一种铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置的制作方法

本实用新型属于冶金及环保技术领域，特别涉及一种铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置。

背景技术：

在铝电解生产过程中产生阳极炭渣固体废料，这种废料主要含有冰晶石电解质组分和阳极脱落的碳质组分，在铝电解槽大修过程中产生碳质固体废料和非碳质固体废料；碳质固体废料包括废阴极炭块、废边部槽内衬的碳质炭块和阴极炭块之间的捣固糊所形成的碳质固体废料；碳质固体废料中含有电解槽电解过程中渗入的电解质组分和碱金属钠钾等以及少量的有毒氰化物；非碳质固体废料包括渗有电解质组分的槽内衬耐火材料，包括渗有电解质组分的氮化硅结合的碳化硅耐火材料；除此之外，在原铝铸造和铝材加工过程中，还产生较多的以氧化铝、氮化铝、金属铝为主要成份的固体废料，这些固体废料如果不加处理弃置或填埋会对环境产生很大的污染。

对上述固体废料的分离回收或无害化处理一直是铝冶金和环保工作者研究的课题，并发明了很多方法，这些方法和技术汇总在欧耶教授所撰写的《铝电解槽阴极》一书中，书中的方法虽然很多，但都有缺陷，目前尚未能找到一个能彻底地完全分离和回收这些固体废料的方法；最近，专利CN105088274A、CN104894601A、CN105603216A、CN106643120A等发明了几种不同形式的电阻炉在真空条件下分离和回收铝工业固体废料和石油焦脱硫的方法和装置；然而这些方法和装置也有不足之处：电阻炉采用圆形炉体，虽然可使炉体受力均匀，但电阻发热体与电阻发热体之间的空间受到限制，之间绝缘性能也比较差；此外，其产能也受到限制，炉体在停电结束后，中心温度不易散发出来，降温速度慢，导致生产周期较长。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置，采用方形炉体结构，将碳质固体废料的碎块料或石油焦作为电阻发热体装置内竖立，使电阻发热体沿装置轴向成一排或两排，并通过石墨导电体串联，保证相邻电阻发热体的绝缘性能，分离/脱硫完成后散热速度快，提高产能缩短生产周期。

本实用新型的一种铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置包括炉壳(1)、炉盖(2)、炉内衬(3)、炉内砌体(4)、石墨电极(6)和石墨导电体(7)；炉壳(1)的内壁设置炉内衬(3)，炉内衬(3)内部设置多个炉内砌体(4)，各炉内砌体(4)的底端与底部的炉内衬(3)连接，各炉内砌体(4)与水平面垂直；其中位于外部的炉内砌体(4)覆盖在侧部的炉内衬(3)的内表面，位于内部的炉内砌体(4)的两端与位于外部的炉内砌体(4) 连接；每个位于内部的炉内砌体(4)上设有若干个条形通孔(11)，条形通孔(11)将每个位于内部的炉内砌体(4)的两个侧面连通；多个位于内部的炉内砌体(4)围成2N个电阻发热体腔和若干个空腔(10)，相邻两个电阻发热体腔之间有一个空腔(10)，电阻发热体腔与外部的炉内砌体(4)之间也设有空腔(10)；电阻发热体腔用于放置电阻发热体(9)，并且相邻两个电阻发热体(9)的顶面或底面同时连接一个石墨导电体(7)，通过2N-1个石墨导电体(7)将2N个电阻发热体(9)串联；其中连接相邻两个电阻发热体(9)顶面的石墨导电体(7)位于炉内砌体(4)的上方，连接相邻两个电阻发热体(9)底面的石墨导电体(7) 穿过炉内砌体(4)并且位于底部炉内衬(3)的上方；在2N个电阻发热体(9)串联的条件下，第一个和最后一个电阻发热体(9)的底部分别连接一个石墨电极(6)；炉壳(1)上方设有炉盖(2)，炉盖(2)内部为封闭的空腔，空腔中填充有轻质耐火保温材料(5)；位于外部的炉内砌体(4)高度高于位于内部的炉内砌体(4)；位于外部的炉内砌体(4)、炉盖(2) 和内部的炉内砌体(4)围成的空间作为炉内上部空间(12)，位于外部的炉内砌体(4)的上部设有真空抽气出口(13)，真空抽气出口(13)内部与炉内上部空间(12)连通，真空抽气出口(13)外部用于连接碱金属/单质硫集收器以及真空泵；其中N为大于等于1的自然数。

上述装置中，炉盖(2)和炉壳(1)通过法兰连接，法兰之间设有真空垫圈(8)；炉壳 (1)外壁的顶部法兰下方设有外冷却水腔(18)。

上述装置中，每个石墨电极(6)内设置有铜电极(14)，铜电极(14)内部设有电极冷却水腔(15)，铜电极(14)通过密封圈(16)和密封装置(17)固定在炉壳(1)上；两个铜电极(14)分别连接电源的两极使电阻发热体(9)、石墨导电体(7)、石墨电极(6)、铜电极(14)和电源构成导电回路。

上述装置中，炉内衬(3)由耐火保温材料砌筑构成。

上述装置中，条形通孔(11)的宽度为3～6cm，其长度方向与水平面垂直。

上述装置中，电阻发热体腔为水平截面正方形的井式腔体；空腔(10)为水平截面矩形的井式腔体；各井式腔体轴线与水平面垂直。

上述装置中，电阻发热体(9)为铝电解碳质固体废料的碎块料，或者为煅后的石油焦；电阻发热体(9)为长方体结构，其轴向与水平面垂直。

上述装置中，炉壳(1)的侧部设置有测温装置(19)。

上述装置中，2N个电阻发热体腔沿炉壳(1)的长度方向排列成一排或两排；当排列成一排时，两个石墨电极(6)分别位于炉壳(1)长度方向的两端；当排列成两排时，两个石墨电极(6)位于炉壳(1)长度方向的同一端。

上述装置中，当2N个电阻发热体沿炉壳的长度方向排列称一排时，装置称为单排装置；当两个以上的单排装置同时工作时，将相邻两个单排装置的一端的两个铜电极用导电母线 (20)串联，第一个和最后一个单排装置的铜电极分别与电源的两极连接，使两个以上的单排装置串联工作。

本实用新型的一种铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置的使用方法之一包括以下步骤：

1、准备铝电解碳质固体废料的碎块料；

2、将铝电解碳质固体废料的碎块料置于电阻发热体腔内，制成电阻发热体；

3、将若干石墨导电体放在相邻两个电阻发热体的顶面，与电阻发热体底部的石墨导电体共同将各电阻发热体串联；

4、在炉壳上盖炉盖，向电极冷却水腔和外冷却水腔内通入冷却水，开启真空泵，通过真空抽气出口抽真空，使装置内部的真空度<1Pa；

5、通过电源对两个铜电极通入直流电，对电阻发热体进行通电加热，使铝电解碳质固体废料的碎块料的温度升高至1100～1500℃，使氟化物电解质组分以及金属组分被蒸馏分离出来；氟化物电解质组分因具有较高的初晶温度，在炉内上部空间和井式空腔内凝结；金属组分经真空抽气出口进入碱金属集收器后凝结；所述的金属组分为金属钠或钠钾合金；

6、电阻发热体中的氟化物电解质组分和金属组分全部被分离后，停止通入直流电；通过碱金属集收器上设置的氩气充气口向装置内部充入氩气至常压，待装置内部的温度降至常温后，开启炉盖将电阻发热体腔内的剩余物料、炉内上部空间凝结的物料和井式空腔内凝结的物料取出。

上述方法中，电阻发热体中的氰化物NaCN与Na3AlF6和金属钠反应生成AlN，其反应方程式为：

1.5Na3AlF6+1.5NaCN+3Na＝1.5AlN+9NaF+1.5C。

上述方法中，电阻发热体腔内的剩余物料为无毒、无氟化物电解质和无碱金属的碳质物料。

本实用新型的一种铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置的使用方法之二包括以下步骤：

1、将电解槽碳质固体废料破碎成碎块料，置于电阻发热体腔内，制成电阻发热体；

2、将电解槽非碳质固体废料中的耐火材料类固体废料破碎并磨细成粉，然后加入粘结剂压制成球团，或与铝灰混合后加入粘结剂压制成球团；将球团烘干后置于电阻发热体腔之间的空腔内；

3、将若干石墨导电体放在相邻两个电阻发热体的顶面，与电阻发热体底部的石墨导电体共同将各电阻发热体串联；

4、在炉壳上盖炉盖，向电极冷却水腔和外冷却水腔内通入冷却水，开启真空泵，通过真空抽气出口抽真空，使装置内部的真空度<1Pa；

5、通过电源对两个铜电极通入直流电，对电阻发热体进行通电加热，使铝电解碳质固体废料的碎块料的温度升高至1300～1500℃，电阻发热体中的氟化物电解质组分和金属组分被蒸馏分离出来，球团中的氟化物电解质组分被蒸馏分离出来；当球团中含有铝灰时，铝灰中的金属铝将球团中的碱金属氧化物的碱金属还原蒸发出来；氟化物电解质组分因具有较高的初晶温度，在炉内上部空间以及井式空腔内凝结；其他被蒸馏分离的碱金属经真空抽气出口进入碱金属集收器后凝结；所述的金属组分为金属钠和/或钠钾合金；

6、电阻发热体中的氟化物电解质组分和金属组分，以及球团中的氟化物电解质组分和金属组分全部被分离后，停止通入直流电，通过碱金属集收器上设置的氩气充气口向装置内部充入氩气至常压，待装置内部的温度降至常温后，开启炉盖将电阻发热体腔内的剩余物料、井式空腔内的剩余物料和炉内上部空间凝结的物料取出。

上述方法中，电阻发热体中的氰化物NaCN与Na3AlF6和金属钠反应生成AlN，其反应方程式为：

1.5Na3AlF6+1.5NaCN+3Na＝1.5AlN+9NaF+1.5C。

上述方法中，电阻发热体腔内的剩余物料为无毒、无氟化物电解质和无碱金属的碳质物料，电阻发热体空腔之间的井式空腔内的剩余物料为五氟化物电解质的固体废料，或者为无氟化物无碱金属氧化物的固定物料。

本实用新型的一种铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置的使用方法之三包括以下步骤：

1、将电解槽碳质固体废料破碎成碎块料，置于电阻发热体腔内，制成电阻发热体；

2、将阳极炭渣磨细成粉，再与有机粘结剂混匀后压制成球团料；将球团料在500～600 ℃烧结，制成由炭和电解质组分组成的烧结球团；将烧结球团置于电阻发热体腔和外部的炉内砌体之间的井式空腔内；

3、将若干石墨导电体放在相邻两个电阻发热体的顶面，与电阻发热体底部的石墨导电体共同将各电阻发热体串联；

4、在炉壳上盖炉盖，向电极冷却水腔和外冷却水腔内通入冷却水，开启真空泵，通过真空抽气出口抽真空，使装置内部的真空度<1Pa；

5、通过电源对两个铜电极通入直流电，对电阻发热体进行通电加热，使铝电解碳质固体废料的碎块料的温度升高至1300～1500℃，电阻发热体中的氟化物电解质组分和金属组分被蒸馏分离出来，烧结球团中的氟化物电解质组分被蒸馏分离出来；氟化物电解质组分因具有较高的初晶温度，在炉内上部空间以及井式空腔内凝结；金属组分经真空抽气出口进入碱金属集收器后凝结；所述的金属组分为金属钠和/或钠钾合金；

6、电阻发热体中的氟化物电解质组分和金属组分全部被分离后，停止通入直流电，通过碱金属集收器上设置的氩气充气口向装置内部充入氩气至常压，待装置内部的温度降至常温后，开启炉盖将电阻发热体腔内的剩余物料、井式空腔内的剩余物料和炉内上部空间凝结的物料取出。

上述方法中，电阻发热体中的氰化物NaCN与Na3AlF6和金属钠反应生成AlN，其反应方程式为：

1.5Na3AlF6+1.5NaCN+3Na＝1.5AlN+9NaF+1.5C。

上述方法中，电阻发热体腔内的剩余物料为无毒、无氟化物电解质和无碱金属的碳质物料，电阻发热体腔和外部的炉内砌体之间的井式空腔的物料为纯炭质物料。

本实用新型的一种铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置的使用方法之四包括以下步骤：

1、将煅后石油焦破碎至粒径3cm以下，填充到电阻发热体腔内，制成电阻发热体；

2、将若干石墨导电体放在相邻两个电阻发热体的顶面，与电阻发热体底部的石墨导电体共同将各电阻发热体串联；

3、在炉壳上盖炉盖，向电极冷却水腔和外冷却水腔内通入冷却水，开启真空泵，通过真空抽气出口抽真空，使装置内部的真空度<1Pa；

4、通过电源对两个铜电极通入直流电，对电阻发热体进行通电加热，使电阻发热体的温度升高至1600～1800℃，电阻发热体中的硫被蒸馏分离出来，经真空抽气出口进入单质硫集收器凝结成液态了硫；

5、电阻发热体中的硫全部被分离后，停止通入直流电，通过单质硫集收器上设置的氩气充气口向装置内部充入氩气至常压，待装置内部的温度降至常温后，开启炉盖将电阻发热体腔内的剩余物料取出，此剩余物料为无硫的石油焦。

本实用新型的装置及方法使电阻发热体在装置内竖立排列，通过石墨导电体串联，保证了相邻电阻发热体的绝缘性能，电阻发热体中的部分物料在真空和加热状态下被蒸馏出去，实现真空蒸馏分离，完成分离后剩余物料散热速度快，提高了产能，缩短了生产周期。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中的铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置剖面结构俯视示意图；

图2为图1的A-A面剖图；

图3为图1的B-B面剖图

图4为本实用新型实施例2中的铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置剖面结构俯视示意图；

图5为本实用新型实施例3中的铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置剖面结构俯视示意图；

图6为图5的H-H面剖图；

图7为图5的D-D面剖图；

图8为图5的E-E面剖图；

图中，1、炉壳，2、炉盖，3、炉内衬，4、炉内砌体，5、轻质耐火保温材料，6、石墨电极，7、石墨导电体，8、真空垫圈，9、电阻发热体，10、空腔，11、条形通孔，12、炉内上部空间，13、真空抽气出口，14、铜电极，15、电极冷却水腔，16、密封圈，17、密封装置，18、外冷却水腔，19、测温装置，20、导电母线。

具体实施方式

本实用新型实施例中采用的碱金属/单质硫集收器为公开号CN105603216B的专利所记载的液体低熔点物质集收器。

本实用新型实施例中使用的煅后石油焦为经回转窑煅烧后的煅后石油焦。

本实用新型实施例中炉内砌体材质为碳氮化硅。

实施例1

铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置剖面结构如图1所示，A-A面如图2 所示，B-B面如图3所示，包括炉壳(1)、炉盖(2)、炉内衬(3)、炉内砌体(4)、石墨电极(6)和石墨导电体(7)；炉壳(1)的内壁设置炉内衬(3)，炉内衬(3)内部设置多个炉内砌体(4)，各炉内砌体(4)的底端与底部的炉内衬(3)连接，各炉内砌体(4)与水平面垂直；其中位于外部的炉内砌体(4)覆盖在侧部的炉内衬(3)的内表面，位于内部的炉内砌体(4)的两端与位于外部的炉内砌体(4)连接；每个位于内部的炉内砌体(4)上设有若干个条形通孔(11)，条形通孔(11)将每个位于内部的炉内砌体(4)的两个侧面连通；多个位于内部的炉内砌体(4)围成2×3＝6个电阻发热体腔和若干个空腔(10)，相邻两个电阻发热体腔之间有一个空腔(10)，电阻发热体腔与外部的炉内砌体(4)之间也设有空腔(10)；电阻发热体腔用于放置电阻发热体(9)，并且相邻两个电阻发热体(9)的顶面或底面同时连接一个石墨导电体(7)，通过5个石墨导电体(7)将6个电阻发热体(9)串联；

连接相邻两个电阻发热体(9)顶面的石墨导电体(7)位于炉内砌体(4)的上方，连接相邻两个电阻发热体(9)底面的石墨导电体(7)穿过炉内砌体(4)并且位于底部炉内衬 (3)的上方；在2N个电阻发热体(9)串联的条件下，第一个和最后一个电阻发热体(9) 的底部分别连接一个石墨电极(6)；

炉壳(1)上方设有炉盖(2)，炉盖(2)内部为封闭的空腔，空腔中填充有轻质耐火保温材料(5)；位于外部的炉内砌体(4)高度高于位于内部的炉内砌体(4)；位于外部的炉内砌体(4)、炉盖(2)和内部的炉内砌体(4)围成的空间作为炉内上部空间(12)；位于外部的炉内砌体(4)的上部设有真空抽气出口(13)，真空抽气出口(13)内部与炉内上部空间 (12)连通，真空抽气出口(13)外部用于连接碱金属/单质硫集收器以及真空泵；其中N为大于等于1的自然数；

炉盖(2)和炉壳(1)通过法兰连接，法兰之间设有真空垫圈(8)；炉壳(1)外壁的顶部法兰下方设有外冷却水腔(18)

每个石墨电极(6)内设置有铜电极(14)，铜电极(14)内部设有电极冷却水腔(15)，铜电极(14)外部通过密封圈(16)和密封装置(17)固定在炉壳(1)上；两个铜电极(14) 分别连接电源的两极使电阻发热体(9)、石墨导电体(7)、石墨电极(6)、铜电极(14)和电源构成导电回路。

炉内衬(3)由耐火保温材料砌筑构成；

条形通孔(11)的宽度为3～6cm，其长度方向与水平面垂直；

电阻发热体腔为水平截面正方形的井式腔体；空腔(10)为水平截面矩形的井式腔体；各井式腔体轴线与水平面垂直；

电阻发热体(9)为为铝电解碳质固体废料的碎块料，或者为煅后的石油焦；电阻发热体(9)为长方体结构，其轴向与水平面垂直；

炉壳(1)的侧部设置有测温装置(19)；

2N个电阻发热体腔沿炉壳(1)的长度方向排列成一排，两个石墨电极(6)分别位于炉壳(1)长度方向的两端。

实施例2

铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置剖面结构如图4所示，装置为两个同实施例1中的装置同时工作；两个单排装置的同一端的两个铜电极用导电母线(20)串联，两个单排装置的另外一个铜电极分别与电源的两极连接，使两个以上的单排装置串联工作。

实施例3

铝电解固体废料分离回收和石油焦高温脱硫的装置剖面结构如图5所示，H-H面如图6 所示，D-D面如图7所示，E-E面如图8所示，2×6＝12个电阻发热体腔沿炉壳(1)的长度方向排列成两排；通过11个石墨导电体将12个电阻发热体串联；两个石墨电极(6)位于炉壳(1)长度方向的同一端。