本发明属于制备金属铝的装置领域，尤其涉及一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置及系统。
背景技术：
目前，金属铝的工业生产方法主要采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，以氧化铝作溶质、冰晶石作溶剂、炭素材料作电极，通入电流，进行电解而得到原铝。但是，该电解法生产铝存在以下缺陷：制备过程中需要消耗大量的昂贵原料，导致电解铝的成本较其它金属高；铝电解过程中不仅会排放大量温室气体，还会产生大量含氟烟气，阳极糊烧结产生的沥青也会挥发，对周围环境及人体健康造成损害；该电解法每生产吨铝约耗电13000-15000千瓦•时，成本高。最近数十年，炼铝新方法主要有常压碳热还原法、真空碳热还原法（包括直接碳热还原法、真空碳热还原-硫化法以及真空碳热还原-卤化法）、离子液体电沉积法等。但是，上述炼铝新方法生产铝存在以下缺陷：常压碳热还原法还原温度高达2000℃以上，需要在高温的条件下进行，能耗非常高；离子液体电沉积法采用的原料成本高；直接碳热还原法得到的产物在高温下相互熔解，难以与渣相分离，几乎得不到金属铝，造成产率低下。因此，如何设计出一种能耗低、金属铝的收率和纯度高的炼铝装置，成为目前急需解决的难题。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述难题，本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，通过采用蓄热式燃气加热装置，取代了现有技术中的电炉来进行真空碳热还原制备金属铝，降低反应过程所消耗的能耗，进而降低真空碳热还原制备金属铝的成本，为工业化的可能性更进一步；充分利用高温烟气的热量，首先，利用蓄热室来回收高温烟气的烟气余热，然后，利用蓄热室排出的部分烟气作为热源对所述alcl3升华罐进行加热处理，利用蓄热室排出的部分烟气作为冷却介质对金属铝冷凝罐进行冷却处理，综合利用高温烟气余热，提高能源利用率；通过将产物金属铝与产物三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度；通过采用蓄热式燃烧方式，环状加热，反应室内温度均匀，有利于还原反应的发生。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，包括燃烧系统、反应系统、冷凝系统和真空系统，其中，所述燃烧系统包括燃烧室和蓄热室，并与所述反应系统连接，助燃风与燃气通过蓄热室预热后进入燃烧室进行燃烧，为反应提供热量；所述反应系统包括反应室和alcl3升华罐，其中，所述反应室的周围环绕布置有所述燃烧室；所述alcl3升华罐与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将燃烧产生的高温烟气经蓄热室回收热量后排出的一部分烟气，作为所述alcl3升华罐的热源对其加热处理；所述冷凝系统包括金属铝冷凝罐和alcl3冷凝罐，用于将反应产物金属铝与三氯化铝分别进行收集，其中，所述金属铝冷凝罐的产物入口与所述反应室连通，所述alcl3冷凝罐的产物入口与所述金属铝冷凝罐的产物出口连接；所述金属铝冷凝罐与所述蓄热室连接，用于将蓄热室内回收热量后的另一部分烟气作为冷却介质对所述金属铝冷凝罐进行冷却处理并维持温度；所述真空系统与所述alcl3冷凝罐的产物出口相接，用于使所述反应系统及冷凝系统处于真空状态，反应在真空条件下发生。
发明人发现，本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，通过采用蓄热式燃气加热装置，取代了现有技术中的电炉来进行真空碳热还原制备金属铝，降低反应过程所消耗的能耗，进而降低真空碳热还原制备金属铝的成本，为工业化的可能性更进一步；充分利用高温烟气的热量，首先，利用蓄热室来回收高温烟气的烟气余热，然后，利用蓄热室排出的部分烟气作为热源对所述alcl3升华罐进行加热处理，利用蓄热室排出的部分烟气作为冷却介质对金属铝冷凝罐进行冷却处理，综合利用高温烟气余热，提高能源利用率；通过将产物金属铝与产物三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度；通过采用蓄热式燃烧方式，环状加热，反应室内温度均匀，有利于还原反应的发生。
根据本发明的具体实施例，所述alcl3升华罐采用夹套加热式，所述alcl3升华罐包括加热通道和反应腔，所述加热通道的烟气入口与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将蓄热室进行蓄热处理后的烟气通入到所述alcl3升华罐的加热通道进行加热处理排出；所述反应腔的出口与所述反应室的入口连接，将alcl3升华罐中气化得到的气态alcl3加入到所述反应室进行氯化反应。
根据本发明的具体实施例，所述反应室下部设有分布器，用于将alcl3升华罐中生成的气态alcl3进行均匀分布后进入所述反应室发生氯化反应。
根据本发明的具体实施例，所述金属铝冷凝罐和所述alcl3冷凝罐都采用间接换热方式，其中，所述金属铝冷凝罐包括冷却通道和腔室，所述金属铝冷凝罐的冷却通道的入口与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将蓄热室内回收热量后的另一部分烟气作为冷却介质对所述金属铝冷凝罐进行冷却处理并维持温度；所述alcl3冷凝罐包括冷却通道和腔室，通过将冷却介质加入到所述alcl3冷凝罐的冷却通道来进行冷却处理并维持温度。
根据本发明的具体实施例，所述金属铝冷凝罐采用掺冷方式，所述金属铝冷凝罐与所述alcl3冷凝罐之间设有连接总路，所述连接总路上并排设有旁路，所述旁路与所述反应室与所述金属铝冷凝罐之间的连接总路连通，用于将所述金属铝冷凝罐的产物出口排出的冷却气态产物中的一部分回送到所述金属铝冷凝罐的产物入口，通过与所述反应室的产物进行掺和来调节所述金属铝冷凝罐内部的温度。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统为蓄热式燃烧系统，采用单蓄热或者双蓄热的燃烧方式；所述燃烧系统还包括助燃风管道、燃气管道和烟气管道，所述蓄热室的气体入口分别与所述助燃风管道或者燃气管道连接，所述蓄热室的烟气出口与所述烟气管道的一端连接，所述蓄热室的烟气入口与所述燃烧室连接；所述烟气管道的另一端分别与所述金属铝冷凝罐和所述alcl3升华罐连接，用于将蓄热室回收热量后的烟气一部分通入所述金属铝冷凝罐作为冷却介质对其进行冷却处理，另一部分通入所述alcl3升华罐作为热源对其进行加热处理。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统还包括燃气三通换向阀和/或助燃风三通换向阀，其中，所述燃气三通换向阀分别与燃气管道、烟气管道和蓄热室连接，所述助燃风三通换向阀分别与助燃风管道、烟气管道和蓄热室连接。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧室布置一对或多对烧嘴，与所述蓄热室连接。
同时，本发明还提供了一种利用上述的一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置的炼铝方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）准备过程：将原料放入反应室中，将alcl3粉末置于alcl3升华罐中；打开真空系统，降低系统压力；开启燃烧系统，引入助燃风和燃气通过蓄热室预热后进入燃烧室进行燃烧，或者引入助燃风通过蓄热室预热后和直接引入的燃气进入燃烧室进行燃烧，燃烧产生的高温烟气加热反应室后进入蓄热室中用于回收热量；
（2）制备过程：反应室升温完成后，原料充分进行碳热反应，得到中间产物；然后，加热alcl3升华罐进行气化处理得到气态alcl3，所述气态alcl3进入反应室中与所述中间产物进一步发生氯化反应得到alcl气体；在真空系统的作用下，所述alcl气体进入冷凝系统进行冷凝处理，得到金属铝和alcl3固体。
根据本发明的具体实施例，步骤（1）中的所述原料为氧化铝或含氧化铝的铝土矿与碳质还原剂进行压球处理制得的，其中，所述原料中氧化铝与碳质还原剂的质量比例为1:3-5，所述碳质还原剂为固定碳含量＞50%的含碳原料；所述系统压力被降低为30pa左右；所述燃烧系统为蓄热式燃烧系统，包括a侧燃烧系统和b侧燃烧系统，其具体操作过程是：使用a侧燃烧系统进行燃烧过程，常温的助燃风和燃气进入燃烧室进行燃烧，产生的高温烟气加热所述反应室后经b侧燃烧系统的蓄热室回收热量后排出，完成蓄热过程；完成一个燃烧周期后，b侧燃烧系统进行燃烧过程，常温的助燃风进入蓄热室中进行预热，同时常温的燃气进入蓄热室中进行预热或者不经过蓄热室预热过程，两者进入燃烧室进行燃烧，产生的高温烟气加热所述反应室后经a侧燃烧系统的蓄热室回收热量后排出，完成蓄热过程；如此重复、交替进行燃烧、蓄热、放热过程，保证持续、稳定加热反应室，实现了高效利用燃烧余热；其中，所述助燃风或者燃气进入蓄热室中进行预热后升温至900℃以上，所述助燃风或者燃气进入到所述燃烧室进行燃烧处理后产生1500-1700℃的高温烟气，所述高温烟气加热反应室后、再经由蓄热室回收热量后降温为200-300℃的烟气，所述烟气一部分通入所述alcl3升华罐作为热源对其进行加热处理后排出，另一部分通入所述金属铝冷凝罐作为冷却介质对其进行冷却处理后排出，得到升温至250-400℃的烟气；步骤（2）中的所述反应室升温至1200-1500℃过程中发生碳热反应时，保温时间为30-90min；所述alcl3升华罐进行气化处理的温度为80-250℃；所述冷凝系统具体操作过程为：所述金属铝冷凝罐的温度控制在200-400℃左右，使得所述反应室得到的alcl气体发生歧化反应生成金属铝和alcl3，其中，金属铝冷凝为固态，alcl3为气态；所述alcl3冷凝罐的温度控制<50℃，使得所述气态alcl3进入alcl3冷凝罐中进一步进行冷凝处理，得到alcl3固体；其中，以蓄热室回收热量后的部分烟气作为冷却介质，对所述金属铝冷凝罐进行冷却处理；以冷却水作为冷却介质，对所述alcl3升华罐进行冷却处理；当所述金属铝冷凝罐内部温度无法通过调整烟气流速、流量来进一步降温时，所述金属铝冷凝罐排出冷却处理后的气态alcl3，一部分进入alcl3冷凝罐中进一步进行冷凝处理，另一部分回送到所述金属铝冷凝罐和所述反应室的连接总路中，与所述反应室得到的alcl气体进行掺和来调节所述金属铝冷凝罐内部的温度。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，通过采用蓄热式燃气加热装置，取代了现有技术中的电炉来进行真空碳热还原制备金属铝，降低反应过程所消耗的能耗，进而降低真空碳热还原制备金属铝的成本，为工业化的可能性更进一步。
（2）本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，采用充分利用高温烟气的热量的加热方式，首先，利用蓄热室来回收高温烟气的烟气余热，然后，利用蓄热室排出的部分烟气作为热源对所述alcl3升华罐进行加热处理，利用蓄热室排出的部分烟气作为冷却介质对金属铝冷凝罐进行冷却处理，综合利用高温烟气余热，提高能源利用率。
（3）本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，通过将产物金属铝与产物三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度.
（4）本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，通过采用蓄热式燃烧方式，环状加热，反应室内温度均匀，有利于还原反应的发生。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1、助燃风管道，2、燃气管道，3、烟气管道，4、三通换向阀，5、烧嘴，6、燃烧室，7、反应室，8、alcl3升华罐，9、金属铝冷凝罐，10、alcl3冷凝罐，11、真空泵。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，其特征在于，包括燃烧系统、反应系统、冷凝系统和真空系统，其中，所述燃烧系统包括燃烧室6和蓄热室，并与所述反应系统连接，助燃风与燃气通过蓄热室预热后进入燃烧室进行燃烧，为反应提供热量；所述反应系统包括反应室7和alcl3升华罐8，其中，所述反应室的周围环绕布置有所述燃烧室；所述alcl3升华罐与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将燃烧产生的高温烟气经蓄热室回收热量后排出的一部分烟气，作为所述alcl3升华罐的热源对其加热处理；所述冷凝系统包括金属铝冷凝罐9和alcl3冷凝罐10，用于将反应产物金属铝与三氯化铝分别进行收集，其中，所述金属铝冷凝罐的产物入口与所述反应室连通，所述alcl3冷凝罐的产物入口与所述金属铝冷凝罐的产物出口连接；所述金属铝冷凝罐与所述蓄热室连接，用于将蓄热室内回收热量后的另一部分烟气作为冷却介质对所述金属铝冷凝罐进行冷却处理并维持温度；所述真空系统与所述alcl3冷凝罐的产物出口相接，用于使所述反应系统及冷凝系统处于真空状态，反应在真空条件下发生。
发明人发现，本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，通过采用蓄热式燃气加热装置，取代了现有技术中的电炉来进行真空碳热还原制备金属铝，降低反应过程所消耗的能耗，进而降低真空碳热还原制备金属铝的成本，为工业化的可能性更进一步；充分利用高温烟气的热量，首先，利用蓄热室来回收高温烟气的烟气余热，然后，利用蓄热室排出的部分烟气作为热源对所述alcl3升华罐进行加热处理，利用蓄热室排出的部分烟气作为冷却介质对金属铝冷凝罐进行冷却处理，综合利用高温烟气余热，提高能源利用率；通过将产物金属铝与产物三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度；通过采用蓄热式燃烧方式，环状加热，反应室内温度均匀，有利于还原反应的发生。
本发明提供了一种新型制备金属铝的装置，该装置包括反应系统，用于为原料进行反应提供场所。根据本发明的具体实施例，所述反应系统包括反应室7和alcl3升华罐8，所述反应室设置在所述alcl3升华罐的上方，所述反应室用于氧化铝或含氧化铝的铝土矿等与碳质还原剂进行碳热反应、然后与alcl3升华罐中产生的气态alcl3进一步发生氯化反应，最终得到产物alcl气体；所述alcl3升华罐，用于加热alcl3升华罐，使固体alcl3气化得到气态alcl3，所述气态alcl3经由与反应室相接的管道进入反应室内。所述反应室得到的产物alcl气体在真空系统的作用下，进入冷凝系统中进行冷却处理分离得到产物金属铝和alcl3固体，同时，反应过程中生成的co气体在真空系统的作用下排出。
根据本发明的具体实施例，所述alcl3升华罐的产物出口与所述反应室的产物入口连接，用于将alcl3升华罐中产生的气态alcl3输送到所述反应室中进一步发生氯化反应；所述alcl3升华罐与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将蓄热室回收热量后排出的一部分烟气作为所述alcl3升华罐的热源对其加热处理，实现了高效利用燃烧余热。所述alcl3升华罐采用夹套加热式，所述alcl3升华罐包括加热通道和反应腔，所述加热通道的烟气入口与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将蓄热室进行蓄热处理后的烟气通入到所述alcl3升华罐的加热通道进行加热处理排出；所述反应腔的出口与所述反应室的入口连接，将alcl3升华罐中气化得到的气态alcl3加入到所述反应室进行氯化反应。进一步的，所述加热通道为夹套，用于为热源提供流通的场所；所述alcl3升华罐可以通过控制所述蓄热室排出的烟气流量来调节、控制alcl3的升华速度，使得其与反应室内的原料能够充分反应。
根据本发明的具体实施例，所述反应室的周围环绕布置有所述燃烧室，用于提高反应室温度，使之达到原料的反应温度，由此，通过采用蓄热式燃烧方式，环状加热，反应室内温度均匀，有利于还原反应的发生。所述反应室下部设有分布器，用于将alcl3升华罐中生成的气态alcl3进行均匀分布后进入所述反应室进一步发生氯化反应，得到产物alcl气体。进一步的，所述反应室为圆柱形坩埚。
本发明提供了一种新型制备金属铝的装置，该装置包括冷凝系统，与所述反应系统相接，所述反应系统反应生成的产物进入冷凝系统冷却后，得到最终产物金属铝。根据本发明的具体实施例，所述冷凝系统包括金属铝冷凝罐9和alcl3冷凝罐10，所述金属铝冷凝罐的产物入口与所述反应室连通，用于将反应室得到的alcl气体在真空系统的作用下引入到金属铝冷凝罐中进行歧化反应，生成金属铝和alcl3，其中，金属铝冷凝为固态，alcl3为气态，同时，反应过程中生成的co气体在真空系统的作用下排出；所述alcl3冷凝罐的产物入口与所述金属铝冷凝罐的产物出口连接，用于气态alcl3进入到alcl3冷凝罐中进一步冷凝，得到alcl3固体。由此，实现了将所述反应系统反应生成的产物进行冷却处理、并对金属铝与产物三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度。
根据本发明的具体实施例，所述金属铝冷凝罐与所述蓄热室连接，用于将蓄热室内回收热量后的一部分烟气作为冷却介质对所述金属铝冷凝罐进行冷却处理并维持温度，由此，实现了高效利用燃烧余热。所述金属铝冷凝罐采用间接换热方式，其中，所述金属铝冷凝罐包括冷却通道和腔室，所述金属铝冷凝罐的冷却通道的入口与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将蓄热室内回收热量后降温至200-300℃的一部分烟气作为冷却介质对所述金属铝冷凝罐进行冷却处理并维持温度；所述金属铝冷凝罐的腔室的产物入口与所述反应室的产物出口连通，用于将反应室得到的alcl气体在真空系统的作用下引入到金属铝冷凝罐中进行歧化反应，生成金属铝和alcl3，其中，金属铝冷凝为固态，alcl3为气态。进一步的，所述金属铝冷凝罐采用管壳式换热器，所述冷却通道采用换热器进行热量回收，将蓄热室内回收热量后的另一部分烟气作为冷却介质来冷却所述金属铝冷凝罐；所述金属铝冷凝罐设置自控程序，通过金属铝冷凝罐内的温度来控制所述换热器的烟气入口处的烟气流量，保持金属冷凝罐中的温度为200-400℃，而上述部分200-300℃的烟气经金属铝冷凝罐进行换热后升高至250-400℃左右后排出去。优选的，这部分250-400℃烟气的温度较高，可以用于加热从alcl3冷凝罐出来的锅炉用软水，得到饱和水或低压蒸汽。当所述金属铝冷凝罐内的温度过高时，则增大所述换热器的烟气入口处的烟气流量，以增加传热系数，提高所述金属铝冷凝罐内部的换热效率，降低金属铝冷凝罐内温度；当所述金属铝冷凝罐内的温度过高、而且所述金属铝冷凝罐的换热面积为一定的面积时，随着反应的不断发生，所述金属铝冷凝罐可能会出现增大所述换热器的烟气入口处的烟气流量仍然无法控制所述金属铝冷凝罐内温度的情况，则所述金属铝冷凝罐采用掺冷方式，在所述金属铝冷凝罐与所述alcl3冷凝罐之间的连接总路上设置旁路，并且将所述旁路与所述反应室与所述金属铝冷凝罐之间的连接总路连通，用于将所述金属铝冷凝罐的产物出口排出的冷却气态产物中的一部分回送到所述金属铝冷凝罐的产物入口，通过与所述反应室的产物进行掺和来调节所述金属铝冷凝罐内部的温度，由此，通过设置于金属铝冷凝罐后的旁路回送部分经冷凝处理后得到的低温气体至金属铝冷凝罐前的气体产物入口处，通过掺冷的方式，降低气体产物的入口温度，以达到降低金属铝冷凝罐内的温度；进一步的，所述金属铝冷凝罐的掺冷量也是根据所述金属铝冷凝罐内的温度来调节，控制所述金属铝冷凝罐内的温度为200-400℃；若所述金属铝冷凝罐内的温度过高，则加大掺冷量；若所述金属铝冷凝罐的温度过低，则减小掺冷量甚至不加。
根据本发明的具体实施例，所述alcl3冷凝罐采用间接换热方式，所述alcl3冷凝罐包括冷却通道和腔室，通过将冷却介质加入到所述alcl3冷凝罐的冷却通道来对所述腔室进行冷却处理、并维持其温度＜50℃，使得所述腔室中的alcl3气体进一步冷凝得到固体alcl3。所述alcl3冷凝罐的腔室的产物入口与所述金属铝冷凝罐的产物出口连通，用于将金属铝冷凝罐得到的alcl3气体进一步进行冷却处理，得到固体alcl3；所述alcl3冷凝罐的腔室的产物出口与所述真空系统连接，在真空系统的作用下，先将反应室得到的alcl气体引入冷凝系统中、再将金属铝冷凝罐得到的alcl3气体引入alcl3冷凝罐中，同时，将反应过程中生成的co气体排出系统。进一步的，所述alcl3冷凝罐使用冷却水作为冷却介质，控制所述alcl3冷凝罐的腔室温度＜50℃，使得所述金属铝冷凝罐排出的alcl3气体进行冷却处理得到alcl3固体；优选的，所述冷却水可以为循环冷却用水，也可以为锅炉用软水；优选的，所述alcl3冷凝罐的冷却通道的冷却介质出口排出的锅炉用软水可以利用所述金属铝冷凝罐的冷却通道的冷却介质出口排出的250-400℃烟气进行加热处理，使得所述锅炉用软水受热得到饱和水或低压蒸汽。
本发明提供了一种新型制备金属铝的装置，该装置包括燃烧系统，用于为所述反应系统中的原料进行碳热反应提供足够的热源。根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统包括燃烧室6和蓄热室，所述蓄热室与所述燃烧室相连；其中，所述燃烧室用于为助燃风和燃气提供燃烧的场所，同时，燃烧产生的高温烟气加热反应室；所述蓄热室用于将加热反应室后的高温烟气引入蓄热室中进行回收热量，同时，对助燃风和/或燃气进行蓄热室加热处理后再进入燃烧室进行燃烧。进一步的，所述蓄热室中进行回收热量后排出的烟气可以再利用，一部分烟气用于加热所述alcl3升华罐，另一部分烟气用于冷却所述金属铝冷凝罐。由此，该装置通过采用蓄热式燃气加热装置，能够取代现有电炉来进行真空碳热还原制备金属铝，降低反应过程所消耗的能耗，进而降低真空碳热还原制备金属铝的成本，为工业化的可能性更进一步，实现了高效利用燃烧余热。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统为蓄热式燃烧系统，采用单蓄热或者双蓄热的燃烧方式。当所述燃烧系统为双蓄热式燃烧系统时，助燃风与燃气通过蓄热室蓄热后进入燃烧室进行燃烧，同时，燃烧产生的高温烟气加热反应室后再经蓄热室回收热量后排出，实现了高效利用燃烧余热；当所述燃烧系统为单蓄热式燃烧系统时，助燃风通过蓄热室预热后与不经蓄热室预热处理的燃气进入燃烧室进行燃烧，同时，燃烧产生的高温烟气加热反应室后再经蓄热室回收热量后排出，实现了高温烟气余热的高效利用。进一步的，所述蓄热室中进行回收热量后排出的烟气可以再利用，一部分烟气用于加热所述alcl3升华罐，另一部分烟气用于冷却所述金属铝冷凝罐。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统还包括助燃风管道1、燃气管道2和烟气管道3，其中，所述蓄热室的气体入口分别与所述助燃风管道和/或者燃气管道连接，用于向蓄热室中引入助燃风和/或者燃气，在已回收热烟气热量的蓄热室中进行预热处理，得到蓄热处理后的高温助燃风和/或者高温燃气；所述蓄热室的烟气出口与所述烟气管道连接，用于排放蓄热室中经回收热量后得到的低温烟气；所述蓄热室的烟气入口与所述燃烧室连接，用于将燃烧室内助燃风和燃气燃烧，得到的高温烟气，在为反应室提供热源后，送入蓄热室内，使热量留在蓄热体上，完成蓄热后的烟气随即排出。所述烟气管道的另一端分别与所述金属铝冷凝罐和所述alcl3升华罐连接，用于将蓄热室回收热量后的烟气一部分通入所述金属铝冷凝罐作为冷却介质对其进行冷却处理，另一部分通入所述alcl3升华罐作为热源对其进行加热处理。根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统还包括三通换向阀4。高温烟气进入蓄热室完成蓄热后，三通换向阀换向，低温的助燃风或者燃气进入蓄热室，吸收蓄热体上的热量，进而得到高温助燃风或者高温燃气。进一步的，所述三通换向阀4包括燃气三通换向阀和/或助燃风三通换向阀，其中，所述助燃风三通换向阀分别与助燃风管道、烟气管道和蓄热室连接；所述燃气三通换向阀分别与燃气管道、烟气管道和燃烧室连接。进一步的，当只设有助燃风三通换向阀时，所述燃烧系统为单蓄热式燃烧系统，所述燃气管道直接与所述燃烧室连接，使得燃气不进行预热处理、而助燃气进行预热处理，通过蓄热室预热后的助燃风与不经蓄热室预热处理的燃气进入燃烧室进行燃烧，同时，燃烧产生的高温烟气加热反应室后再经蓄热室回收热量后排出，实现了高效利用燃烧余热；当助燃风三通换向阀和燃气三通换向阀都存在时，所述燃烧系统为双蓄热式燃烧系统时，使得助燃气和燃气同时进行预热处理。由此，实现了高效利用燃烧余热，降低了能源的生产成本。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧室布置在所述反应室四周，呈环状布置，用于通过燃气和助燃风进行燃烧后产生的高温烟气为所述反应室提供碳热反应的热源。根据本发明的具体实施例，所述燃烧室的侧壁上设有烧嘴5，所述烧嘴与所述蓄热室连接，用于为所述燃烧室引入燃气和助燃风或者排放热烟气。所述燃烧室的烧嘴呈切线布置，燃烧产生的高温烟气加热反应室后再经蓄热室回收热量后由烟气管道排出。进一步的，所述烧嘴的数量为一对或多对，交替进行燃烧、蓄热、预热、燃烧过程，保证持续、稳定加热反应室。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统包括a侧燃烧系统和b侧燃烧系统，用于为所述反应室提供热源。所述燃烧系统的具体工作过程如下：使用a侧燃烧系统进行燃烧过程，常温的助燃风和燃气进入燃烧室进行燃烧，产生的高温烟气加热所述反应室后经b侧燃烧系统的蓄热室回收热量后排出，完成蓄热过程；完成一个燃烧周期后，b侧燃烧系统进行燃烧过程，常温的助燃风进入蓄热室中进行预热，同时常温的燃气进入蓄热室中进行预热或者不经过蓄热室预热过程，两者进入燃烧室进行燃烧，产生的高温烟气加热所述反应室后经a侧燃烧系统的蓄热室回收热量后排出，完成蓄热过程；如此重复、交替进行燃烧、蓄热、放热过程，保证持续、稳定加热反应室，实现了高效利用燃烧余热。进一步的，所述蓄热室中进行回收热量后排出的烟气可以再利用，一部分烟气用于加热所述alcl3升华罐，另一部分烟气用于冷却所述金属铝冷凝罐。
当所述燃烧系统为单蓄热式燃烧系统时，调整a侧燃烧系统中所述助燃风三通换向阀，使所述助燃风管道与蓄热室的气体入口保持连通，所述燃气管道直接与所述燃烧室连接，使得助燃风经蓄热室进行预热处理、燃气不进行蓄热室预热处理，即，常温的助燃风进入已蓄热回收热烟气热量的蓄热室中进行加热处理得到预热后的助燃风，常温的燃气不经过蓄热室进行预热处理，直接与蓄热室排出的所述预热助燃风通过烧嘴一起通入所述燃烧室进行燃烧，燃烧产生的高温烟气对所述反应室进行碳热反应提供热源，得到降温后的热烟气，经由烧嘴排出并进入b侧燃烧系统中的所述蓄热室进行蓄热回收热量处理，最后经由烟气管道排出；当所述燃烧系统为双蓄热式燃烧系统时，调整a侧燃烧系统中所述助燃风三通换向阀和所述燃气三通换向阀，使得助燃风和燃气同时进行预热处理，即，常温的助燃风和常温的燃气分别进入已蓄热回收热烟气热量的蓄热室中进行加热处理得到蓄热后的助燃风和燃气，通过烧嘴一起通入所述燃烧室进行燃烧，燃烧产生的高温烟气对所述反应室进行碳热反应提供热源，得到降温后的热烟气，经由烧嘴排出并进入b侧燃烧系统中的所述蓄热室进行蓄热回收热量处理，最后经由烟气管道排出。然后，待完成一个燃烧周期后，b侧燃烧系统进行燃烧过程，常温的助燃风进入蓄热室中进行预热，同时常温的燃气进入蓄热室中进行预热或者不经过蓄热室预热过程，两者进入燃烧室进行燃烧，产生的高温烟气加热所述反应室后经a侧燃烧系统的蓄热室回收热量后排出，完成蓄热过程；如此重复、交替进行燃烧、蓄热、放热过程，保证持续、稳定加热反应室，实现了高效利用燃烧余热。
本发明提供了一种新型制备金属铝的装置，该装置包括真空系统，与所述冷凝系统连接，用于降低整个系统的压力，使之处于真空状态，使得反应在真空条件下发生反应。根据本发明的具体实施例，在真空系统的作用下，反应室得到的alcl气体进入冷凝系统冷却分离得到产物金属铝和alcl3固体，同时，反应过程中生成的co气体排出。进一步的，所述真空系统包括真空泵11。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种利用上述的一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置的炼铝方法，包括以下步骤：
（1）准备过程：将原料放入反应室中，将alcl3粉末置于alcl3升华罐中；打开真空系统，降低系统压力；开启燃烧系统，引入助燃风和燃气通过蓄热室预热后进入燃烧室进行燃烧，或者引入助燃风通过蓄热室预热后和直接引入的燃气进入燃烧室进行燃烧，燃烧产生的高温烟气加热反应室后进入蓄热室中用于回收热量。
根据本发明的具体实施例，该装置包括真空系统，与所述冷凝系统连接，用于降低整个系统的压力，使之处于真空状态，使得反应在真空条件下发生反应。进一步的，所述系统压力被降低为30pa左右。在真空系统的作用下，反应室得到的alcl气体进入冷凝系统冷却分离得到产物金属铝和alcl3固体，同时，反应过程中生成的co气体排出。进一步的，所述真空系统包括真空泵。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统为蓄热式燃烧系统，包括a侧燃烧系统和b侧燃烧系统，其具体操作过程是：使用a侧燃烧系统进行燃烧过程，常温的助燃风和燃气进入燃烧室进行燃烧，产生的高温烟气加热所述反应室后经b侧燃烧系统的蓄热室回收热量后排出，完成蓄热过程；完成一个燃烧周期后，b侧燃烧系统进行燃烧过程，常温的助燃风进入蓄热室中进行预热，同时常温的燃气进入蓄热室中进行预热或者不经过蓄热室预热过程，两者进入燃烧室进行燃烧，产生的高温烟气加热所述反应室后经a侧燃烧系统的蓄热室回收热量后排出，完成蓄热过程；如此重复、交替进行燃烧、蓄热、放热过程，保证持续、稳定加热反应室，实现了高效利用燃烧余热。进一步的，所述蓄热室中进行回收热量后排出的烟气可以再利用，一部分烟气用于加热所述alcl3升华罐，另一部分烟气用于冷却所述金属铝冷凝罐。其中，所述助燃风或者燃气进入蓄热室中进行预热后升温至900℃以上，所述助燃风或者燃气进入到所述燃烧室进行燃烧处理后产生1500-1700℃的高温烟气，所述高温烟气加热反应室后、再经由蓄热室回收热量后降温为200-300℃的烟气，所述烟气一部分通入所述alcl3升华罐作为热源对其进行加热处理后排出，另一部分通入所述金属铝冷凝罐作为冷却介质对其进行冷却处理后排出，得到升温至250-400℃的烟气。
根据本发明的具体实施例，所述燃烧系统可以采用单蓄热或者双蓄热的燃烧方式，助燃风可以为空气、富氧空气，燃气可以为天然气、焦炉煤气、水煤气、热解煤气、石油液化气等。进一步的，当燃气为天然气、热解气、石油液化气等高热值燃料，采用单蓄热燃烧方式，即助燃风经过蓄热室，燃气不经过蓄热室；当燃气为焦炉煤气、水煤气等低热值煤气，则既可采用单蓄热燃烧方式，即助燃风经过蓄热室、燃气不经过蓄热室，又可采用双蓄热燃烧方式，即助燃风与燃气均经过蓄热室后参与燃烧。当所述燃烧系统为双蓄热式燃烧系统时，助燃风与燃气分别通过蓄热室预热后升温至900℃以上，进入燃烧室进行燃烧，同时，燃烧产生1500-1700℃的高温烟气加热反应室，使得反应室内温度达到1200-1500℃，再经蓄热室回收热量后降温为200-300℃排出，该200-300℃烟气一部分通入所述alcl3升华罐作为热源对其进行加热处理后排出，该200-300℃烟气另一部分通入所述金属铝冷凝罐作为冷却介质对其进行冷却处理后得到升温至250-400℃的烟气排出来，实现了高效利用燃烧余热；当所述燃烧系统为单蓄热式燃烧系统时，助燃风通过蓄热室预热后升温至900℃以上，与不预热处理的常温燃气进入燃烧室进行燃烧，同时，燃烧产生1500-1700℃左右的高温烟气加热反应室，使得反应室内温度达到1200-1500℃，再经蓄热室回收热量后降温为200-300℃排出，该200-300℃烟气一部分通入所述alcl3升华罐作为热源对其进行加热处理后排出，该200-300℃烟气另一部分通入所述金属铝冷凝罐作为冷却介质对其进行冷却处理后得到升温至250-400℃的烟气排出来，实现了高效利用燃烧余热。
根据本发明的具体实施例，步骤（1）中的所述原料为氧化铝或含氧化铝的铝土矿等与碳质还原剂进行压球处理制得的，其中，所述原料中氧化铝与碳质还原剂的质量比例为1:3-5，所述碳质还原剂为石墨、煤、兰炭、生物质炭等固定碳含量＞50%的含碳原料；所述系统压力被降低为30pa左右。
（2）制备过程：反应室升温完成后，原料充分进行碳热反应，得到中间产物；然后，加热alcl3升华罐进行气化处理得到气态alcl3，所述气态alcl3进入反应室中与所述中间产物进一步发生氯化反应得到alcl气体；在真空系统的作用下，所述alcl气体进入冷凝系统进行冷凝处理，得到金属铝和alcl3固体。
根据本发明的具体实施例，该装置包括反应系统，用于为原料进行反应提供场所。所述反应系统包括反应室和alcl3升华罐，所述反应室的周围环绕布置有所述燃烧室，用于提高反应室温度，使之达到原料的反应温度，由此，通过采用蓄热式燃烧方式，环状加热，反应室内温度均匀，有利于还原反应的发生；所述反应室设置在所述alcl3升华罐的上方，所述反应室下部设有分布器，用于将alcl3升华罐中生成的气态alcl3进行均匀分布后进入所述反应室进一步发生氯化反应，得到产物alcl气体；进一步的，所述反应室为圆柱形坩埚。根据本发明的具体实施例，所述alcl3升华罐的产物出口与所述反应室的产物入口连接，用于将alcl3升华罐中产生的气态alcl3输送到所述反应室中进一步发生氯化反应；所述alcl3升华罐与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将蓄热室回收热量后排出的一部分烟气作为所述alcl3升华罐的热源对其加热处理，使得所述alcl3升华罐温度升至80-250℃，实现了高效利用燃烧余热。所述alcl3升华罐采用夹套加热式，所述alcl3升华罐包括加热通道和反应腔，所述加热通道的烟气入口与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将蓄热室进行蓄热处理后的烟气通入到所述alcl3升华罐的加热通道进行加热处理排出，使得所述alcl3升华罐温度升至80-250℃；所述alcl3升华罐反应腔的出口与所述反应室的入口连接，将alcl3升华罐中气化得到的气态alcl3加入到所述反应室进行氯化反应。进一步的，所述加热通道为夹套，用于为热源提供流通的场所；所述alcl3升华罐可以通过控制所述蓄热室排出的烟气流量来调节、控制alcl3的升华速度，使得其与反应室内的原料能够充分反应。所述反应系统的具体工作过程为：所述原料置于所述反应室内，所述反应室升温至1200-1500℃过程中发生碳热反应，保温时间为30-90min，得到中间产物；然后，与alcl3升华罐中产生的气态alcl3经由与所述反应室相接的管道进入所述反应室内，在置于所述反应室下部的分布器的作用下，均匀分布，与所述反应室中的中间产物进一步发生氯化反应，最终得到产物alcl气体，所述alcl气体在真空泵的作用下进入冷凝系统冷却分离得到产物金属铝和alcl3固体；进一步的，反应过程中生成的co气体在真空泵的作用下排出。其中，alcl3置于所述alcl3升华罐中，采用经蓄热室回收热量后降温为200-300℃的烟气作为热源，所述alcl3升华罐被加热至80-250℃，使alcl3气化得到气态alcl3，所述气态alcl3经由与反应室相接的管道进入反应室内。
根据本发明的具体实施例，该装置包括冷凝系统，包括金属铝冷凝罐和alcl3冷凝罐，所述金属铝冷凝罐的产物入口与所述反应室连通，用于将反应室得到的alcl气体在真空系统的作用下引入到金属铝冷凝罐中进行歧化反应，生成金属铝和alcl3，其中，金属铝冷凝为固态，alcl3为气态，同时，反应过程中生成的co气体在真空系统的作用下排出；所述alcl3冷凝罐的产物入口与所述金属铝冷凝罐的产物出口连接，用于气态alcl3进入到alcl3冷凝罐中进一步冷凝，得到alcl3固体。由此，实现了将所述反应系统反应生成的产物进行冷却处理、并对金属铝与产物三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度。
根据本发明的具体实施例，所述金属铝冷凝罐与所述蓄热室连接，用于将蓄热室内回收热量后的一部分烟气作为冷却介质对所述金属铝冷凝罐进行冷却处理并维持温度，由此，实现了高效利用燃烧余热。所述金属铝冷凝罐采用间接换热方式，其中，所述金属铝冷凝罐包括冷却通道和腔室，所述金属铝冷凝罐的冷却通道的入口与所述蓄热室的烟气出口连接，用于将蓄热室内回收热量后降温至200-300℃的一部分烟气作为冷却介质对所述金属铝冷凝罐进行冷却处理并维持温度；所述金属铝冷凝罐的腔室的产物入口与所述反应室的产物出口连通，用于将反应室得到的alcl气体在真空系统的作用下引入到金属铝冷凝罐中进行歧化反应，生成金属铝和alcl3，其中，金属铝冷凝为固态，alcl3为气态。进一步的，所述金属铝冷凝罐采用管壳式换热器，所述冷却通道采用换热器进行热量回收，将蓄热室内回收热量后的另一部分烟气作为冷却介质来冷却所述金属铝冷凝罐；所述金属铝冷凝罐设置自控程序，通过金属铝冷凝罐内的温度来控制所述换热器的烟气入口处的烟气流量，保持金属冷凝罐中的温度为200-400℃，而上述部分200-300℃的烟气经金属铝冷凝罐进行换热后升高至250-400℃左右后排出去。优选的，这部分250-400℃烟气的温度较高，可以用于加热从alcl3冷凝罐出来的锅炉用软水，得到饱和水或低压蒸汽。当所述金属铝冷凝罐内的温度过高时，则增大所述换热器的烟气入口处的烟气流量，以增加传热系数，提高所述金属铝冷凝罐内部的换热效率，降低金属铝冷凝罐内温度；当所述金属铝冷凝罐内的温度过高、而且所述金属铝冷凝罐的换热面积为一定的面积时，随着反应的不断发生，所述金属铝冷凝罐可能会出现增大所述换热器的烟气入口处的烟气流量仍然无法控制所述金属铝冷凝罐内温度的情况，即，所述金属铝冷凝罐内部温度无法通过调整烟气流速、流量来进一步降温时，则所述金属铝冷凝罐采用掺冷方式，在所述金属铝冷凝罐与所述alcl3冷凝罐之间的连接总路上设置旁路，并且将所述旁路与所述反应室与所述金属铝冷凝罐之间的连接总路连通，用于将所述金属铝冷凝罐的产物出口排出的冷却气态产物中的一部分回送到所述金属铝冷凝罐的产物入口，通过与所述反应室的产物进行掺和来调节所述金属铝冷凝罐内部的温度，由此，通过设置于金属铝冷凝罐后的旁路回送部分经冷凝处理后得到的低温气体至金属铝冷凝罐前的气体产物入口处，通过掺冷的方式，降低气体产物的入口温度，以达到降低金属铝冷凝罐内的温度；进一步的，所述金属铝冷凝罐的掺冷量也是根据所述金属铝冷凝罐内的温度来调节，控制所述金属铝冷凝罐内的温度为200-400℃；若所述金属铝冷凝罐内的温度过高，则加大掺冷量；若所述金属铝冷凝罐的温度过低，则减小掺冷量甚至不加。
根据本发明的具体实施例，所述alcl3冷凝罐采用间接换热方式，所述alcl3冷凝罐包括冷却通道和腔室，通过将冷却介质加入到所述alcl3冷凝罐的冷却通道来对所述腔室进行冷却处理、并维持其温度＜50℃，使得所述腔室中的alcl3气体进一步冷凝得到固体alcl3。所述alcl3冷凝罐的腔室的产物入口与所述金属铝冷凝罐的产物出口连通，用于将金属铝冷凝罐得到的alcl3气体进一步进行冷却处理，得到固体alcl3；所述alcl3冷凝罐的腔室的产物出口与所述真空系统连接，在真空系统的作用下，先将反应室得到的alcl气体引入冷凝系统中、再将金属铝冷凝罐得到的alcl3气体引入alcl3冷凝罐中，同时，将反应过程中生成的co气体排出系统。进一步的，所述alcl3冷凝罐使用冷却水作为冷却介质，控制所述alcl3冷凝罐的腔室温度＜50℃，使得所述金属铝冷凝罐排出的alcl3气体进行冷却处理得到alcl3固体；优选的，所述冷却水可以为循环冷却用水，也可以为锅炉用软水；优选的，所述alcl3冷凝罐的冷却通道的冷却介质出口排出的锅炉用软水可以利用所述金属铝冷凝罐的冷却通道的冷却介质出口排出的250-400℃烟气进行加热处理，使得所述锅炉用软水受热得到饱和水或低压蒸汽。
发明人发现，本发明提供了一种具有烟气式冷凝系统的真空炉装置，通过采用蓄热式燃气加热装置，取代了现有技术中的电炉来进行真空碳热还原制备金属铝，降低反应过程所消耗的能耗，进而降低真空碳热还原制备金属铝的成本，为工业化的可能性更进一步；充分利用高温烟气的热量，首先，利用蓄热室来回收高温烟气的烟气余热，然后，利用蓄热室排出的部分烟气作为热源对所述alcl3升华罐进行加热处理，利用蓄热室排出的部分烟气作为冷却介质对金属铝冷凝罐进行冷却处理，综合利用高温烟气余热，提高能源利用率；通过将产物金属铝与产物三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度；通过采用蓄热式燃烧方式，环状加热，反应室内温度均匀，有利于还原反应的发生。
实施例一
将氧化铝与石墨破碎至200目，按1:3的比例配置，混合均匀后，2mpa压力压制成球，并放入反应室中。将约为氧化铝2倍重量的alcl3粉末置于alcl3升华罐中。然后打开真空泵，降低系统压力，当压力降低至30pa左右时，投用燃烧系统，开始升温。
首先，使用a侧燃烧系统，常温的助燃风与焦炉煤气通过烧嘴进入燃烧室进行燃烧，燃烧产生的高温烟气加热反应室后，经b侧燃烧系统的蓄热室回收热量后，温度降低至250℃左右，排出炉外。180s换向后，常温的助燃风与焦炉煤气经过b侧的蓄热后的蓄热室，被预热至900℃以上后，通过烧嘴进入燃烧室进行燃烧，燃烧产生的高温烟气加热反应室后，经a侧燃烧系统的蓄热室回收热量。如此交替进行，直至将反应室内的温度升温至1200~1300℃，并维持此温度约50min，使反应室内的物料充分反应。
然后，将燃烧系统出来的部分250℃的烟气送至alcl3升华罐，将其升温至150℃左右，使之气化为alcl3气体，所得的alcl3气体通过与反应室相连的管道进入反应室中，在置于反应室下部的分布器的作用下，均匀分布，与上述反应室中的原料进一步发生氯化反应，得到产物alcl气体，该气体在真空泵的作用下，进入金属铝冷凝罐。
将上述燃烧系统得到的另一部分250℃的烟气通入金属铝冷凝罐的冷却通道中，用以控制金属铝冷凝罐中的温度为330℃左右。若金属铝冷凝罐内的温度过高（＞350℃），增大换热器烟气入口处的流量，以达到控制金属铝冷凝罐内的温度。
alcl气体在金属铝冷凝罐内发生歧化反应生成金属铝和alcl3，金属铝冷凝为固态，alcl3为气态。所述alcl3气体进入与之相连的alcl3冷凝罐中，进一步冷凝得到alcl3固体。所述alcl3冷凝罐使用循环冷却水冷却，循环水的温度＜35℃，控制alcl3冷凝罐内温度＜50℃。反应得到的金属铝纯度＞94%，直收率＞90%。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。