铝工业危险废物处理技术的 发展方向. 化工环保, 2016, 36（1）：11） [5] Hittner H J, Byers L R, Lees Jr. J N, et al. Rotary Kilntreatment of Potliner: US Patent, 5711018. 1998-01-20 [6] Barrillon E, Personnet P, Bontron J. Process for the Thermal Shock Treatment of Spent Pot Linings Obtained from Hall-heroult Electrolytic Cells: US Patent, 5245115. 1993-09-14 [7] Grolman R J, Holywell G C, Kimmerle F M, et al. Recycling of Spent Pot Linings: US Patent, 5740559. 1995-11-28 [8] Sorlie M, Oye H A. Cathodes in Aluminium Electrolysis. 3rd edition. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2010 [9] Chen X P, Li W X, Zhou J M, et al. Studying on the toxicity of spent potline in aluminum electrolysis. Light Met, 2005（12）: 33 （陈喜平, 李旺兴, 周孑民, 等. 铝电解废槽内衬的危害性研究. 轻金属, 2005（12）：33） [10] Zhai X J, Qiu Z X. Applying flotation to separate electrolyte from spent carbon of aluminum electrolysis. Nonferrous Met, 1993, 45（2）: 38 [11] 0 Time/h 1800 1500 1200 600 300 900 0 Temperature/ ℃ 4 8 12 16 20 24 Case 1 Case 2 Case 3 图 8 监测点温度随时间变化 Fig.8 Variations in temperature with heating time at monitoring point 0 Time/h 100 80 60 20 0 40 Volitilazation rate of fluoride salts/% 4 8 12 16 20 24 Case 1 Case 2 Case 3 图 9 氟化盐挥发率随时间变化 Fig.9 Volatilization rate of fluoride salts at different time 卢婷婷等： 铝电解槽废阴极炭块电−热耦合处理过程数值模拟 · 737 ·