本发明属于制备金属铝的装置领域，尤其涉及一种蓄热式燃气加热的连续制备金属铝的装置及系统。
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、连续进料的炼铝装置，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，本发明提供了一种连续炼铝装置，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；通过采用螺旋推进器形式，实现了连续进出料，降低了操作强度，更有利于工业化的实施；通过采用蓄热式燃烧方式，反应室内温度均匀，可通过喷嘴设置灵活控制各段温度，有利于还原反应的发生；通过将碳热反应与氯化反应同时存在于反应器中，三氯化铝与原料接触更充分，一定程度上限制了副反应的发生，提高了还原效率；通过将金属铝与三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种连续炼铝装置，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，为反应提供热量；所述反应系统包括反应室和alcl3升华罐，所述反应室包括螺旋推进器和外壳，所述外壳将所述螺旋推进器完全包覆，内部形成反应空间，所述反应室为螺旋推进器形式的反应器，用于连续提供原料进行反应，所述反应室的周围环绕布置有所述燃烧室；所述alcl3升华罐与所述反应室连接，其生成的气态alcl3进入所述反应室发生氯化反应；所述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，得到金属铝；所述真空系统与所述冷凝系统相接，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，本发明提供了一种连续炼铝装置，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；通过采用螺旋推进器形式，实现了连续进出料，降低了操作强度，更有利于工业化的实施；通过采用蓄热式燃烧方式，反应室内温度均匀，可通过喷嘴设置灵活控制各段温度，有利于还原反应的发生；通过将碳热反应与氯化反应同时存在于反应器中，三氯化铝与原料接触更充分，一定程度上限制了副反应的发生，提高了还原效率；通过将金属铝与三氯化铝分别收集，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；所述蓄热室与所述燃烧室相连。
根据本发明的具体实施例，所述反应室外部设有电机，所述电机与所述螺旋推进器连接，用于带动所述螺旋推进器转动，使原料随着所述螺旋推进器连续不断地向前推进。原料在所述螺旋推进器的作用下向前推进的过程中发生碳热反应，产生的中间产物与所述alcl3气体迅速发生反应。
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、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和/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连接，所述蓄热室的烟气入口与所述燃烧室连接。
根据本发明的具体实施例，所述助燃风管道内通入的助燃风为空气或富氧空气，燃气管道通入的燃气为天然气、焦炉煤气、水煤气、热解煤气或石油液化气。
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。
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，所述金属铝冷凝罐与所述反应室的出气口连通、并布置在所述反应室上方，所述alcl3冷凝罐分别与所述金属铝冷凝罐和所述真空系统连接。
同时，本发明还提供了一种利用上述的一种连续炼铝装置的炼铝方法，包括以下步骤：
（1）准备过程：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；
（2）制备过程：反应室升温完成后，将原料通过螺旋推进器加入反应室中，随着螺旋推进器不断向前推进，充分进行碳热反应，得到中间产物；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，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，进入燃烧室进行燃烧，产生1500-1700℃的高温烟气，加热反应室后、再经由蓄热室回收热量后降温至250℃左右；步骤（2）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制成球得到的球料，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；所述原料的加料过程为：将压制成球得到的球料作为原料，通过进料系统送入原料储仓中，使用氮气进行置换所述原料储仓中的空气，确保所述原料储仓中氧气含量＜0.1%，所述原料经由中间仓进入到所述反应室中；所述反应室被所述高温烟气加热温度升至1200-1500℃过程中发生碳热反应；所述alcl3升华罐进行气化处理的温度为80-250℃；所述反应室中原料的反应运行时间为45-120min；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；所述气态alcl3进入alcl3冷凝罐中进一步进行冷凝处理，得到alcl3固体。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明提供了一种连续炼铝装置，通过采用蓄热式燃气加热装置取代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）本发明提供了一种连续炼铝装置，通过采用螺旋推进器形式，实现了连续进出料，降低了操作强度，更有利于工业化的实施。
（3）本发明提供了一种连续炼铝装置，采用蓄热式燃烧方式，反应室内温度均匀，可通过喷嘴设置灵活控制各段温度，有利于还原反应的发生。
（4）本发明提供了一种连续炼铝装置，三氯化铝与原料接触更充分，碳热反应与氯化反应同时存在于反应器中，一定程度上限制了副反应的发生，提高了还原效率。
（5）本发明提供了一种连续炼铝装置，将金属铝与三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度。
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、燃烧室，6、烧嘴，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，12、原料储仓，13、中间仓，14、锁斗阀。
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，本发明提供了一种连续炼铝装置，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5和蓄热室，并与所述反应系统连接，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，所述反应室包括螺旋推进器和外壳，所述外壳将所述螺旋推进器完全包覆，内部形成反应空间，所述反应室为螺旋推进器形式的反应器，用于连续提供原料进行反应，所述反应室的周围环绕布置有所述燃烧室；所述alcl3升华罐与所述反应室连接，其生成的气态alcl3进入所述反应室发生氯化反应；所述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，得到金属铝；所述真空系统与所述冷凝系统相接，用于使所述反应系统和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，本发明提供了一种连续炼铝装置，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；通过采用螺旋推进器形式，实现了连续进出料，降低了操作强度，更有利于工业化的实施；通过采用蓄热式燃烧方式，反应室内温度均匀，可通过喷嘴设置灵活控制各段温度，有利于还原反应的发生；通过将碳热反应与氯化反应同时存在于反应器中，三氯化铝与原料接触更充分，一定程度上限制了副反应的发生，提高了还原效率；通过将金属铝与三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度。
本发明提供了一种连续炼铝装置，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7和alcl3升华罐8，所述反应室与所述alcl3升华罐连接，用于将所述alcl3升华罐中进行气化处理得到的气态alcl3通入到所述反应室，所述气态alcl3与所述反应室进行碳热反应得到的中间产物（如al4c3、al4o4c等中间产物）进行进一步氯化反应，得到alcl气体。进一步的，所述反应室和所述alcl3升华罐之间采用管道连接，使得所述alcl3升华罐中的气态alcl3经由所述管道进入到所述反应室中。
根据本发明的具体实施例，所述反应室为螺旋推进器形式，用于连续提供原料进行反应，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。所述反应室包括螺旋推进器和外壳，所述外壳将所述螺旋推进器完全包覆，所述燃烧室环绕布置在所述外壳的外周，保证所述反应室与所述燃烧室为相对独立的系统。由此，保证了所述燃烧室仅仅为所述反应室提供所需热源，不会为反应室引入杂质，从而不会对金属铝的纯度产生不良影响。同时，所述螺旋推进器横向贯穿整个反应室，用于将所述反应室进料口的原料随着所述螺旋推进器向前推进，原料在所述螺旋推进器的作用下向前推进的过程中发生碳热反应，产生的中间产物与所述alcl3气体迅速发生反应。进一步的，所述alcl3升华罐中的气态alcl3在真空泵的作用下与原料一起向前推进直至到达出料口，并在前进过程中与碳热反应后的中间产物进一步发生氯化反应，得到alcl气体和残渣；其中，所述alcl气体在真空泵的作用下，进入冷凝系统进行冷却分离得到产物金属铝和alcl3固体，而且，反应过程中生成的co气体在真空泵的作用下与alcl气体一起进入冷凝系统；反应剩下的残渣随着螺旋推进器运动至出渣口排出。进一步的，在反应过程中，可以调节旋推进器的转动速度以及alcl3的气化速度，以保证物料到达出料口之前反应完全。而且，反应过程中生成的中间产物可迅速与alcl3气体接触并进行下一步氯化反应，不会以中间产物的形式长久存在，有利于减少副反应的发生。由此，实现了三氯化铝与原料接触更充分，碳热反应与氯化反应同时存在于反应器中，一定程度上限制了副反应的发生，提高了还原效率。
根据本发明的具体实施例，所述反应室外部设有电机、进料系统、原料储仓12和中间仓13；其中，所述进料系统，用于将氧化铝或含氧化铝的铝土矿与碳质还原剂进行压制成球处理，得到球料，作为反应室的原料；所述原料储仓与所述进料系统连接，用于将所述进料系统中得到的球料输送到所述原料储仓中，同时，使用惰性气体（如n2）进行置换所述原料储仓中的空气，确保所述原料储仓中氧气含量＜0.1%；所述中间仓一端与所述原料储仓连接，用于将所述原料储仓中的球料输送到所述中间仓，所述中间仓另一端通过两个锁斗阀14与所述反应室的进料口连接，用于通过所述锁斗阀的开启或闭合来分别控制中间仓的球料输送到所述反应室中的通入或断开，由此，实现了控制为反应室供给原料的通入或断开状态。所述电机与所述螺旋推进器连接，用于带动所述螺旋推进器以一定转速转动，保证原料随着所述螺旋推进器连续不断地向前推进，由此，该装置采用螺旋推进器形式，实现了连续进出料，降低了操作强度，更有利于工业化的实施。进一步的，所述alcl3升华罐与所述反应室的进料口和所述锁斗阀之间的管道连接，用于将所述alcl3升华罐中的气态alcl3经由所述管道通入到所述反应室，使得所述气态alcl3与所述反应室进行碳热反应得到的中间产物进行进一步氯化反应，得到alcl气体。
本发明提供了一种连续炼铝装置，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5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/或燃气进行蓄热处理后再进入燃烧室进行燃烧。进一步，所述燃烧室可以为方形、圆柱形或者其他形状，只要能够为助燃风和燃气进行燃烧提供场所、并且利用燃烧产生的高温烟气为所述反应室进行加热即可。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，实现了高效利用燃烧余热。
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。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成对设有烧嘴6，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，使得燃气和助燃风经由成对烧嘴中的一个烧嘴进入燃烧室内进行燃烧、燃烧产生的高温烟气加热反应室后经由成对烧嘴中的另一个烧嘴进入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；优选的，烧嘴设有多对，每对烧嘴都对应设置在方形燃烧室的不同段位，能够精准控制所述反应室不同段位的加热温度。由此，该装置采用蓄热式燃烧方式，反应室内温度均匀，可通过喷嘴设置灵活控制各段温度，有利于还原反应的发生。
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。
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预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中进行的碳热反应提供热源，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，所述金属铝冷凝罐与所述反应室的出气口连通、并布置在所述反应室上方，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冷凝罐与所述金属铝冷凝罐连接，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，本发明通过将金属铝与三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度。
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连续炼铝装置的炼铝方法，包括以下步骤：
（1）准备过程：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。
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，所述燃烧系统包括燃烧室和蓄热室，所述蓄热室与所述燃烧室相连，用于为所述反应系统中的原料进行应提供足够的热源，使得助燃风和燃气通入燃烧室进行燃烧，产生的高温烟气加热反应室后引入蓄热室中进行回收热量后再排放。进一步，所述燃烧室可以为方形、圆柱形或者其他形状，只要能够为助燃风和燃气进行燃烧提供场所、并且利用燃烧产生的高温烟气为所述反应室进行加热即可。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，所述燃烧系统还包括助燃风管道、燃气管道和烟气管道，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。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。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。
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成对设有烧嘴，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，使得燃气和助燃风经由成对烧嘴中的一个烧嘴进入燃烧室内进行燃烧、燃烧产生的高温烟气加热反应室后经由成对烧嘴中的另一个烧嘴进入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；优选的，烧嘴设有多对，每对烧嘴都对应设置在方形燃烧室的不同段位，能够精准控制所述反应室不同段位的加热温度。由此，该装置采用蓄热式燃烧方式，反应室内温度均匀，可通过喷嘴设置灵活控制各段温度，有利于还原反应的发生。
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。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，进入燃烧室进行燃烧，产生1500-1700℃的高温烟气，加热蓄热室回收热量后降温至250℃左右。
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进行预热后升温至900℃以上，进入燃烧室进行燃烧，同时，燃烧产生1500-1700℃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，助燃风通过蓄热室进行预热后升温至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排出，实现了高效利用燃烧余热。
（2）制备过程：反应室升温完成后，将原料通过螺旋推进器加入反应室中，随着螺旋推进器不断向前推进，充分进行碳热反应，得到中间产物；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，得到金属铝和alcl3固体。
本发明提供了一种连续炼铝装置，所述反应系统包括反应室和alcl3升华罐，所述反应室与所述alcl3升华罐连接，用于将所述alcl3升华罐中进行气化处理得到的气态alcl3通入到所述反应室，所述气态alcl3与所述反应室进行碳热反应得到的中间产物（如al4c3、al4o4c等中间产物）进行进一步氯化反应，得到alcl气体。进一步的，所述反应室和所述alcl3升华罐之间采用管道连接，使得所述alcl3升华罐中的气态alcl3经由所述管道进入到所述反应室中。
根据本发明的具体实施例，步骤（2）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制成球得到的球料，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。所述反应室为螺旋推进器形式，包括螺旋推进器和外壳，所述外壳将所述螺旋推进器完全包覆，所述燃烧室环绕布置在所述外壳的外周，保证所述反应室与所述燃烧室为相对独立的系统；由此，保证了所述燃烧室仅仅为所述反应室提供所需热源，不会为反应室引入杂质，从而不会对金属铝的纯度产生不良影响。根据本发明的具体实施例，所述反应室外部设有电机、进料系统、原料储仓和中间仓；其中，所述进料系统，用于将氧化铝或含氧化铝的铝土矿与碳质还原剂进行压制成球处理得到球料；所述进料系统依次与原料储仓、中间仓、锁斗阀与所述反应室的进料口连接，用于将球料作为反应室的原料输送到所述反应室中进行反应；所述电机与所述螺旋推进器连接，用于带动所述螺旋推进器以一定转速转动，保证原料随着所述螺旋推进器连续不断地向前推进，由此，该装置采用螺旋推进器形式，实现了连续进出料，降低了操作强度，更有利于工业化的实施。进一步的，所述原料储仓中使用惰性气体（如n2）进行置换所述原料储仓中的空气，确保所述原料储仓中氧气含量＜0.1%；所述锁斗阀可以通过其自身的开启或闭合来分别控制中间仓的球料输送到所述反应室中的通入或断开，由此，实现了控制为反应室供给原料的通入或断开状态。优选的，所述alcl3升华罐与所述反应室的进料口和所述锁斗阀之间的管道连接，用于将所述alcl3升华罐中的气态alcl3经由所述管道通入到所述反应室，使得所述气态alcl3与所述反应室进行碳热反应得到的中间产物进行进一步氯化反应，得到alcl气体。所述原料的加料过程为：将压制成球得到的球料作为原料，通过进料系统送入原料储仓中，使用n2进行置换所述原料储仓中的空气，确保所述原料储仓中氧气含量＜0.1%，所述原料依次通过所述原料储仓、所述中间仓、所述锁斗阀进入到所述反应室中。
根据本发明的具体实施例，所述原料在反应系统中的反应过程为：原料加入反应室中，所述反应室被所述高温烟气加热温度升至1200-1500℃过程中发生碳热反应，得到如al4c3、al4o4c等中间产物；然后，加热alcl3升华罐到80-250℃，使之进行气化处理得到气态alcl3；所述螺旋推进器横向贯穿整个反应室，所述中间产物立即与所述气态alcl3一起随着螺旋推进器不断向前推进，同时，所述中间产物和所述气态alcl3进一步发生氯化反应得到alcl气体和残渣。优选的，所述反应室中原料的反应运行时间为45-120min。所述反应系统中得到的产物进行继续处理的过程为：得到的所述alcl气体在真空泵的作用下排出反应室，进入冷凝系统进行冷却分离得到产物金属铝和alcl3固体，而且，反应过程中生成的co气体在真空泵的作用下与alcl气体一起进入冷凝系统；反应剩下的残渣随着螺旋推进器运动至出渣口排出。进一步的，所述冷凝系统包括金属铝冷凝罐和alcl3冷凝罐，其具体操作过程为：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；所述气态alcl3进入alcl3冷凝罐中进一步进行冷凝处理，得到alcl3固体。优选的，在反应过程中，可以调节旋推进器的转动速度以及alcl3的气化速度，以保证物料到达出料口之前反应完全。由此，实现了三氯化铝与原料接触更充分，碳热反应与氯化反应同时存在于反应器中，一定程度上限制了副反应的发生，提高了还原效率。
发明人发现，本发明提供了一种连续炼铝装置，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；通过采用螺旋推进器形式，实现了连续进出料，降低了操作强度，更有利于工业化的实施；通过采用蓄热式燃烧方式，反应室内温度均匀，可通过喷嘴设置灵活控制各段温度，有利于还原反应的发生；通过将碳热反应与氯化反应同时存在于反应器中，三氯化铝与原料接触更充分，一定程度上限制了副反应的发生，提高了还原效率；通过将金属铝与三氯化铝分别收集，提高了金属铝的收率以及金属铝的纯度。
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，通过进料系统送入原料储仓中，使用n2进行置换，确保储仓中氧气含量＜0.1%。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，开启中间仓下的锁斗阀，将原料送入螺旋推进器反应室内，原料被加热温度升高至1200~1300℃，发生碳热反应。稍后，加热alcl3升华罐至200℃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，与原料碳热反应生成的al4c3、al4o4c等中间产物发生氯化反应，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，控制其内温度在250℃左右，alcl气体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，进入与之相连的alcl3冷凝罐中进一步冷凝得到alcl3固体。反应得到的金属铝纯度＞94%，直收率＞85%。
实施例二
将氧化铝与煤破碎至200目，按1:4的比例配置，混合均匀后，2mpa压力压制成球，通过进料系统送入原料储仓中，使用n2进行置换，确保储仓中氧气含量＜0.1%。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，常温的助燃风与天然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，常温的助燃风经过b侧的蓄热后的蓄热室，被预热至900℃以上后，与常温天然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，开启原料储仓下的锁斗阀，将原料送入螺旋推进器反应室内，原料被加热温度升高至1200~1300℃，发生碳热反应。稍后，加热alcl3升华罐至200℃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，与原料碳热反应生成的al4c3、al4o4c等中间产物发生氯化反应，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，控制其内温度在250℃左右，alcl气体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，进入与之相连的alcl3冷凝罐中进一步冷凝得到alcl3固体。反应得到的金属铝纯度＞90%，直收率＞81%。
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。