[发明专利]一种氢循环电解方法和装置及其在氧化铝生产的应用

说明书

技术领域

本发明属于电解节能技术领域和氧化铝生产技术领域。

背景技术

氧化铝是生产金属铝的基本原料。目前，在氧化铝工业占据着主导地位的生产工艺是拜耳法生产工艺。拜耳法氧化铝生产效率受种分过程的相平衡制约，铝酸钠溶出液中仅不足一半的氧化铝可以利用种分析出，致使溶出设备生产效率偏低。北京化工大学钮因健等提出了“一种碱溶碳分法生产氧化铝的工艺ZL200710178670.2”，提出采用氢氧化钠溶液浸矿获取铝酸钠溶出液，采用碳酸氢钠分解铝酸钠溶出液形成由氢氧化铝沉淀与碳分母液组成的混合体系，分离得到氢氧化铝固体和以碳酸钠为主要溶质的碳分母液；氢氧化铝固体经过焙烧后得到氧化铝，碳分母液通过阳离子膜电解重新转化为碳酸氢钠和氢氧化钠溶液，进而实现碳酸氢钠和氢氧化钠溶液的循环利用。该方法具有铝酸钠溶出液分解迅速彻底，溶出设备溶出效率高等优点，可以克服拜耳法氧化铝生产工艺所存在的上述不足。但是，碱溶碳分法生产氧化铝的工艺仍存在着电解过程电耗偏高的问题，其中的碳分母液电解工序在以1000A/m²的电流密度下电解槽的槽压通常在2.6V以上，核算生产每吨氧化铝的电耗高达1900 kWh以上。

为此，北京化工大学钮因健等又提出“一种降低碱溶碳分法电耗的技术方法与电解槽ZL200810088844.0”，以耗氧阴极替代析氢阴极的方法来降低电解槽槽电压，进而降低电耗的方法。采用该氧循环电解方法可将电解槽的实际槽电压降低至1.68V，节电约35%。本发明人经研究发现，若采用氢循环电解方法进行碳分母液电解，即采用氢气氧化阳极替代原有析氧阳极，可以更大幅度地降低电解槽电压，实现更大幅度地降低电耗。

本发明的目的在于进一步降低碱溶碳分法生产氧化铝的电耗及生产成本，提出以高催化活性的氢阳极替代传统析氧阳极，借助氢循环电解来更大幅度降低电解槽槽电压，进而更大幅度降低碱溶碳分法生产氧化铝的电耗的方法和电解槽。研究测试结果表明采用该氢循环电解方法可将电解槽的实际槽电压降低至1V以下，节电60%以上。

在此之前，昆明理工大学张家涛等在2009年申报的专利“零阳极电位氢扩散阳极的制备方法ZL200910094687.9”中曾提出，在电沉积金属的过程中采用氢阳极可使槽电压减少1.25V，具有明显的节电效果。然而将氢阳极用于电沉积金属，在阴极无氢气产生，所需阳极反应所耗氢气全部需要通过外来气源供给，并未提出氢循环电解的概念。

在此之前，碳酸钠苛化制烧碱最常用的方法是石灰苛化法，采用石灰苛化碳酸钠得到的产物是氢氧化钠和碳酸钙。在专利ZL200710178670.2中首次提出采用电解苛化碳酸钠分别在阴极和阳极同时得到氢氧化钠和碳酸氢钠，其优点在于电解苛化法得到的碳酸氢钠比石灰苛化法得到的碳酸钙更有价值，其不足之处在于电耗高。在专利ZL200810088844.0中首次提出采用氧循环电解苛化碳酸钠同时得到氢氧化钠和碳酸氢钠两种产物，并使其电耗显著下降，但仍存在电耗偏高的问题。本发明提出的氢循环电解方法和电解槽，还可以低电耗电解苛化碳酸钠同时获得氢氧化钠和碳酸氢钠两种产物。

发明内容

本发明针对现有碱溶碳分法氧化铝生产工艺中碳分母液电解能耗较高的问题，提供一种基于氢循环电解碳分母液再生氢氧化钠和碳酸氢钠的节电电解方法及节电型电解槽，进一步显著降低碱溶碳分法生产氧化铝的耗电指标。本发明技术可以降低电解碳酸钠同时得到氢氧化钠和碳酸氢钠的电耗。

本发明的目的在于提供一种以实现阳极液酸度增加、阴极液碱度增加为目的的水溶液电解体系的节电方法，其特征在于：采用可使氢气在其表面顺利进行阳极氧化的活性电极（氢气氧化电极）替代析氧阳极，从而使阴极产生的氢气可以在阳极被消耗利用，实现氢气的循环转化。该电解技术避开了析氧反应较高的过电位，相当于从原有电解槽槽电压中减去了水的分解电压部分，因而显著降低电解槽电压及能耗。采用本发明的方法可以显著降低碱溶碳分法生产氧化铝的电耗。

本发明的另一目的是提供能够实现上述电解过程的电解装置，如附图1所示，该电解装置的电解槽由隔膜分隔为阳极室和阴极室，此外还含有专门的氢气室，其特征在于阳极采用能够使氢气顺利实现表面催化氧化的专门电极，以下简称氢阳极，氢气室设在氢阳极的另一侧，氢阳极处在阳极室和氢气室之间；此外在阴极区的上端还设有氢气收集装置，收集的氢气在分离液体后再被引入氢气室供氢阳极反应所需。采用本发明的电解装置可以实现碱溶碳分法生产氧化铝工艺电耗的显著降低。