[发明专利]一种制备金属铝的装置

权利要求书

1.一种制备金属铝的装置，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；

所述冷凝系统包括金属铝冷凝罐和AlCl₃冷凝罐，用于将产物金属铝与产物三氯化铝分别收集，其中，所述金属铝冷凝罐与所述反应室连通，所述AlCl₃冷凝罐与所述金属铝冷凝罐连接；

所述真空系统与所述冷凝系统的AlCl₃冷凝罐相接，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。

2.如权利要求1所述的一种制备金属铝的装置，其特征在于，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。

3.如权利要求2所述的一种制备金属铝的装置，其特征在于，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。

4.如权利要求3所述的一种制备金属铝的装置，其特征在于，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。

5.如权利要求1所述的一种制备金属铝的装置，其特征在于，所述燃烧室上布置有一对或多对烧嘴，所述烧嘴与燃烧室内腔圆周呈切线布置，并与所述蓄热室连接。

6.如权利要求3所述的一种制备金属铝的装置，其特征在于，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。

7.如权利要求1所述的一种制备金属铝的装置，其特征在于，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。

8.如权利要求1所述的一种制备金属铝的装置，其特征在于，所述反应室为圆柱形坩埚，所述原料置于所述反应室内；所述原料为含氧化铝的铝土矿与碳质还原剂，其中原料中氧化铝与碳质还原剂的比例为1:（3-5），所述碳质还原剂为石墨、煤、兰炭或生物质炭。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的一种制备金属铝的装置的炼铝方法，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；

（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，得到金属铝和AlCl₃固体。

10.如权利要求9所述的炼铝方法，其特征在于，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，所述高温烟气加热反应室、再经由蓄热室回收热量后降温至250℃左右，所述一个燃烧周期的时间为180s；

步骤（2）中的所述反应室升温至1200-1500℃过程中，发生碳热反应，保温时间为30-90min；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；所述气态AlCl₃进入AlCl₃冷凝罐中进一步进行冷凝处理，得到AlCl₃固体。