一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法
一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金环境领域，特别涉及一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法。
【背景技术】
[0002]工业中铝是采用冰晶石-氧化铝电解质体系，在950?980°C的温度条件下电解生产，在铝电解生产过程中，产生以下4种固体废料:
[0003]1、阳极炭渣。冰晶石-氧化铝电解质体系的阳极使用煅烧后的石油焦破碎成不同的粒级与煤沥青混合、混捏成型，再经焙烧后制成。在铝电解的生产过程，炭阳极不断消耗，理论上每电解生产一吨金属铝需要消耗0.334吨炭阳极，而实际上每生产一吨金属铝，炭阳极消耗在0.4吨以上，即实际炭阳极消耗要比理论炭阳极消耗多70kg/t-Al左右，有的高达100kg/t-Al以上，这多消耗的70?100kg/t-Al主要是空气和电解槽中的CO2对炭阳极进行氧化而损失掉，还有相当大的一部分消耗是电解过程中部分炭从阳极上脱落进入电解槽中成为炭渣。这种炭渣有细粉状和颗粒状，混熔于或悬浮于电解质中不仅会影响铝电解质的物理化学性能，如电导率、粘度等，还对电解槽的工作状态和电解槽的电流效率造成影响。因而需要电解工人定期将这些炭渣从电解槽中捞出，而捞出的炭渣中又粘附了大量的电解质，比例约占70%，电解铝厂将这种炭渣弃之不用，也有的将大块的含电解质成分过高的炭渣炭块破碎后，返回到电解槽中，而细小的炭渣仍被弃掉，进而造成炭和电解质的损耗并对环境造成污染。通常工业电解槽中每生产I吨铝约产生3?5kg炭渣，一个年产50万吨金属铝的电解铝厂，一年的炭渣量约为1500?2000吨。
[0004]2、废阴极炭块。铝电解槽废阴极炭块是指铝电解槽在经过一段时间的电解，出现槽底破损后，从破损的电解槽中取出的槽底阴极炭块和侧部炭块，其中也包括侧部炭块与底部阴极炭块之间的由捣固糊形成的炭块，以及阴极炭块之间的捣固糊在电解温度条件下形成的炭块。在铝电解生产过程中，少部分氟化钠也会被电化学还原为金属钠。在电解槽的整个使用周期内，电解质和金属钠会一直向炭质阴极材料中渗透。因此，在从破损槽刨出的铝电解废阴极炭块一般含有约30%左右的电解质和约10%左右的金属钠。目前我国电解铝厂所使用的电解槽的平均寿命在5年左右，以一个年产100万吨/年的电解铝厂为例，每年所产生的废阴极炭块约在I万吨左右，也就是说电解铝厂每生产100吨电解铝，就要产生I吨的废阴极炭块。
[0005]3、废电解槽耐火材料内衬。废电解槽耐火材料内衬是电解质在电解过程中通过阴极炭块的孔隙和阴极底块的裂缝以及阴极底块与底块之间的捣固糊所形成的裂缝渗入到炭阴极底块下部的耐火材料中，并与耐火材料反应而形成的。因此，废电解槽耐火材料内衬主要由电解质、电解质与耐火材料反应生成的化合物，以及未反应的耐火材料组成，其中电解质与耐火材料反应生成的化合物主要为由Na20，Al2O3和S12B成的化合物。在铝电解槽废耐火材料内衬中，还包括一种由氮化硅结合的碳化硅耐火材料内衬，这种由氮化硅结合的碳化硅耐火材料内衬，只应用在大型电解槽的侧部。
[0006]4、槽底漏铝熔化阴极钢棒后形成的Al-Fe合金。这部分合金在大修的破损槽上多有产生、数量大小不一，这部分Al-Fe合金虽然不是废料，但常常被铝厂抛弃，或以低价卖给废品回收部门。
[0007]5、铝灰。通常将从电解铝铸造车间的铝混合炉中扒出的铝渣，和铝锭(棒或板)铸造过程中打下来的渣，以及出铝抬包内衬粘附的渣料统称为铝渣。铝渣的主要成分为铝氧化后形成的粉状氧化铝以及粉状氧化铝所包覆的少量团聚状金属铝。铝渣经球磨后筛分，可筛出团聚状的金属铝，筛下的粉体被称为铝灰。铝灰由细小的颗粒状的金属铝和氧化铝组成，其中也不可避免地会有微量的电解质氟化物存在。目前无论是电解铝厂还是铝渣回收小作坊，都将这部分“铝灰”作为垃圾弃之，对环境造成较大影响。
[0008]目前，尚无一个技术上和经济上都可行的方法将铝电解固体废料进行有效处理及回收。因此，开发研宄铝电解固体废料的处理及回收技术，使其能够变废为宝对建设资源节约型、环境友好型社会尤为重要。
【发明内容】
[0009]针对现有技术存在的各种问题，本发明提供一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法。本发明装置是一种利用铝电解槽废阴极炭块固体碎料的导电性质制成废旧阴极炭块碎块作为电阻发热体的高温真空电阻炉。本发明方法利用废阴极炭块的电阻热产生高温，使废阴极炭块的碎块状料在真空条件下加热到1000-1400°C，同时利用这种废阴极炭块的高温热量将置于同一炉内的阳极炭渣物料或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金的磨细料混合制成的压团料加热到900-1200°C，使铝电解槽固体废料中的非碳质组分以气态形式蒸发，并在装置内的不同位置结晶，最终实现了铝电解固体废料中碳质组分和非碳质组分的有效分离及回收。本发明的技术方案如下:
[0010]一种处理及回收铝电解固体废料的装置，包括金属外壳、炉盖、耐火保温炉墙体、耐火保温炉底、电阻发热体、耐火混凝土墙体、料室、耐火混凝土柱体、热辐射挡板、罩型结晶器、筒型结晶器、电解质结晶室、碱金属结晶室、隔热板、真空抽气管、氩气充气管、真空压力表和用于给电阻发热体输入电能的电极。
[0011]所述金属外壳上沿之下的一段炉壳外壁设有冷却水套。
[0012]所述炉盖用铁质金属材料制成，带有法兰结构，金属外壳上沿也焊接有法兰，法兰之间设有真空垫圈，法兰孔中设有螺栓，炉盖和炉壳借助真空垫圈和螺栓实现压紧与密封；炉盖的上表面设有冷却水套，内表面设有隔热板，并且隔热板正对着罩形结晶器的喇叭口，隔热板由保温材料制成。
[0013]所述耐火保温炉墙体位于炉体内壁和电阻发热体外侧之间，且耐火保温炉墙体的高度高于电阻发热体的高度，耐火保温炉墙体顶部内侧有一断面形状为矩形的环状缺口。
[0014]所述电阻发热体是由破碎成粒径1cm以下的废阴极炭块的碎块制成，位于耐火保温炉底上，包括U型、Π型或两个相互平行且相互独立的直线体型三种不同设计，其断面为矩形，并且电阻发热体上表面暴露于炉内的电解质结晶室中；
[0015]每个独立电阻发热体的两端都有两个电极，其中一个为进电电极，另一个为出电电极；当电阻发热体为U型或Π型设置时，U型或Π型电阻发热体的两个电极在炉体的同一侧面，与电炉供电电源连接；当电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时，每个独立电阻发热体的两个电极分别位于电炉的两个对应面上，两个电阻发热体的同一侧的两个电极与电炉供电电源连接，另一侧的两个电极之间用金属导体连接；当电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时，本发明还可以通过金属母线连接多个这种相同的真空电阻炉一起使用，即第一个真空电阻炉同一侧的两个电极通过金属导体连接到下一个真空电阻炉的两个电极上，依次类推，从而形成同一个电源的两个或两个以上真空电阻炉串联工作；
[0016]每个电极均由两部分导电体组成，炉内侧与电阻发热体相接触 部分的导电体为石墨导电体，其断面大小与电阻发热体断面大小相同，断面形状也相同，同为矩形，并且电阻发热体的上表面与石墨导电体的上表面平齐，或略高于石墨导电体的上表面不超过20cm ;与石墨导电体连接的为金属导电体，其断面为圆形；金属导电体内通有冷却水；金属导电体的炉外部分与炉壳之间设有密封垫圈；石墨导电体和金属导电体之间的连接方式为:金属导电体伸入到石墨导电体一定深度，并由两种导电体的内外螺纹连接，或者金属导电体伸入到石墨导电体一定深度，在两种导电体的缝隙内用浇注的生铁或捣入炭糊连接；
[0017]当电阻发热体断面面积较大时，石墨导电体可由两个或两个以上的较小断面面积且相同的矩形石墨导电体拼接而成，且每个石墨导电体上均连接一个圆柱形金属导电体。
[0018]所述耐火混凝土墙体位于电阻发热体内侧，由耐火混凝土材料制成。
[0019]所述料室为一个上部敞开的箱体，该箱体由耐火混凝土墙体、耐火保温炉墙体和耐火保温炉底包围形成，料室内放置阳极碳渣，或者电解槽废耐火材料内衬磨粉料与铝灰混合后的压团料，或者电解槽废耐火材料内衬磨粉料与Al-Fe合金粉混合后的压团料，或者空置。
[0020]所述耐火混凝土柱体设置在耐火混凝土墙体上，数量不少于4个，其宽度与耐火混凝土墙体的厚度相同，并且耐火混凝土柱体与其下部的耐火混凝土墙体为一个整体。
[0021]所述热辐射挡板置于耐火混凝土柱体上，由金属材料或人造石墨材料或耐火材料制成。
[0022]所述罩型结晶器置于耐火保温炉墙体顶部内侧的环状缺口上，由不锈钢板制成，罩型结晶器内罩的断面形成喇叭口形，外罩的断面形成筒形。
[0023]所述筒型结晶器焊接在炉盖内表面上，筒壁伸入罩形结晶器的内罩和外罩之间，其断面为矩形；筒形结晶器的筒壁、罩形结晶器内罩的上表面以及炉盖下表面之间的空间形成碱金属结晶室；罩形结晶器内罩的下表面、热辐射挡板的上表面以及耐火保温墙体侧壁之间的空间形成电解质结晶室。
[0024]所述真空抽气管、氩气充气管和真空压力表焊接于金属外壳上部，分别实现炉内抽真空、充入氩气和显示炉内真空和压力状况。
[0025]所述耐火保温炉墙体和耐火保温炉底，靠近高温电阻发热体部分由耐火材料制成，靠近炉壁部分由保温材料制成。
[0026]本发明的一种处理及回收铝电解固体废料的方法是采用上述装置，按照以下工艺步骤进行:
[0027](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照U型、Π型或两个相互平行且相互独立的直线体型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0028](2)将阳极炭渣或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金粉的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0029](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时；
[0030](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0031]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
[0032]本发明的一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法，可实现炭、碱金属和电解质的彻底分离，工艺操作简单，整个分离过程无废渣、废气、废水产生，是一种节能环保的固体废料处理装置及方法，非常适合在工业上大规模推广应用。
【附图说明】
[0033]图1为本发明装置中电阻发热体为Π型设计时的A-A面剖视图；
[0034]图2为本发明装置中电阻发热体为Π型设计时的B-B面剖视图；
[0035]图3为本发明装置中电阻发热体为Π型设计时的C-C面剖视图；
[0036]图4为本发明装置中电阻发热体为U型设计时的C-C面剖视图；
[0037]图5为本发明装置中电阻发热体为两个独立且互相平行的直线体设计时的A-A面剖视图；
[0038]图6为本发明装置中电阻发热体为两个独立且互相平行的直线体设计时的C-C面剖视图；
[0039]图7为当使用两个并排的真空电阻炉，其电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时的本发明装置的真空电阻炉的电极进出电接线原理图。
[0040]图中，I炉壳，2炉盖；3电阻发热体；4罩形结晶器；5耐火保温炉墙体和耐火保温炉底；6料室；7真空抽气管；8冷却水套；9密封垫圈；10热辐射挡板；11石墨导电体；12金属导电体；13电极冷却水进水管；14电极冷却水出水管；15耐火混凝土墙体；16氩气充气管；17真空压力表；18隔热板；19金属导体；20电极与炉壳之间的密封结构；21筒型结晶器；22电极；23耐火混凝土柱体；24电解质结晶室；25碱金属结晶室。
【具体实施方式】
[0041]实施例1
[0042]图1、图2、图3是本发明“一种处理及回收铝电解固体废料的装置”的箱式真空电阻炉，由炉壳1、炉盖2、耐火保温炉墙体和耐火保温炉底5、炉内的电阻发热体3、耐火混凝土墙体15、料室6、耐火混凝土柱体23、热辐射挡板10、罩型结晶器4、筒型结晶器21、电解质结晶室24、碱金属结晶室25、隔热板18、真空抽气管7、氩气充气管16、真空压力表17和用于给废阴极炭块电阻发热体输入电能的电极22组成。
[0043]所述炉壳I上沿之下的一段炉壳外壁焊有冷却水套8。
[0044]所述炉盖2用铁质金属材料制成，带有法兰结构，金属外壳上沿也焊接有法兰，法兰之间设有真空垫圈，法兰孔中设有螺栓，炉盖和炉壳借助真空垫圈和螺栓实现压紧与密封；炉盖的上表面设有冷却水套8，内表面设有隔热板18，并且隔热板18正对着罩形结晶器4的喇叭口，隔热板18由导热系数较小的保温材料制作。
[0045]所述耐火保温炉墙体5位于炉体内壁和电阻发热体3外侧之间，且耐火保温炉墙体5顶部的高度高于电阻发热体3的高度。
[0046]所述电阻发热体是由破碎成粒径1cm以下的废阴极炭块的碎块制成，位于耐火保温炉底5上，为Π型设计，其断面为矩形；并且电阻发热体上表面暴露于炉内的电解质结晶室24中。
[0047]电阻发热体3的两端有两个电极22，其中一个为进电电极，一个为出电电极，位于炉体的同一侧面，与电炉供电电源连接。
[0048]电极22由两部分导电体组成，炉内侧与电阻发热体3相接触部分的导电体为石墨导电体11，其断面大小与电阻发热体断面的大小相同，断面形状同为矩形，并且电阻发热体的上表面略高于石墨导电体11的上表面1cm ;与石墨导电体连接的为金属导电体12，其断面为圆形，并且金属导电体12内通有冷却水；金属导电体12的炉外部分与 炉壳之间设有密封垫圈9 ;石墨导电体11和金属导电体12之间的连接方式为:金属导电体12伸入到石墨导电体11 一定深度，并由两种导电体的内外螺纹进行连接。
[0049]所述耐火混凝土墙体15位于电阻发热体3内侧，用耐火混凝土材料制成。
[0050]所述料室6为一个上部敞开的箱体，该箱体由耐火混凝土墙体、耐火保温炉墙体和耐火保温炉底包围形成，料室6内放置阳极碳渣。
[0051 ] 所述耐火混凝土柱体23设置在耐火混凝土墙体15上，数量为8个，其宽度与耐火混凝土墙体15的厚度相同，耐火混凝土柱体23与其下部的耐火混凝土墙体15为一个整体。
[0052]所述热辐射挡板10置于耐火混凝土柱体23上，由金属材料制成。
[0053]所述罩型结晶器4置于耐火保温炉墙体5顶部内侧断面形状为矩形的环状缺口上，由不锈钢板制成，罩型结晶器4内罩的断面形成喇叭口形，外罩的断面形成筒形。
[0054]所述筒型结晶器21焊接在炉盖2内表面上，筒壁伸入罩形结晶器4的内罩和外罩之间，其断面为矩形；筒形结晶器21的筒壁、罩形结晶器4内罩的上表面以及炉盖2下表面之间的空间形成碱金属结晶室25 ;罩形结晶器4内罩的下表面、热辐射挡板10的上表面以及耐火保温墙体5侧壁之间的空间形成电解质结晶室24。
[0055]所述真空抽气管7、氩气充气管16和真空压力表17焊接于金属外壳I上部，分别实现炉内抽真空、充入氩气和显示炉内真空和压力状况。
[0056]所述耐火保温炉墙体和耐火保温炉底，靠近高温电阻发热体部分由耐火材料制成，靠近炉壁部分由保温材料制成。
[0057]采用上述装置处理及回收铝电解生产阳极炭渣固体废料，按照以下工艺进行:
[0058](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照Π型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0059](2)将阳极炭渣置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0060](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时；
[0061](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0062]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
[0063]实施例2
[0064]图4是本实施例的铝电解槽废阴极炭块制做的电阻发热体为U型设计时的C-C面剖视图，A-A面、B-B面剖视图与实施例1相同，如图1，图2所示。本实施例与实施例1的电阻炉装置结构的不同点在于炉内电阻发热体3为U型设计，电阻发热体的上表面略高于石墨导电体的上表面15cm，以及料室内所添加物料为电解槽废耐火材料内衬磨粉料与铝灰的混合压团料。
[0065]采用上述装置处理及回收铝电解废耐火材料内衬磨粉料与铝灰的混合压团料，按照以下工艺进行:
[0066](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照U型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0067](2)将废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0068](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1300°C，维持此温度大于0.5小时；
[0069](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0070]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
[0071]实施例3
[0072]图5、图6是本实施例的电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时的A-A剖视图和C-C面剖视图，B-B面剖视图与实施例1相同，如图2所示。本实施例与实施例1的电阻炉装置结构的不同点在于炉内电阻发热体3为两个相互平行且相互独立的直线体型设计，并且电阻发热体的上表面与石墨导电体的上表面平齐，以及料室内所添加物料为电解槽废耐火材料内衬磨粉料与Al-Fe合金的混合压团料。
[0073]本实施例的电阻发热体3为两个相互平行且相互独立的直线体型设计，每个独立的直线体型的电阻发热体3的两个电极22分别位于电炉的两个对应面上，同一侧的两个直线体型电阻发热体3的两个电极22与电炉供电电源连接，另一侧的两个直线体型电阻发热体3的两个电极22之间用金属导体19连接。
[0074]采用上述装置处理及回收铝电解废耐火材料内衬磨粉料与Al-Fe合金粉的混合压团料，按照以下工艺进行:
[0075](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照两个相互平行且相互独立的直线体型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0076](2)将阳极炭渣或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金粉的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0077](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时；
[0078](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0079]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
[0080]实施例4
[0081]图7为本发明装置的真空电阻炉通过金属导体连接两电炉一起使用时的电极进出电接线原理图，即其中一个真空电阻炉一侧的两个出电电极通过金属导体连接到另一个真空电阻炉的两个进电电极上。
[0082]本实施例的两台真空电阻炉的电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计，第一台电阻炉同一侧的两个电阻发热体的两个电极与电炉供电电源连接，另一侧的两个电阻发热体的两个电极与第二台电阻炉同一侧的两个电阻发热体的两个电极连接，第二台电阻炉另一侧的两个电阻发热体的两个电极之间用金属导体连接；并且电阻发热体的上表面与石墨导电体的上表面平齐。
[0083]采用上述两台真空电阻炉串联使用，处理及回收铝电解废耐火材料内衬磨粉料与铝灰的混合压团料，按 照以下工艺进行:
[0084](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照两个相互平行且相互独立的直线体型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0085](2)将阳极炭渣或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金粉的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0086](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时；
[0087](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0088]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
【主权项】
1.一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于包括金属外壳、炉盖、耐火保温炉墙体、耐火保温炉底、电阻发热体、耐火混凝土墙体、料室、耐火混凝土柱体、热辐射挡板、罩型结晶器、筒型结晶器、电解质结晶室、碱金属结晶室、隔热板、真空抽气管、氩气充气管、真空压力表和用于给电阻发热体输入电能的电极； 金属外壳和炉盖均设有法兰结构，法兰之间设有真空垫圈，法兰孔中设有螺栓，炉盖和炉壳借助真空垫圈和螺栓实现压紧与密封；耐火保温炉墙体位于炉体内壁和电阻发热体外侧之间，且耐火保温炉墙体的高度高于电阻发热体的高度，耐火保温炉墙体顶部内侧有一断面形状为矩形的环状缺口 ；电阻发热体位于耐火保温炉底上；电阻发热体的两端设有电极；耐火混凝土墙体位于电阻发热体内侧；料室由耐火混凝土墙体、耐火保温炉墙体和耐火保温炉底包围形成；耐火混凝土柱体设置在耐火混凝土墙体上，且耐火混凝土柱体与耐火混凝土墙体为一个整体；热辐射挡板置于耐火混凝土柱体上；罩型结晶器置于耐火保温炉墙体顶部内侧的环状缺口上，其内罩的断面形成喇叭口形，外罩的断面形成筒形；筒型结晶器焊接在炉盖内表面上，筒壁伸入罩形结晶器的内罩和外罩之间，其断面为矩形；筒形结晶器的筒壁、罩形结晶器内罩的上表面以及炉盖下表面之间的空间形成碱金属结晶室；罩形结晶器内罩的下表面、热辐射挡板的上表面以及耐火保温墙体侧壁之间的空间形成电解质结晶室；隔热板设在炉盖内表面，并且隔热板正对着罩形结晶器的喇叭口 ；真空抽气管、氩气充气管和真空压力表焊接于金属外壳上部。2.根据权利要求1所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述金属外壳上沿之下的一段炉壳外壁和炉盖上表面均设有冷却水套。3.根据权利要求1所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述电阻发热体由破碎成粒径1cm以下的废阴极炭块的碎块制成，包括U型、Π型或为两个相互平行且相互独立的直线体型三种不同设计，其断面为矩形，并且电阻发热体上表面暴露于炉内的电解质结晶室中。4.根据权利要求1所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述电阻发热体的两端都有两个电极，其中一个为进电电极，另一个为出电电极；当电阻发热体为U型或π型设置时，U型或π型电阻发热体的两个电极在炉体的同一侧面，与电炉供电电源连接； 当电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时，每个独立电阻发热体的两个电极分别位于电炉的两个对应面上，两个电阻发热体的同一侧的两个电极与电炉供电电源连接，另一侧的两个电极之间用金属导体连接。5.根据权利要求4所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述电极均由两部分导电体组成，炉内侧与电阻发热体相接触部分的导电体为石墨导电体，其断面大小与电阻发热体断面的大小相同，断面形状也相同，同为矩形，并且电阻发热体的上表面与石墨导电体的上表面平齐，或略高于石墨导电体的上表面不超过20cm ;与石墨导电体连接的为金属导电体，其断面为圆形；金属导电体内通有冷却水；金属导电体的炉外部分与炉壳之间设有密封垫圈； 当电阻发热体断面面积较大时，石墨导电体可由两个或两个以上的较小断面面积且相同的矩形石墨导电体拼接而成，且每个石墨导电体上均连接一个圆柱形金属导电体。6.根据权利要求5所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述石墨导电体和金属导电体之间的连接方式为:金属导电体伸入到石墨导电体一定深度，并由两种导电体的内外螺纹连接，或者金属导电体伸入到石墨导电体一定深度，在两种导电体的缝隙内用浇注的生铁或捣入炭糊连接。7.根据权利要求6所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时，还可以通过金属母线连接多个这种相同的真空电阻炉一起使用，即第一个真空电阻炉同一侧的两个电极通过金属导体连接到下一个真空电阻炉的两个电极上，依次类推，从而形成同一个电源的两个或两个以上真空电阻炉串联工作。8.根据权利要求4?7任一所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述耐火混凝土柱体数量不少于4个，其宽度与耐火混凝土墙体的厚度相同。9.一种采用权利要求1所述的装置处理及回收铝电解固体废料的方法，其特征在于按照以下工艺步骤进行: (1)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照U型、Π型或两个相互平行且相互独立的直线体型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体； (2)将阳极炭渣或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金粉的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封； (3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时； (4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
【专利摘要】本发明提供一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法，装置包括金属外壳、炉盖、耐火保温炉墙体、耐火保温炉底、电阻发热体、耐火混凝土墙体、料室、耐火混凝土柱体、热辐射挡板、罩型结晶器、筒型结晶器、电解质结晶室、碱金属结晶室、隔热板、真空抽气管、氩气充气管、真空压力表和用于给电阻发热体输入电能的电极。本发明方法利用废阴极炭块的电阻热产生高温，将固体废料中的非碳质组分以气态形式蒸发，并在装置内的不同位置结晶，实现了炭、碱金属和电解质的彻底分离，并且工艺操作简单，整个分离过程无废渣、废气、废水产生。本发明是一种节能环保的固体废料处理装置及方法，非常适合在工业上大规模推广应用。
【IPC分类】C25C3/06
【公开号】CN104894601
【申请号】CN201510330812
【发明人】冯乃祥
【申请人】沈阳北冶冶金科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金环境领域，特别涉及一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法。
【背景技术】
[0002]工业中铝是采用冰晶石-氧化铝电解质体系，在950?980°C的温度条件下电解生产，在铝电解生产过程中，产生以下4种固体废料:
[0003]1、阳极炭渣。冰晶石-氧化铝电解质体系的阳极使用煅烧后的石油焦破碎成不同的粒级与煤沥青混合、混捏成型，再经焙烧后制成。在铝电解的生产过程，炭阳极不断消耗，理论上每电解生产一吨金属铝需要消耗0.334吨炭阳极，而实际上每生产一吨金属铝，炭阳极消耗在0.4吨以上，即实际炭阳极消耗要比理论炭阳极消耗多70kg/t-Al左右，有的高达100kg/t-Al以上，这多消耗的70?100kg/t-Al主要是空气和电解槽中的CO2对炭阳极进行氧化而损失掉，还有相当大的一部分消耗是电解过程中部分炭从阳极上脱落进入电解槽中成为炭渣。这种炭渣有细粉状和颗粒状，混熔于或悬浮于电解质中不仅会影响铝电解质的物理化学性能，如电导率、粘度等，还对电解槽的工作状态和电解槽的电流效率造成影响。因而需要电解工人定期将这些炭渣从电解槽中捞出，而捞出的炭渣中又粘附了大量的电解质，比例约占70%，电解铝厂将这种炭渣弃之不用，也有的将大块的含电解质成分过高的炭渣炭块破碎后，返回到电解槽中，而细小的炭渣仍被弃掉，进而造成炭和电解质的损耗并对环境造成污染。通常工业电解槽中每生产I吨铝约产生3?5kg炭渣，一个年产50万吨金属铝的电解铝厂，一年的炭渣量约为1500?2000吨。
[0004]2、废阴极炭块。铝电解槽废阴极炭块是指铝电解槽在经过一段时间的电解，出现槽底破损后，从破损的电解槽中取出的槽底阴极炭块和侧部炭块，其中也包括侧部炭块与底部阴极炭块之间的由捣固糊形成的炭块，以及阴极炭块之间的捣固糊在电解温度条件下形成的炭块。在铝电解生产过程中，少部分氟化钠也会被电化学还原为金属钠。在电解槽的整个使用周期内，电解质和金属钠会一直向炭质阴极材料中渗透。因此，在从破损槽刨出的铝电解废阴极炭块一般含有约30%左右的电解质和约10%左右的金属钠。目前我国电解铝厂所使用的电解槽的平均寿命在5年左右，以一个年产100万吨/年的电解铝厂为例，每年所产生的废阴极炭块约在I万吨左右，也就是说电解铝厂每生产100吨电解铝，就要产生I吨的废阴极炭块。
[0005]3、废电解槽耐火材料内衬。废电解槽耐火材料内衬是电解质在电解过程中通过阴极炭块的孔隙和阴极底块的裂缝以及阴极底块与底块之间的捣固糊所形成的裂缝渗入到炭阴极底块下部的耐火材料中，并与耐火材料反应而形成的。因此，废电解槽耐火材料内衬主要由电解质、电解质与耐火材料反应生成的化合物，以及未反应的耐火材料组成，其中电解质与耐火材料反应生成的化合物主要为由Na20，Al2O3和S12B成的化合物。在铝电解槽废耐火材料内衬中，还包括一种由氮化硅结合的碳化硅耐火材料内衬，这种由氮化硅结合的碳化硅耐火材料内衬，只应用在大型电解槽的侧部。
[0006]4、槽底漏铝熔化阴极钢棒后形成的Al-Fe合金。这部分合金在大修的破损槽上多有产生、数量大小不一，这部分Al-Fe合金虽然不是废料，但常常被铝厂抛弃，或以低价卖给废品回收部门。
[0007]5、铝灰。通常将从电解铝铸造车间的铝混合炉中扒出的铝渣，和铝锭(棒或板)铸造过程中打下来的渣，以及出铝抬包内衬粘附的渣料统称为铝渣。铝渣的主要成分为铝氧化后形成的粉状氧化铝以及粉状氧化铝所包覆的少量团聚状金属铝。铝渣经球磨后筛分，可筛出团聚状的金属铝，筛下的粉体被称为铝灰。铝灰由细小的颗粒状的金属铝和氧化铝组成，其中也不可避免地会有微量的电解质氟化物存在。目前无论是电解铝厂还是铝渣回收小作坊，都将这部分“铝灰”作为垃圾弃之，对环境造成较大影响。
[0008]目前，尚无一个技术上和经济上都可行的方法将铝电解固体废料进行有效处理及回收。因此，开发研宄铝电解固体废料的处理及回收技术，使其能够变废为宝对建设资源节约型、环境友好型社会尤为重要。
【发明内容】
[0009]针对现有技术存在的各种问题，本发明提供一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法。本发明装置是一种利用铝电解槽废阴极炭块固体碎料的导电性质制成废旧阴极炭块碎块作为电阻发热体的高温真空电阻炉。本发明方法利用废阴极炭块的电阻热产生高温，使废阴极炭块的碎块状料在真空条件下加热到1000-1400°C，同时利用这种废阴极炭块的高温热量将置于同一炉内的阳极炭渣物料或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金的磨细料混合制成的压团料加热到900-1200°C，使铝电解槽固体废料中的非碳质组分以气态形式蒸发，并在装置内的不同位置结晶，最终实现了铝电解固体废料中碳质组分和非碳质组分的有效分离及回收。本发明的技术方案如下:
[0010]一种处理及回收铝电解固体废料的装置，包括金属外壳、炉盖、耐火保温炉墙体、耐火保温炉底、电阻发热体、耐火混凝土墙体、料室、耐火混凝土柱体、热辐射挡板、罩型结晶器、筒型结晶器、电解质结晶室、碱金属结晶室、隔热板、真空抽气管、氩气充气管、真空压力表和用于给电阻发热体输入电能的电极。
[0011]所述金属外壳上沿之下的一段炉壳外壁设有冷却水套。
[0012]所述炉盖用铁质金属材料制成，带有法兰结构，金属外壳上沿也焊接有法兰，法兰之间设有真空垫圈，法兰孔中设有螺栓，炉盖和炉壳借助真空垫圈和螺栓实现压紧与密封；炉盖的上表面设有冷却水套，内表面设有隔热板，并且隔热板正对着罩形结晶器的喇叭口，隔热板由保温材料制成。
[0013]所述耐火保温炉墙体位于炉体内壁和电阻发热体外侧之间，且耐火保温炉墙体的高度高于电阻发热体的高度，耐火保温炉墙体顶部内侧有一断面形状为矩形的环状缺口。
[0014]所述电阻发热体是由破碎成粒径1cm以下的废阴极炭块的碎块制成，位于耐火保温炉底上，包括U型、Π型或两个相互平行且相互独立的直线体型三种不同设计，其断面为矩形，并且电阻发热体上表面暴露于炉内的电解质结晶室中；
[0015]每个独立电阻发热体的两端都有两个电极，其中一个为进电电极，另一个为出电电极；当电阻发热体为U型或Π型设置时，U型或Π型电阻发热体的两个电极在炉体的同一侧面，与电炉供电电源连接；当电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时，每个独立电阻发热体的两个电极分别位于电炉的两个对应面上，两个电阻发热体的同一侧的两个电极与电炉供电电源连接，另一侧的两个电极之间用金属导体连接；当电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时，本发明还可以通过金属母线连接多个这种相同的真空电阻炉一起使用，即第一个真空电阻炉同一侧的两个电极通过金属导体连接到下一个真空电阻炉的两个电极上，依次类推，从而形成同一个电源的两个或两个以上真空电阻炉串联工作；
[0016]每个电极均由两部分导电体组成，炉内侧与电阻发热体相接触 部分的导电体为石墨导电体，其断面大小与电阻发热体断面大小相同，断面形状也相同，同为矩形，并且电阻发热体的上表面与石墨导电体的上表面平齐，或略高于石墨导电体的上表面不超过20cm ;与石墨导电体连接的为金属导电体，其断面为圆形；金属导电体内通有冷却水；金属导电体的炉外部分与炉壳之间设有密封垫圈；石墨导电体和金属导电体之间的连接方式为:金属导电体伸入到石墨导电体一定深度，并由两种导电体的内外螺纹连接，或者金属导电体伸入到石墨导电体一定深度，在两种导电体的缝隙内用浇注的生铁或捣入炭糊连接；
[0017]当电阻发热体断面面积较大时，石墨导电体可由两个或两个以上的较小断面面积且相同的矩形石墨导电体拼接而成，且每个石墨导电体上均连接一个圆柱形金属导电体。
[0018]所述耐火混凝土墙体位于电阻发热体内侧，由耐火混凝土材料制成。
[0019]所述料室为一个上部敞开的箱体，该箱体由耐火混凝土墙体、耐火保温炉墙体和耐火保温炉底包围形成，料室内放置阳极碳渣，或者电解槽废耐火材料内衬磨粉料与铝灰混合后的压团料，或者电解槽废耐火材料内衬磨粉料与Al-Fe合金粉混合后的压团料，或者空置。
[0020]所述耐火混凝土柱体设置在耐火混凝土墙体上，数量不少于4个，其宽度与耐火混凝土墙体的厚度相同，并且耐火混凝土柱体与其下部的耐火混凝土墙体为一个整体。
[0021]所述热辐射挡板置于耐火混凝土柱体上，由金属材料或人造石墨材料或耐火材料制成。
[0022]所述罩型结晶器置于耐火保温炉墙体顶部内侧的环状缺口上，由不锈钢板制成，罩型结晶器内罩的断面形成喇叭口形，外罩的断面形成筒形。
[0023]所述筒型结晶器焊接在炉盖内表面上，筒壁伸入罩形结晶器的内罩和外罩之间，其断面为矩形；筒形结晶器的筒壁、罩形结晶器内罩的上表面以及炉盖下表面之间的空间形成碱金属结晶室；罩形结晶器内罩的下表面、热辐射挡板的上表面以及耐火保温墙体侧壁之间的空间形成电解质结晶室。
[0024]所述真空抽气管、氩气充气管和真空压力表焊接于金属外壳上部，分别实现炉内抽真空、充入氩气和显示炉内真空和压力状况。
[0025]所述耐火保温炉墙体和耐火保温炉底，靠近高温电阻发热体部分由耐火材料制成，靠近炉壁部分由保温材料制成。
[0026]本发明的一种处理及回收铝电解固体废料的方法是采用上述装置，按照以下工艺步骤进行:
[0027](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照U型、Π型或两个相互平行且相互独立的直线体型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0028](2)将阳极炭渣或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金粉的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0029](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时；
[0030](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0031]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
[0032]本发明的一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法，可实现炭、碱金属和电解质的彻底分离，工艺操作简单，整个分离过程无废渣、废气、废水产生，是一种节能环保的固体废料处理装置及方法，非常适合在工业上大规模推广应用。
【附图说明】
[0033]图1为本发明装置中电阻发热体为Π型设计时的A-A面剖视图；
[0034]图2为本发明装置中电阻发热体为Π型设计时的B-B面剖视图；
[0035]图3为本发明装置中电阻发热体为Π型设计时的C-C面剖视图；
[0036]图4为本发明装置中电阻发热体为U型设计时的C-C面剖视图；
[0037]图5为本发明装置中电阻发热体为两个独立且互相平行的直线体设计时的A-A面剖视图；
[0038]图6为本发明装置中电阻发热体为两个独立且互相平行的直线体设计时的C-C面剖视图；
[0039]图7为当使用两个并排的真空电阻炉，其电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时的本发明装置的真空电阻炉的电极进出电接线原理图。
[0040]图中，I炉壳，2炉盖；3电阻发热体；4罩形结晶器；5耐火保温炉墙体和耐火保温炉底；6料室；7真空抽气管；8冷却水套；9密封垫圈；10热辐射挡板；11石墨导电体；12金属导电体；13电极冷却水进水管；14电极冷却水出水管；15耐火混凝土墙体；16氩气充气管；17真空压力表；18隔热板；19金属导体；20电极与炉壳之间的密封结构；21筒型结晶器；22电极；23耐火混凝土柱体；24电解质结晶室；25碱金属结晶室。
【具体实施方式】
[0041]实施例1
[0042]图1、图2、图3是本发明“一种处理及回收铝电解固体废料的装置”的箱式真空电阻炉，由炉壳1、炉盖2、耐火保温炉墙体和耐火保温炉底5、炉内的电阻发热体3、耐火混凝土墙体15、料室6、耐火混凝土柱体23、热辐射挡板10、罩型结晶器4、筒型结晶器21、电解质结晶室24、碱金属结晶室25、隔热板18、真空抽气管7、氩气充气管16、真空压力表17和用于给废阴极炭块电阻发热体输入电能的电极22组成。
[0043]所述炉壳I上沿之下的一段炉壳外壁焊有冷却水套8。
[0044]所述炉盖2用铁质金属材料制成，带有法兰结构，金属外壳上沿也焊接有法兰，法兰之间设有真空垫圈，法兰孔中设有螺栓，炉盖和炉壳借助真空垫圈和螺栓实现压紧与密封；炉盖的上表面设有冷却水套8，内表面设有隔热板18，并且隔热板18正对着罩形结晶器4的喇叭口，隔热板18由导热系数较小的保温材料制作。
[0045]所述耐火保温炉墙体5位于炉体内壁和电阻发热体3外侧之间，且耐火保温炉墙体5顶部的高度高于电阻发热体3的高度。
[0046]所述电阻发热体是由破碎成粒径1cm以下的废阴极炭块的碎块制成，位于耐火保温炉底5上，为Π型设计，其断面为矩形；并且电阻发热体上表面暴露于炉内的电解质结晶室24中。
[0047]电阻发热体3的两端有两个电极22，其中一个为进电电极，一个为出电电极，位于炉体的同一侧面，与电炉供电电源连接。
[0048]电极22由两部分导电体组成，炉内侧与电阻发热体3相接触部分的导电体为石墨导电体11，其断面大小与电阻发热体断面的大小相同，断面形状同为矩形，并且电阻发热体的上表面略高于石墨导电体11的上表面1cm ;与石墨导电体连接的为金属导电体12，其断面为圆形，并且金属导电体12内通有冷却水；金属导电体12的炉外部分与 炉壳之间设有密封垫圈9 ;石墨导电体11和金属导电体12之间的连接方式为:金属导电体12伸入到石墨导电体11 一定深度，并由两种导电体的内外螺纹进行连接。
[0049]所述耐火混凝土墙体15位于电阻发热体3内侧，用耐火混凝土材料制成。
[0050]所述料室6为一个上部敞开的箱体，该箱体由耐火混凝土墙体、耐火保温炉墙体和耐火保温炉底包围形成，料室6内放置阳极碳渣。
[0051 ] 所述耐火混凝土柱体23设置在耐火混凝土墙体15上，数量为8个，其宽度与耐火混凝土墙体15的厚度相同，耐火混凝土柱体23与其下部的耐火混凝土墙体15为一个整体。
[0052]所述热辐射挡板10置于耐火混凝土柱体23上，由金属材料制成。
[0053]所述罩型结晶器4置于耐火保温炉墙体5顶部内侧断面形状为矩形的环状缺口上，由不锈钢板制成，罩型结晶器4内罩的断面形成喇叭口形，外罩的断面形成筒形。
[0054]所述筒型结晶器21焊接在炉盖2内表面上，筒壁伸入罩形结晶器4的内罩和外罩之间，其断面为矩形；筒形结晶器21的筒壁、罩形结晶器4内罩的上表面以及炉盖2下表面之间的空间形成碱金属结晶室25 ;罩形结晶器4内罩的下表面、热辐射挡板10的上表面以及耐火保温墙体5侧壁之间的空间形成电解质结晶室24。
[0055]所述真空抽气管7、氩气充气管16和真空压力表17焊接于金属外壳I上部，分别实现炉内抽真空、充入氩气和显示炉内真空和压力状况。
[0056]所述耐火保温炉墙体和耐火保温炉底，靠近高温电阻发热体部分由耐火材料制成，靠近炉壁部分由保温材料制成。
[0057]采用上述装置处理及回收铝电解生产阳极炭渣固体废料，按照以下工艺进行:
[0058](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照Π型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0059](2)将阳极炭渣置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0060](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时；
[0061](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0062]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
[0063]实施例2
[0064]图4是本实施例的铝电解槽废阴极炭块制做的电阻发热体为U型设计时的C-C面剖视图，A-A面、B-B面剖视图与实施例1相同，如图1，图2所示。本实施例与实施例1的电阻炉装置结构的不同点在于炉内电阻发热体3为U型设计，电阻发热体的上表面略高于石墨导电体的上表面15cm，以及料室内所添加物料为电解槽废耐火材料内衬磨粉料与铝灰的混合压团料。
[0065]采用上述装置处理及回收铝电解废耐火材料内衬磨粉料与铝灰的混合压团料，按照以下工艺进行:
[0066](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照U型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0067](2)将废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0068](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1300°C，维持此温度大于0.5小时；
[0069](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0070]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
[0071]实施例3
[0072]图5、图6是本实施例的电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时的A-A剖视图和C-C面剖视图，B-B面剖视图与实施例1相同，如图2所示。本实施例与实施例1的电阻炉装置结构的不同点在于炉内电阻发热体3为两个相互平行且相互独立的直线体型设计，并且电阻发热体的上表面与石墨导电体的上表面平齐，以及料室内所添加物料为电解槽废耐火材料内衬磨粉料与Al-Fe合金的混合压团料。
[0073]本实施例的电阻发热体3为两个相互平行且相互独立的直线体型设计，每个独立的直线体型的电阻发热体3的两个电极22分别位于电炉的两个对应面上，同一侧的两个直线体型电阻发热体3的两个电极22与电炉供电电源连接，另一侧的两个直线体型电阻发热体3的两个电极22之间用金属导体19连接。
[0074]采用上述装置处理及回收铝电解废耐火材料内衬磨粉料与Al-Fe合金粉的混合压团料，按照以下工艺进行:
[0075](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照两个相互平行且相互独立的直线体型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0076](2)将阳极炭渣或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金粉的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0077](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时；
[0078](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0079]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
[0080]实施例4
[0081]图7为本发明装置的真空电阻炉通过金属导体连接两电炉一起使用时的电极进出电接线原理图，即其中一个真空电阻炉一侧的两个出电电极通过金属导体连接到另一个真空电阻炉的两个进电电极上。
[0082]本实施例的两台真空电阻炉的电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计，第一台电阻炉同一侧的两个电阻发热体的两个电极与电炉供电电源连接，另一侧的两个电阻发热体的两个电极与第二台电阻炉同一侧的两个电阻发热体的两个电极连接，第二台电阻炉另一侧的两个电阻发热体的两个电极之间用金属导体连接；并且电阻发热体的上表面与石墨导电体的上表面平齐。
[0083]采用上述两台真空电阻炉串联使用，处理及回收铝电解废耐火材料内衬磨粉料与铝灰的混合压团料，按 照以下工艺进行:
[0084](I)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照两个相互平行且相互独立的直线体型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体；
[0085](2)将阳极炭渣或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金粉的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封；
[0086](3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时；
[0087](4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
[0088]碱金属在碱金属结晶室中结晶，电解质在电解质结晶室中结晶，蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料为炭，它们从炉内取出后加以回收利用。
【主权项】
1.一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于包括金属外壳、炉盖、耐火保温炉墙体、耐火保温炉底、电阻发热体、耐火混凝土墙体、料室、耐火混凝土柱体、热辐射挡板、罩型结晶器、筒型结晶器、电解质结晶室、碱金属结晶室、隔热板、真空抽气管、氩气充气管、真空压力表和用于给电阻发热体输入电能的电极； 金属外壳和炉盖均设有法兰结构，法兰之间设有真空垫圈，法兰孔中设有螺栓，炉盖和炉壳借助真空垫圈和螺栓实现压紧与密封；耐火保温炉墙体位于炉体内壁和电阻发热体外侧之间，且耐火保温炉墙体的高度高于电阻发热体的高度，耐火保温炉墙体顶部内侧有一断面形状为矩形的环状缺口 ；电阻发热体位于耐火保温炉底上；电阻发热体的两端设有电极；耐火混凝土墙体位于电阻发热体内侧；料室由耐火混凝土墙体、耐火保温炉墙体和耐火保温炉底包围形成；耐火混凝土柱体设置在耐火混凝土墙体上，且耐火混凝土柱体与耐火混凝土墙体为一个整体；热辐射挡板置于耐火混凝土柱体上；罩型结晶器置于耐火保温炉墙体顶部内侧的环状缺口上，其内罩的断面形成喇叭口形，外罩的断面形成筒形；筒型结晶器焊接在炉盖内表面上，筒壁伸入罩形结晶器的内罩和外罩之间，其断面为矩形；筒形结晶器的筒壁、罩形结晶器内罩的上表面以及炉盖下表面之间的空间形成碱金属结晶室；罩形结晶器内罩的下表面、热辐射挡板的上表面以及耐火保温墙体侧壁之间的空间形成电解质结晶室；隔热板设在炉盖内表面，并且隔热板正对着罩形结晶器的喇叭口 ；真空抽气管、氩气充气管和真空压力表焊接于金属外壳上部。2.根据权利要求1所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述金属外壳上沿之下的一段炉壳外壁和炉盖上表面均设有冷却水套。3.根据权利要求1所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述电阻发热体由破碎成粒径1cm以下的废阴极炭块的碎块制成，包括U型、Π型或为两个相互平行且相互独立的直线体型三种不同设计，其断面为矩形，并且电阻发热体上表面暴露于炉内的电解质结晶室中。4.根据权利要求1所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述电阻发热体的两端都有两个电极，其中一个为进电电极，另一个为出电电极；当电阻发热体为U型或π型设置时，U型或π型电阻发热体的两个电极在炉体的同一侧面，与电炉供电电源连接； 当电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时，每个独立电阻发热体的两个电极分别位于电炉的两个对应面上，两个电阻发热体的同一侧的两个电极与电炉供电电源连接，另一侧的两个电极之间用金属导体连接。5.根据权利要求4所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述电极均由两部分导电体组成，炉内侧与电阻发热体相接触部分的导电体为石墨导电体，其断面大小与电阻发热体断面的大小相同，断面形状也相同，同为矩形，并且电阻发热体的上表面与石墨导电体的上表面平齐，或略高于石墨导电体的上表面不超过20cm ;与石墨导电体连接的为金属导电体，其断面为圆形；金属导电体内通有冷却水；金属导电体的炉外部分与炉壳之间设有密封垫圈； 当电阻发热体断面面积较大时，石墨导电体可由两个或两个以上的较小断面面积且相同的矩形石墨导电体拼接而成，且每个石墨导电体上均连接一个圆柱形金属导电体。6.根据权利要求5所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述石墨导电体和金属导电体之间的连接方式为:金属导电体伸入到石墨导电体一定深度，并由两种导电体的内外螺纹连接，或者金属导电体伸入到石墨导电体一定深度，在两种导电体的缝隙内用浇注的生铁或捣入炭糊连接。7.根据权利要求6所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述电阻发热体为两个相互平行且相互独立的直线体型设计时，还可以通过金属母线连接多个这种相同的真空电阻炉一起使用，即第一个真空电阻炉同一侧的两个电极通过金属导体连接到下一个真空电阻炉的两个电极上，依次类推，从而形成同一个电源的两个或两个以上真空电阻炉串联工作。8.根据权利要求4?7任一所述的一种处理及回收铝电解固体废料的装置，其特征在于所述耐火混凝土柱体数量不少于4个，其宽度与耐火混凝土墙体的厚度相同。9.一种采用权利要求1所述的装置处理及回收铝电解固体废料的方法，其特征在于按照以下工艺步骤进行: (1)将铝电解槽废阴极炭块破碎成粒径小于1cm的碎块，按照U型、Π型或两个相互平行且相互独立的直线体型设计置于耐火保温炉底上形成本实施例装置的电阻发热体； (2)将阳极炭渣或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金粉的混合压团料置于料室中，装料完毕盖上炉盖并将炉体密封； (3)将炉体内抽真空到10Pa以内，在炉盖和炉壁的冷却水套中通入冷却水，给电极通电使废阴极炭块电阻发热体的温度升至1000?1400°C，维持此温度大于0.5小时； (4)结束通电，待炉内温度降至室温后，打开炉盖，从炉内提出罩形结晶器和热辐射挡板，并清理炉壁上的固体电解质，将蒸除电解质和碱金属的电阻发热体和料室中的残料从炉内取出。
【专利摘要】本发明提供一种处理及回收铝电解固体废料的装置及方法，装置包括金属外壳、炉盖、耐火保温炉墙体、耐火保温炉底、电阻发热体、耐火混凝土墙体、料室、耐火混凝土柱体、热辐射挡板、罩型结晶器、筒型结晶器、电解质结晶室、碱金属结晶室、隔热板、真空抽气管、氩气充气管、真空压力表和用于给电阻发热体输入电能的电极。本发明方法利用废阴极炭块的电阻热产生高温，将固体废料中的非碳质组分以气态形式蒸发，并在装置内的不同位置结晶，实现了炭、碱金属和电解质的彻底分离，并且工艺操作简单，整个分离过程无废渣、废气、废水产生。本发明是一种节能环保的固体废料处理装置及方法，非常适合在工业上大规模推广应用。
【IPC分类】C25C3/06
【公开号】CN104894601
【申请号】CN201510330812
【发明人】冯乃祥
【申请人】沈阳北冶冶金科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日
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