[發明專利]一種電熱煉鋁的裝置

在審

• 申請號: 201910875622.1
• 申請日: 2019-09-17
• 公開（公告）號: CN110819822A
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 牛強;儲少軍;龐建明;王耀武;郭占成;陳為亮;夏明國
• 申請（專利權）人: 牛強
• 主分類號: C22B21/06
• 分類號: C22B21/06;C22B9/04;C22B9/02;C22B4/08;C22B4/06
• 代理公司: 北京邦創至誠知識產權代理事務所(普通合伙) 11717
• 代理人: 吳強

本發明屬于材料學領域，涉及一種電熱煉鋁的裝置，包括以下部分：至少一臺鋁鎂離心分離機，所述鋁鎂離心分離機接收含鐵鋁合金與金屬鎂熔化為含有鋁?鎂?硅?鐵四種元素的合金液，經離心處理后分離成鋁鎂合金液和析出的固相金屬化合物，所述鋁鎂合金液經冷卻后生成鋁鎂合金塊；至少一臺鋁鎂連續蒸餾分離爐，鋁鎂連續蒸餾分離爐接收鋁鎂離心分離機生產的鋁鎂合金塊，經重熔、蒸餾后分離成鋁液和鎂蒸氣，所述鎂蒸氣經冷凝后生成凝聚態鎂。本發明采用金屬鎂作為萃取劑，將鋁、硅和鐵采用物理法離出來，將鋁與鎂實現互熔，將鐵、硅排除出合金液，然后鋁鎂進行蒸餾分離。

技術領域

本發明屬于材料學領域，涉及一種提純鋁的裝置，具體涉及一種電熱煉鋁的裝置。

背景技術

鋁是重要的金屬，應用廣泛，是僅次于鋼鐵的第二金屬。目前全世界的金屬鋁，都是采用電解鋁工藝生產的。但電解鋁工藝，存在多個重要的、難以克服的弊端。這使得人們一直在尋求電熱煉鋁工藝，以替代電解鋁。電熱煉鋁比起電解鋁，在多個方面具有優勢，至少是可預期的潛在優勢：(1)首先是礦物來源的差異：含鋁的礦物大約250余種，其中100種也就是40％是硅酸鹽類，也就是說，大多數情況下，含鋁礦物都是鋁硅礦。電熱法可以使用的鋁硅礦，在自然界十分廣泛。電解鋁需要純度極高的含鋁礦物，也就是鋁硅比很高的鋁土礦，例如鋁硅比在5-12的礦物，適合的礦物極為有限，常見的三水鋁石、一水硬鋁石、一水軟鋁石等有限幾種，適合電解鋁的礦產資源的空間分布不均。全球每年原鋁產量約為6000-7000萬噸，其中約51-55％也就是約3600萬噸產自中國，而中國的鋁土礦資源只占全球的2.7％。如果中國不進口鋁土礦或者氧化鋁，本國適合電解鋁的優質鋁土礦將在7年內消耗殆盡。全球鋁土礦成礦帶主要分布在非洲、大洋洲、南美及東南亞。從國家分布來看，鋁土礦主要分布在幾內亞、澳大利亞、巴西、牙買加、越南、印度尼西亞等國。中國、北美、歐洲等世界主要原鋁生產國幾乎都需要進口鋁土礦。也就是說，世界上的主要工業國家，大部分位于北半球較高緯度的東亞、西歐、前蘇聯東歐地區、北美等，都缺乏適合電解鋁的鋁土礦。(2)其次是生產過程的污染排放：電解鋁生產全過程污染嚴重。電解鋁的生產過程首先是生產氧化鋁，其次是電解過程。這兩大環節產生大量赤泥、氟化物煙塵、氟化物氣體、陰極大修渣導致的氰化物等多種污染，而且有的是劇毒污染物，對生態環境和人類健康產生嚴重危害。而采用電熱法生產鋁，幾乎沒有難以控制的污染，礦熱爐中的氧化物粉塵，其本身沒有化學毒性，很容易得到較好的控制。整個生產過程沒有酸堿廢液的處理循環，整體環保水平要好得多。(3)第三是能源消耗水平的不同：目前電解鋁的全過程，電解環節工藝電耗大致在每噸鋁13000kwh的能耗水平，但每噸鋁需要1.92噸左右的氧化鋁，氧化鋁制備環節，折合每噸鋁的能耗約為20-60GJ的能耗。如果采用電熱法，獲得鋁硅合金，每噸合金的能耗主要是工藝電耗，在綜合回收的情況下，大致只需要12000kwh，并不需要太多的原料制備過程的能耗，或者說原料制備環節能耗遠遠低于氧化鋁環節。(4)設備產能差異大：電熱煉鋁，設備緊湊，單臺設備的功率、產能大得多，電壓達到數百伏特，而電解槽電壓只有個位數。大型電解槽每臺每年產鋁量只有數百噸，而大型礦熱爐電熱法煉鋁，可以達到萬噸級。這是因為一方面電解反應只在平面上進行，而電熱法是在整個立體空間內進行的。還有電解工藝的綜合能源效率并不高，而電熱法則要高得多。從反應器的角度，電解鋁車間往往是數百臺電解槽串聯在一起運行，對于電力穩定、運行管理與維護的要求要高得多。而電熱法的反應器產能大，所需設備臺數少，生產管理要靈活得多。(5)使用可再生能源的適應性：電解鋁只能使用傳統化石能源產出的電力。電解鋁生產過程中，電解槽的電化學反應必須是連續進行的，一旦發生停電，就會造成凝槽的重大生產事故，導致生產停頓，再行恢復需要徹底重新大修，費用昂貴，且耽誤數月工期。這就使得電解鋁作為耗電大戶，卻不能使用風電、光伏、光熱、水電等可再生能源，以防止電力供應波動，只能使用傳統燃煤、燃氣、燃油等化石能源發出的電力，使得全球碳減排的努力在電解鋁行業無法實行。(6)對硅元素的處理利用：在自然界中，鋁與硅的礦物是結合在一起的，電解煉鋁的兩步法工藝中，先是通過水溶液的作用，強行使得鋁硅的氧化物實現分離，然后消耗大量熱能烘干氧化鋁中水分，送入電解槽獲得電解鋁。但電解鋁最終的應用中，約有70％需要后續再配入工業硅作為合金元素，這樣導致巨大的浪費。特別是隨著高品位鋁土礦的逐步消耗，更多鋁硅比較低的，例如3-6鋁硅比的鋁土礦，需要脫除掉的氧化硅更多，導致工藝復雜、成本增加。而電熱法直接是將鋁硅協同還原進入合金，既不需要耗費很大力氣在氧化物狀態分離二者，也不需要將水分烘干，后期也無需專門再配入工業硅以提高硅含量。在對待伴生硅元素的利用上，顯然電熱法更為合理。(7)電熱法成本優勢巨大：電解鋁的生產成本高昂。電解鋁的生產成本中，電力能源占到40％左右，還有比較重要的就是氧化鋁的采購成本，每噸電解鋁需要消耗氧化鋁一般為1.92噸，氧化鋁采購成本占到電解鋁售價的40％，導致電解鋁成本高企。而相同條件下建廠，電熱法要比電解法的噸鋁成本降低約30％.