一种电热炼铝的装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于材料学领域，涉及一种电热炼铝的装置，包括以下部分：至少一台铝镁离心分离机，所述铝镁离心分离机接收含铁铝合金与金属镁熔化为含有铝‑镁‑硅‑铁四种元素的合金液，经离心处理后分离成铝镁合金液和析出的固相金属化合物，所述铝镁合金液经冷却后生成铝镁合金块；至少一台铝镁连续蒸馏分离炉，铝镁连续蒸馏分离炉接收铝镁离心分离机生产的铝镁合金块，经重熔、蒸馏后分离成铝液和镁蒸气，所述镁蒸气经冷凝后生成凝聚态镁。本发明专利技术采用金属镁作为萃取剂，将铝、硅和铁采用物理法离出来，将铝与镁实现互熔，将铁、硅排除出合金液，然后铝镁进行蒸馏分离。

A device for electrothermal aluminum smelting

【技术实现步骤摘要】
一种电热炼铝的装置
本专利技术属于材料学领域，涉及一种提纯铝的装置，具体涉及一种电热炼铝的装置。
技术介绍
铝是重要的金属，应用广泛，是仅次于钢铁的第二金属。目前全世界的金属铝，都是采用电解铝工艺生产的。但电解铝工艺，存在多个重要的、难以克服的弊端。这使得人们一直在寻求电热炼铝工艺，以替代电解铝。电热炼铝比起电解铝，在多个方面具有优势，至少是可预期的潜在优势：(1)首先是矿物来源的差异：含铝的矿物大约250余种，其中100种也就是40％是硅酸盐类，也就是说，大多数情况下，含铝矿物都是铝硅矿。电热法可以使用的铝硅矿，在自然界十分广泛。电解铝需要纯度极高的含铝矿物，也就是铝硅比很高的铝土矿，例如铝硅比在5-12的矿物，适合的矿物极为有限，常见的三水铝石、一水硬铝石、一水软铝石等有限几种，适合电解铝的矿产资源的空间分布不均。全球每年原铝产量约为6000-7000万吨，其中约51-55％也就是约3600万吨产自中国，而中国的铝土矿资源只占全球的2.7％。如果中国不进口铝土矿或者氧化铝，本国适合电解铝的优质铝土矿将在7年内消耗殆尽。全球铝土矿成矿带主要分布在非洲、大洋洲、南美及东南亚。从国家分布来看，铝土矿主要分布在几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加、越南、印度尼西亚等国。中国、北美、欧洲等世界主要原铝生产国几乎都需要进口铝土矿。也就是说，世界上的主要工业国家，大部分位于北半球较高纬度的东亚、西欧、前苏联东欧地区、北美等，都缺乏适合电解铝的铝土矿。(2)其次是生产过程的污染排放：电解铝生产全过程污染严重。电解铝的生产过程首先是生产氧化铝，其次是电解过程。这两大环节产生大量赤泥、氟化物烟尘、氟化物气体、阴极大修渣导致的氰化物等多种污染，而且有的是剧毒污染物，对生态环境和人类健康产生严重危害。而采用电热法生产铝，几乎没有难以控制的污染，矿热炉中的氧化物粉尘，其本身没有化学毒性，很容易得到较好的控制。整个生产过程没有酸碱废液的处理循环，整体环保水平要好得多。(3)第三是能源消耗水平的不同：目前电解铝的全过程，电解环节工艺电耗大致在每吨铝13000kwh的能耗水平，但每吨铝需要1.92吨左右的氧化铝，氧化铝制备环节，折合每吨铝的能耗约为20-60GJ的能耗。如果采用电热法，获得铝硅合金，每吨合金的能耗主要是工艺电耗，在综合回收的情况下，大致只需要12000kwh，并不需要太多的原料制备过程的能耗，或者说原料制备环节能耗远远低于氧化铝环节。(4)设备产能差异大：电热炼铝，设备紧凑，单台设备的功率、产能大得多，电压达到数百伏特，而电解槽电压只有个位数。大型电解槽每台每年产铝量只有数百吨，而大型矿热炉电热法炼铝，可以达到万吨级。这是因为一方面电解反应只在平面上进行，而电热法是在整个立体空间内进行的。还有电解工艺的综合能源效率并不高，而电热法则要高得多。从反应器的角度，电解铝车间往往是数百台电解槽串联在一起运行，对于电力稳定、运行管理与维护的要求要高得多。而电热法的反应器产能大，所需设备台数少，生产管理要灵活得多。(5)使用可再生能源的适应性：电解铝只能使用传统化石能源产出的电力。电解铝生产过程中，电解槽的电化学反应必须是连续进行的，一旦发生停电，就会造成凝槽的重大生产事故，导致生产停顿，再行恢复需要彻底重新大修，费用昂贵，且耽误数月工期。这就使得电解铝作为耗电大户，却不能使用风电、光伏、光热、水电等可再生能源，以防止电力供应波动，只能使用传统燃煤、燃气、燃油等化石能源发出的电力，使得全球碳减排的努力在电解铝行业无法实行。(6)对硅元素的处理利用：在自然界中，铝与硅的矿物是结合在一起的，电解炼铝的两步法工艺中，先是通过水溶液的作用，强行使得铝硅的氧化物实现分离，然后消耗大量热能烘干氧化铝中水分，送入电解槽获得电解铝。但电解铝最终的应用中，约有70％需要后续再配入工业硅作为合金元素，这样导致巨大的浪费。特别是随着高品位铝土矿的逐步消耗，更多铝硅比较低的，例如3-6铝硅比的铝土矿，需要脱除掉的氧化硅更多，导致工艺复杂、成本增加。而电热法直接是将铝硅协同还原进入合金，既不需要耗费很大力气在氧化物状态分离二者，也不需要将水分烘干，后期也无需专门再配入工业硅以提高硅含量。在对待伴生硅元素的利用上，显然电热法更为合理。(7)电热法成本优势巨大：电解铝的生产成本高昂。电解铝的生产成本中，电力能源占到40％左右，还有比较重要的就是氧化铝的采购成本，每吨电解铝需要消耗氧化铝一般为1.92吨，氧化铝采购成本占到电解铝售价的40％，导致电解铝成本高企。而相同条件下建厂，电热法要比电解法的吨铝成本降低约30％.随着全球用铝量的不断增长，金属铝及铝合金在社会上的积存量也越来越大，意味着工业化过程中积累的回收废旧铝，将成为未来金属铝的主要来源，也就是说，再生铝替代原铝，成为主要的用铝来源。但是回收废铝中往往含有超量的铁，例如含铁大于1.5％甚至更高，影响到再生铝的品质，往往通过添加数倍的纯净电解铝来稀释，使得铁含量降低到合格水平，这意味着再生铝的低成本、低能耗也被电解铝所稀释，未来随着再生铝成为主流，社会上已经没有很多电解铝用来稀释，那么铁的积累随着循环次数而逐步攀升，导致铝合金退化。目前尝试过加锰除铁、电磁场辅助过滤等，都没有收到很好的效果。所以，开发回收废杂铝熔融后除铁的工艺技术，迫在眉睫。中国储藏的适合电解铝的优质铝土矿并不丰富。但却存在比较多的低品质含铝固废，典型的如高铝粉煤灰、高铝煤矸石、铝土矿尾矿等。例如，在中国的内蒙古中西部地区、山西省中北部地区，煤炭中含铝量较高，煤炭燃烧后的粉煤灰中铝硅比较高，甚至可能大于1，其余的煤矸石中，也有较高铝含量。在中国北方少有的部分铝土矿产区，低品质的铝土矿尾矿，例如铝硅比在1.5-3之间的，往往由于低于下游氧化铝企业的采购标准，而被遗弃，堆积量很大，而这种低阶铝矿资源，总保有量还是较多的，目前没有很好的利用办法。曾经大唐电力集团联合清华大学，在内蒙古鄂尔多斯大路工业园建设了高铝煤炭的研究机构，并建成高铝粉煤灰浸出提取氧化铝的工业生产线，但是这种低阶资源如果将其中的氧化硅等去除掉，其污染排放、能耗水平，比现行的电解铝全流程更高，从经济和环保两个方面，都证实没有价值。后来这些生产线及其技术路线并没有得到推广，最终自行拆除了。世界各国关注直接从铝土矿中，采用电热工艺，用碳为还原剂，直接冶炼出金属铝，这种努力已经超过一个多世纪了。经过大量研究和积累，可以确认的几个事实和结论是：(1)铝被碳直接还原，是很难的。一方面需要很高的温度，大约2000-2200℃，另一方面，生成的铝直接与碳结合成碳化铝，而不是金属铝。由于温度升高，大量铝挥发进入到炉气中，而不是留在炉膛里。如果采用真空熔炼，更存在铝大量挥发的情况。(2)比还原纯铝更容易做到的是铝硅氧化物协同还原，获得铝硅合金，如果有铁氧化物的优先还原，生成的铝、硅金属直接与铁互溶，则更为有利。一般来说，此种铝硅合金，只要铝含量不超过72％，理论上都是可以还原的。如果铝硅中含有一定铁，例如5-10％，则更为有利。(3)国内多家铁合金企业，尝试用矿热炉还原含铝合金，例如铝硅合金或者铝硅铁合金，一般本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电热炼铝的装置，其特征在于，包括以下部分：/n至少一台铝镁离心分离机(301)，所述铝镁离心分离机接收含铁铝合金与金属镁熔化为含有铝-镁-硅-铁四种元素的合金液，经离心处理后分离成铝镁合金液和析出的固相金属化合物，所述铝镁合金液经冷却后生成铝镁合金块；/n至少一台铝镁连续蒸馏分离炉，所述铝镁连续蒸馏分离炉接收铝镁离心分离机生产的铝镁合金块，经重熔、蒸馏后分离成铝液和镁蒸气，所述镁蒸气经冷凝后生成凝聚态镁。/n

【技术特征摘要】
1.一种电热炼铝的装置，其特征在于，包括以下部分：
至少一台铝镁离心分离机(301)，所述铝镁离心分离机接收含铁铝合金与金属镁熔化为含有铝-镁-硅-铁四种元素的合金液，经离心处理后分离成铝镁合金液和析出的固相金属化合物，所述铝镁合金液经冷却后生成铝镁合金块；
至少一台铝镁连续蒸馏分离炉，所述铝镁连续蒸馏分离炉接收铝镁离心分离机生产的铝镁合金块，经重熔、蒸馏后分离成铝液和镁蒸气，所述镁蒸气经冷凝后生成凝聚态镁。


2.根据权利要求1所述的一种电热炼铝的装置，其特征在于：所述铝镁离心分离机(301)具有一个由离心机固定筒壁(302)和离心机固定筒保护盖板(303)围成的空间，所述空间内设置有可拆卸的离心转筒(310)，所述离心转筒(310)包括离心转筒底板(311)、离心转筒外筒壁(312)、离心转筒内筒壁(313)和离心转筒顶板(314)，所述离心转筒外筒壁(312)和离心转筒内筒壁(313)同一圆心设置于离心转筒底板(311)和离心转筒顶板(314)之间，所述离心转筒外筒壁(312)和离心转筒内筒壁(313)之间具有环形布置的离心转筒环形接液槽(318)，所述离心转筒内筒壁(313)所围成的内部空间为离心转筒内腔(317)，所述离心机固定筒保护盖板(303)与离心转筒顶板(314)之间开设有通向离心转筒内腔(317)的离心转筒注液通道(319)，所述离心转筒内筒壁(313)上均匀开设有若干个甩液孔(320)。


3.根据权利要求1所述的一种电热炼铝的装置，其特征在于：所述铝镁连续蒸馏分离炉包括铝镁合金重熔炉(611)、镁蒸馏塔(621)、铝液保温炉(625)、镁冷凝器(631)、结晶镁储存室(646)和总真空管道及真空泵(650)；所述铝镁合金重熔炉(611)经真空吸液管与镁蒸馏塔(621)的顶部进料口相连通，所述镁蒸馏塔(621)的底部出料口通过铝液顺流管(623)连通至铝液保温炉(625)，所述镁蒸馏塔(621)顶部还通过镁蒸汽管(630)与镁冷凝器(631)的顶部进料口相连通，所述镁冷凝器(631)底部出料口连通有结晶镁储存室(646)，所述镁冷凝器(631)顶部还连通有总真空管道及真空泵(650)。


4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛强，储少军，庞建明，王耀武，郭占成，陈为亮，夏明国，
申请(专利权)人：牛强，
类型：发明
国别省市：浙江;33