一种处理及回收铝电解固体废料的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金环境技术领域，特别涉及一种处理及回收铝电解固体废料的装置。
【背景技术】
[0002]工业中铝是采用冰晶石-氧化铝电解质体系，在950~980°C的温度条件下电解生产，在铝电解生产过程中，产生以下4种固体废料:
1、废阴极炭块。铝电解槽废阴极炭块是指铝电解槽在经过一段时间的电解，出现槽底破损后，从破损的电解槽中取出的槽底阴极炭块和侧部炭块，其中也包括侧部炭块与底部阴极炭块之间的由捣固糊形成的炭块，以及阴极炭块之间的捣固糊在电解温度条件下形成的炭块。在铝电解生产过程中，少部分氟化钠也会被电化学还原为金属钠。在电解槽的整个使用周期内，电解质和金属钠会一直向炭质阴极材料中渗透。因此，在从破损槽刨出的铝电解废阴极炭块一般含有约30%左右的电解质和约10%左右的金属钠。目前我国电解铝厂所使用的电解槽的平均寿命在5年左右，以一个年产100万吨/年的电解铝厂为例，每年所产生的废阴极炭块约在I万吨左右，也就是说电解铝厂每生产100吨电解铝，就要产生I吨的废阴极炭块。
[0003]2、废电解槽耐火材料内衬。废电解槽耐火材料内衬是电解质在电解过程中通过阴极炭块的孔隙和阴极底块的裂缝以及阴极底块与底块之间的捣固糊所形成的裂缝渗入到炭阴极底块下部的耐火材料中，并与耐火材料反应而形成的。因此，废电解槽耐火材料内衬主要由电解质、电解质与耐火材料反应生成的化合物，以及未反应的耐火材料组成，其中电解质与耐火材料反应生成的化合物主要为由Na20，Al2O3和S12B成的化合物。在铝电解槽废耐火材料内衬中，还包括一种由氮化硅结合的碳化硅耐火材料内衬，这种由氮化硅结合的碳化硅耐火材料内衬，只应用在大型电解槽的侧部。
[0004]3、阳极炭渣。冰晶石-氧化铝电解质体系的阳极使用煅烧后的石油焦破碎成不同的粒级与煤沥青混合、混捏成型，再经焙烧后制成。在铝电解的生产过程，炭阳极不断消耗，理论上每电解生产一吨金属铝需要消耗0.334吨炭阳极，而实际上每生产一吨金属铝，炭阳极消耗在0.4吨以上，即实际炭阳极消耗要比理论炭阳极消耗多70kg/t-Al左右，有的高达100 kg/t-Al以上，这多消耗的70?100 kg/t-Al主要是空气和电解槽中的CO2对炭阳极进行氧化而损失掉，还有相当大的一部分消耗是电解过程中部分炭从阳极上脱落进入电解槽中成为炭渣。这种炭渣有细粉状和颗粒状，混熔于或悬浮于电解质中不仅会影响铝电解质的物理化学性能，如电导率、粘度等，还对电解槽的工作状态和电解槽的电流效率造成影响。因而需要电解工人定期将这些炭渣从电解槽中捞出，而捞出的炭渣中又粘附了大量的电解质，比例约占70%，电解铝厂将这种炭渣弃之不用，也有的将大块的含电解质成分过高的炭渣炭块破碎后，返回到电解槽中，而细小的炭渣仍被弃掉，进而造成炭和电解质的损耗并对环境造成污染。通常工业电解槽中每生产I吨铝约产生3?5kg炭渣，一个年产50万吨金属铝的电解铝厂，一年的炭渣量约为1500?2000吨。
[0005]4、铝灰。通常将从电解铝铸造车间的铝混合炉中扒出的铝渣，和铝锭(棒或板)铸造过程中打下来的渣，以及出铝抬包内衬粘附的渣料统称为铝渣。铝渣的主要成分为铝氧化后形成的粉状氧化铝以及粉状氧化铝所包覆的少量团聚状金属铝。铝渣经球磨后筛分，可筛出团聚状的金属铝，筛下的粉体被称为铝灰。铝灰由细小的颗粒状的金属铝和氧化铝组成，其中也不可避免地会有微量的电解质氟化物存在。目前无论是电解铝厂还是铝渣回收小作坊，都将这部分“铝灰”作为垃圾弃之，对环境造成较大影响。
[0006]除了上述4种铝电解生产产生的固体废料外，由电解槽底部破损漏铝熔化阴极钢棒而产生的Al-Fe合金，虽然原则上并不属于固体废料，但由于其量不大，合金成分又不固定，因而常被电解铝厂当作垃圾随同电解槽的内衬丢弃。
[0007]目前，尚无一个技术上和经济上都可行的方法将铝电解固体废料进行有效处理及回收。但是探索处理和回收铝电解槽生产产生的固体废料的方法，将其变废为宝一直是人们的愿望和研究课题。这其中，备受人们关注和研究最多的是铝电解槽废阴极炭块和阳极炭渣的处理和回收利用，这是因为废阴极炭块和阳极炭渣中的炭、电解质组分和炭的化合物组分均是具有非常大的回收价值的组分，且量大，如果弃之，不仅其中的有价组分得不到回收利用，而且其中的氟化物组分对环境会造成很大的影响。相对而言，对电解槽的废耐火材料内衬的回收利用则研究的不多。早在上世纪50年代，人们就开始研究如何处理和回收利用铝电解槽生产产生的废阴极炭块和炭渣，这些方法不外乎三种是作为其它化工生产过程中的添加剂，如将废阴极炭块磨成粉作为水泥生产的添加剂，但这部分用量很少，因为用的太多，其废阴极炭块中的氟化物会影响水泥的质量，因此并不被水泥厂家所欢迎；2是作为燃料，但是作为燃料也存在着二次污染问题；3是回收其中的电解质，这其中研究最多的是采用浮选的方法将阳极炭渣和废阴极炭块中的炭和电解质组分分离，但直到现在为止，这一方法尚未成功地应用在工业上，因为采用浮选法不能完全地将电解质从废阴极炭块中分离出来，且浮选过程产生的废水也容易造成二次污染。1958年，US2858198的专利中提出了一种采用蒸馏法分离铝电解槽废阴极炭块中电解质组分的方法，但这种方法所采用的装置为塔式结构，加热方法为外加热，大概由于装置复杂、操作困难、能耗较高等原因直到现在也未能在工业上得到应用。
【发明内容】
[0008]针对上述问题，本发明提供一种处理及回收铝电解固体废料的装置，利用铝电解槽废阴极炭块固体碎块的导电性质制成以废阴极炭块碎块作为电阻发热体的高温真空电阻炉；利用废阴极炭块碎块的电阻热产生高温，使废阴极炭块的碎块状料在真空条件下被加热到1000-1400 0C，使废阴极炭块碎块中的电解质成分蒸发出来凝结在电解质结晶室中，废阴极碳块碎块中的碱金属(Na或Na-K合金)蒸发出来凝结到碱金属结晶室中的碱金属结晶器上，同时利用这种被加热的废阴极炭块碎块的高温热量将与电阻发热体相邻的副料室内的阳极炭渣物料或废电解槽耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金的磨细料混合制成的压团料加热到900-1200°C，使阳极炭渣或废耐火材料中的电解质组分蒸发出来，凝结在电解质结晶室中，使电解槽废耐火材料内衬磨粉料与铝灰或Al-Fe合金的磨细料混合制成的压团料在高温真空条件下反应生成的碱金属(钠或钠钾合金等)被蒸发出来后凝结到碱金属结晶室中的碱金属结晶器上。
[0009]本发明的处理及回收铝电解固体废料的装置包括炉壳、炉盖、炉内衬、炉壁耐火材料墙体、炉底耐火材料衬体、电阻发热体、炉内中部的耐火材料墙体、碱金属结晶器、隔热盖板、金属罩、电极以及副料室、电解质结晶室和喊金属结晶室；
所述的炉壳为一个箱式金属壳体，由钢制金属材料制成；炉壳的顶部外沿具有法兰结构，法兰结构之下的一段炉壳的外壁设有冷却水套，法兰结构下部的炉壳上焊有真空抽气管；炉壳顶部法兰结构下沿处还焊有可以向炉内充入氩气或其它惰性气体的充气管和显示炉内压力和真空情况的真空压力表；
所述的炉盖用钢质金属材料制成，炉壳上沿的法兰结构与炉盖之间设有真空垫圈；所述的炉内衬由炉侧部内衬和炉底内衬组成，炉侧部内衬的内壁为耐火材料制成的墙体，称为炉壁耐火材料墙体，炉底内衬的内层为由耐火材料制成的衬体，称为炉底耐火材料衬体，炉壁耐火材料墙体与侧壁炉壳之间是由保温材料制成的衬体，称为炉壁保温材料衬体；炉底耐火材料衬体与炉底炉壳之间为由保温材料制成的衬体，称为炉底保温材料衬体；
所述的炉壁耐火材料墙体高于炉壁保温材料衬体，炉壁耐火材料墙体的顶部有槽型开口，通过此槽型开口使电解质结晶室与碱金属结晶室连通；
所述的炉内中部的耐火材料墙体是坐落在炉底耐火材料衬体之上的，与炉底耐火材料衬体垂直的，且紧靠电阻发热体的内侧面垂直向上的墙体；炉内中部耐火材料墙体的高度等于或低于炉壁耐火材料墙体的高度，当炉内中部耐火材料墙体的高度等于炉壁耐火材料墙体的高度时，炉内中部耐火材料墙体的顶部设有槽型开口，通过此槽型开口将副料室上部的电解质结晶室与电阻发热体上面的电解质结晶室连通；
所述的隔热盖板用耐火材料制作，位于炉壁耐火材料墙体的顶部；隔热盖板的外沿大于炉壁耐火材料墙体的外沿；
所述的金属罩为一个有底无盖的长方形桶，反扣在隔热板上，并使金属罩的桶壁插入到碱金属结晶器内；金属罩之上，炉盖之下设置有保温板；
所述的碱金属结晶器由不锈钢板制成，碱金属结晶器外壁紧贴带有冷却水套的炉壳的内壁，碱金属结晶器的下部为一沟槽型设计；碱金属结晶器