一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置的製作方法

2023-05-15 08:12:26 1

本發明屬於製備金屬鋁的裝置領域，尤其涉及一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置及系統。

背景技術：

目前，金屬鋁的工業生產方法主要採用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，以氧化鋁作溶質、冰晶石作溶劑、炭素材料作電極，通入電流，進行電解而得到原鋁。但是，該電解法生產鋁存在以下缺陷：製備過程中需要消耗大量的昂貴原料，導致電解鋁的成本較其它金屬高；鋁電解過程中不僅會排放大量溫室氣體，還會產生大量含氟煙氣，陽極糊燒結產生的瀝青也會揮發，對周圍環境及人體健康造成損害；該電解法每生產噸鋁約耗電13000-15000千瓦•時，成本高。最近數十年，煉鋁新方法主要有常壓碳熱還原法、真空碳熱還原法（包括直接碳熱還原法、真空碳熱還原-硫化法以及真空碳熱還原-滷化法）、離子液體電沉積法等。但是，上述煉鋁新方法生產鋁存在以下缺陷：常壓碳熱還原法還原溫度高達2000℃以上，需要在高溫的條件下進行，能耗非常高；離子液體電沉積法採用的原料成本高；直接碳熱還原法得到的產物在高溫下相互熔解，難以與渣相分離，幾乎得不到金屬鋁，造成產率低下。因此，如何設計出一種能耗低、金屬鋁的收率和純度高、連續進料的煉鋁裝置，成為目前急需解決的難題。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的上述難題，本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，採用蓄熱式燃氣加熱裝置，能夠取代現有技術中的電爐來進行真空碳熱還原製備金屬鋁，降低反應過程所消耗的能耗，進而降低真空碳熱還原製備金屬鋁的成本，為工業化的可能性更進一步；利用高溫煙氣經蓄熱室回收熱量後的煙氣餘熱，加熱alcl3升華罐並維持溫度，綜合利用高溫煙氣餘熱，提高能源利用率；利用反應系統產物通入到冷凝系統中利用產物的餘熱來加熱助燃風，預熱後的助燃風經由蓄熱室進入到燃燒室進行燃燒，同時，反應系統的產物經由冷凝系統中的常溫助燃風作為冷卻介質進行冷卻處理，吸收產物的熱量，有利於綜合利用反應系統產物的餘熱；通過將金屬鋁與三氯化鋁分別收集，提高了金屬鋁的收率以及金屬鋁的純度；通過採用蓄熱式燃燒方式，環狀加熱，反應室內溫度均勻，有利於還原反應的發生。

本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，其特徵在於，包括燃燒系統、反應系統、冷凝系統和真空系統，其中，所述燃燒系統包括燃燒室和蓄熱室，並與所述反應系統連接，經冷凝系統預熱後的助燃風通過蓄熱室預熱後進入燃燒室進行燃燒，為反應提供熱量，同時，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後再經蓄熱室回收熱量後加熱alcl3升華罐並維持其溫度，實現了高效利用燃燒餘熱；所述反應系統包括反應室和alcl3升華罐，所述反應室的周圍環繞布置有所述燃燒室；所述alcl3升華罐與所述蓄熱室的煙氣出口連接，用於將燃燒產生的高溫煙氣經蓄熱室進行蓄熱處理後，通入到所述alcl3升華罐中進行加熱處理；所述冷凝系統的產物入口與所述反應系統相接，用於將所述反應系統生成的產物冷卻；所述冷凝系統的冷卻介質出口與所述蓄熱室的氣體入口相接，用於將助燃風作為冷卻介質進行預熱，經蓄熱室進入燃燒室進行燃燒；所述真空系統與所述冷凝系統相接，用於使所述反應系統及冷凝系統處於真空狀態，反應在真空條件下發生。

發明人發現，本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，採用蓄熱式燃氣加熱裝置，能夠取代現有技術中的電爐來進行真空碳熱還原製備金屬鋁，降低反應過程所消耗的能耗，進而降低真空碳熱還原製備金屬鋁的成本，為工業化的可能性更進一步；利用高溫煙氣經蓄熱室回收熱量後的煙氣餘熱，加熱alcl3升華罐並維持溫度，綜合利用高溫煙氣餘熱，提高能源利用率；利用反應系統產物通入到冷凝系統中利用產物的餘熱來加熱助燃風，預熱後的助燃風經由蓄熱室進入到燃燒室進行燃燒，同時，反應系統的產物經由冷凝系統中的常溫助燃風作為冷卻介質進行冷卻處理，吸收產物的熱量，有利於綜合利用反應系統產物的餘熱；通過將金屬鋁與三氯化鋁分別收集，提高了金屬鋁的收率以及金屬鋁的純度；通過採用蓄熱式燃燒方式，環狀加熱，反應室內溫度均勻，有利於還原反應的發生。

根據本發明的具體實施例，所述冷凝系統包括金屬鋁冷凝罐和alcl3冷凝罐，用於將反應產物金屬鋁與三氯化鋁分別進行收集，其中，所述金屬鋁冷凝罐與所述反應室的出氣口連接，所述alcl3冷凝罐分別與所述金屬鋁冷凝罐和所述真空系統連接。

根據本發明的具體實施例，所述金屬鋁冷凝罐和所述alcl3冷凝罐均採用夾套冷卻方式；其中，所述alcl3冷凝罐的冷卻介質出口與所述金屬鋁冷凝罐的冷卻介質入口連接，用於將冷卻介質先通入所述alcl3冷凝罐的冷卻通道進行冷卻處理、然後排放到所述金屬鋁冷凝罐的冷卻通道進行冷卻處理得到預熱的冷卻介質；所述金屬鋁冷凝罐的冷卻介質出口和所述蓄熱室的氣體入口連接，用於將預熱後的冷卻介質通入到蓄熱室後進入燃燒室進行燃燒，實現了高效利用所述冷凝系統中產物的餘熱。

根據本發明的具體實施例，所述冷卻介質為助燃風。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統為蓄熱式燃燒系統，採用單蓄熱或者雙蓄熱的燃燒方式；所述燃燒系統還包括助燃風管道、燃氣管道和煙氣管道，所述蓄熱室的氣體入口分別與所述助燃風管道和/或者燃氣管道連接，所述蓄熱室的煙氣出口與所述煙氣管道連接，所述蓄熱室的煙氣入口與所述燃燒室連接。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統還包括燃氣三通換向閥和/或助燃風三通換向閥，其中，所述燃氣三通換向閥分別與燃氣管道、煙氣管道和蓄熱室連接，所述助燃風三通換向閥分別與助燃風管道、煙氣管道和蓄熱室連接。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒室布置一對或多對燒嘴，並與所述蓄熱室連接；所述反應室下部設有分布器，用於將alcl3升華罐中生成的氣態alcl3進行均勻分布後進入所述反應室發生氯化反應。

根據本發明的具體實施例，所述alcl3升華罐採用夾套加熱式，所述alcl3升華罐的煙氣入口與所述蓄熱室的煙氣出口連接，用於將蓄熱室進行蓄熱處理後的煙氣通入到所述alcl3升華罐的加熱通道進行加熱處理排出。

同時，本發明還提供了一種利用上述的一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置的煉鋁方法，包括以下步驟：

（1）準備過程：將原料放入反應室中，將alcl3粉末置於alcl3升華罐中；打開真空系統，降低系統壓力；開啟燃燒系統，引入預熱後/常溫的助燃風和常溫的燃氣通過蓄熱室預熱後進入燃燒室進行燃燒，或者引入預熱後/常溫的助燃風通過蓄熱室預熱後和直接引入常溫的燃氣進入燃燒室進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室；

（2）製備過程：反應室升溫完成後，原料充分進行碳熱反應，得到中間產物；然後，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後再經蓄熱室回收熱量後通入alcl3升華罐進行加熱並維持溫度，使alcl3粉末進行氣化處理得到氣態alcl3，所述氣態alcl3進入反應室中與所述中間產物進一步發生氯化反應得到alcl氣體；在真空系統的作用下，所述alcl氣體進入冷凝系統進行冷凝處理得到金屬鋁和alcl3固體，同時所述冷凝系統採用助燃風作為冷卻介質進行冷卻處理後得到預熱後的助燃風經由蓄熱室進入燃燒室進行燃燒。

根據本發明的具體實施例，步驟（1）中的所述原料為氧化鋁或含氧化鋁的鋁土礦與碳質還原劑進行壓球處理製得的，其中，所述原料中氧化鋁與碳質還原劑的質量比例為1:3-5，所述碳質還原劑為固定碳含量＞50%的含碳原料；所述系統壓力被降低為30pa左右；所述燃燒系統為蓄熱式燃燒系統，包括a側燃燒系統和b側燃燒系統，其具體操作過程是：使用a側燃燒系統進行燃燒過程，預熱後/常溫的助燃風和常溫的燃氣進入燃燒室進行燃燒，產生的高溫煙氣加熱所述反應室後經b側燃燒系統的蓄熱室回收熱量後排出，完成蓄熱過程；完成一個燃燒周期後，b側燃燒系統進行燃燒過程，預熱後/常溫的助燃風進入蓄熱室中進行預熱，同時常溫的燃氣進入蓄熱室中進行預熱或者不經過蓄熱室預熱過程，兩者進入燃燒室進行燃燒，產生的高溫煙氣加熱所述反應室後經a側燃燒系統的蓄熱室回收熱量後排出，完成蓄熱過程；如此重複、交替進行燃燒、蓄熱、放熱過程，保證持續、穩定加熱反應室，實現了高效利用燃燒餘熱；其中，所述預熱後/常溫的助燃風或者常溫的燃氣進入蓄熱室中進行預熱後升溫至900℃以上，所述燃燒室產生的高溫煙氣溫度為1500-1700℃；步驟（2）中的所述反應室升溫至1200-1500℃過程中發生碳熱反應，保溫時間為30-90min；所述alcl3升華罐通入的煙氣溫度為210-300℃，所述alcl3升華罐進行氣化處理的溫度為80-250℃；所述冷凝系統具體操作過程為：所述金屬鋁冷凝罐的溫度控制在200-300℃左右，使得所述反應室得到的alcl氣體發生歧化反應生成金屬鋁和alcl3，其中，金屬鋁冷凝為固態，alcl3為氣態；所述alcl3冷凝罐的溫度控制在<50℃，所述氣態alcl3進入alcl3冷凝罐中進一步進行冷凝處理，得到alcl3固體；同時，採用常溫的助燃風作為冷卻介質，首先進入到alcl3冷凝罐進行冷卻處理，然後在進入金屬鋁冷凝罐進行冷卻處理，得到預熱後的助燃風經由所述蓄熱室進入所述燃燒室中進行燃燒處理，保證高效利用所述冷凝系統中反應產物的餘熱。

本發明的有益效果如下：

（1）本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，採用蓄熱式燃氣加熱裝置，能夠取代現有技術中的電爐來進行真空碳熱還原製備金屬鋁，降低反應過程所消耗的能耗，進而降低真空碳熱還原製備金屬鋁的成本，為工業化的可能性更進一步。

（2）本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，利用高溫煙氣經蓄熱室回收熱量後的煙氣餘熱，加熱alcl3升華罐並維持溫度，綜合利用高溫煙氣餘熱，提高能源利用率.

（3）本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，利用反應系統產物通入到冷凝系統中利用產物的餘熱來加熱助燃風，預熱後的助燃風經由蓄熱室進入到燃燒室進行燃燒，同時，反應系統的產物經由冷凝系統中的常溫助燃風作為冷卻介質進行冷卻處理，吸收產物的熱量，有利於綜合利用反應系統產物的餘熱。

（4）本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，通過將金屬鋁與三氯化鋁分別收集，提高了金屬鋁的收率以及金屬鋁的純度。

（5）本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，通過採用蓄熱式燃燒方式，環狀加熱，反應室內溫度均勻，有利於還原反應的發生。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

其中，1、助燃風管道，2、燃氣管道，3、煙氣管道，4、三通換向閥，5、燃燒室，6、反應室，7、alcl3升華罐，8、金屬鋁冷凝罐，9、alcl3冷凝罐，10、真空泵。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例。下面描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。實施例中未註明具體技術或條件的，按照本領域內的文獻所描述的技術或條件或者按照產品說明書進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市購獲得的常規產品。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

根據本發明的一個方面，本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，其特徵在於，包括燃燒系統、反應系統、冷凝系統和真空系統，其中，所述燃燒系統包括燃燒室5和蓄熱室，並與所述反應系統連接，經冷凝系統預熱後的助燃風通過蓄熱室預熱後進入燃燒室進行燃燒，為反應提供熱量，同時，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後再經蓄熱室回收熱量後加熱alcl3升華罐並維持其溫度，實現了高效利用燃燒餘熱；所述反應系統包括反應室6和alcl3升華罐7，所述反應室的周圍環繞布置有所述燃燒室；所述alcl3升華罐與所述蓄熱室的煙氣出口連接，用於將燃燒產生的高溫煙氣經蓄熱室進行蓄熱處理後，通入到所述alcl3升華罐中進行加熱處理；所述冷凝系統的產物入口與所述反應系統相接，用於將所述反應系統生成的產物冷卻；所述冷凝系統的冷卻介質出口與所述蓄熱室的氣體入口相接，用於將助燃風作為冷卻介質進行預熱，經蓄熱室進入燃燒室進行燃燒；所述真空系統與所述冷凝系統相接，用於使所述反應系統及冷凝系統處於真空狀態，反應在真空條件下發生。

發明人發現，本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，採用蓄熱式燃氣加熱裝置，能夠取代現有技術中的電爐來進行真空碳熱還原製備金屬鋁，降低反應過程所消耗的能耗，進而降低真空碳熱還原製備金屬鋁的成本，為工業化的可能性更進一步；利用高溫煙氣經蓄熱室回收熱量後的煙氣餘熱，加熱alcl3升華罐並維持溫度，綜合利用高溫煙氣餘熱，提高能源利用率；利用反應系統產物通入到冷凝系統中利用產物的餘熱來加熱助燃風，預熱後的助燃風經由蓄熱室進入到燃燒室進行燃燒，同時，反應系統的產物經由冷凝系統中的常溫助燃風作為冷卻介質進行冷卻處理，吸收產物的熱量，有利於綜合利用反應系統產物的餘熱；通過將金屬鋁與三氯化鋁分別收集，提高了金屬鋁的收率以及金屬鋁的純度；通過採用蓄熱式燃燒方式，環狀加熱，反應室內溫度均勻，有利於還原反應的發生。

本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，該裝置包括反應系統，用於為原料進行反應提供場所。根據本發明的具體實施例，所述反應系統包括反應室6和alcl3升華罐7，所述反應室與所述alcl3升華罐連接，所述反應室用於氧化鋁或含氧化鋁的鋁土礦等與碳質還原劑進行碳熱反應、然後與alcl3升華罐中產生的氣態alcl3進一步發生氯化反應，最終得到產物alcl氣體；所述alcl3升華罐，用於加熱alcl3升華罐，使固體alcl3氣化得到氣態alcl3，所述氣態alcl3經由與反應室相接的管道進入反應室內。

根據本發明的具體實施例，所述alcl3升華罐與所述蓄熱室的煙氣出口連接，用於將蓄熱室進行蓄熱處理後的煙氣通入到所述alcl3升華罐進行加熱處理並維持溫度後排出；所述alcl3升華罐的產物出口與所述反應室的產物入口連接，用於將alcl3升華罐中生成的氣態alcl3通入到所述反應室中與所述反應室中的中間產物進行進一步氯化反應。進一步的，所述alcl3升華罐採用夾套加熱式，包括加熱通道和反應腔，所述反應腔的產物出口與所述反應室的產物入口連接，用於將alcl3升華罐中生成的氣態alcl3通入到所述反應室中與所述反應室中的中間產物進行進一步氯化反應；所述加熱通道的煙氣入口和與所述蓄熱室的煙氣出口連接，用於將蓄熱室進行蓄熱處理後的煙氣通入到所述alcl3升華罐的加熱通道對反應腔內物料進行加熱處理並維持溫度後排出。優選的，所述alcl3升華罐可以通過控制煙氣流量來調節、控制alcl3的升華速度，使得其與反應室內的原料能夠充分反應。

根據本發明的具體實施例，所述反應室的周圍環繞布置有所述燃燒室5，用於提高反應室溫度，使之達到原料的反應溫度，由此，通過採用蓄熱式燃燒方式，環狀加熱，反應室內溫度均勻，有利於還原反應的發生。所述反應室下部設有分布器，用於將alcl3升華罐中生成的氣態alcl3進行均勻分布後進入所述反應室進一步發生氯化反應，得到產物alcl氣體。進一步的，所述反應室為圓柱形坩堝。

本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，該裝置包括冷凝系統，與所述反應系統相接，所述反應系統反應生成的產物進入冷凝系統冷卻後，得到最終產物金屬鋁。所述冷凝系統的產物入口與所述反應系統相接，用於將所述反應系統反應生成的產物通入到冷凝系統冷卻後得到最終產物金屬鋁；所述冷凝系統的冷卻介質出口與所述蓄熱室的氣體入口相接，用於將助燃風作為冷卻介質進行預熱後經由蓄熱室後進入燃燒室進行燃燒，實現了高效利用反應室產物的餘熱。

根據本發明的具體實施例，所述冷凝系統包括金屬鋁冷凝罐8和alcl3冷凝罐9，所述金屬鋁冷凝罐與所述反應室的出氣口連通，用於將反應室得到的alcl氣體在真空系統的作用下引入到金屬鋁冷凝罐中進行歧化反應，生成金屬鋁和alcl3，其中，金屬鋁冷凝為固態，alcl3為氣態，同時，反應過程中生成的co氣體在真空系統的作用下排出；所述alcl3冷凝罐與所述金屬鋁冷凝罐連接，用於氣態alcl3進入到alcl3冷凝罐中進一步冷凝，得到alcl3固體。由此，本發明通過將金屬鋁與三氯化鋁分別收集，提高了金屬鋁的收率以及金屬鋁的純度。

根據本發明的具體實施例，所述金屬鋁冷凝罐和所述alcl3冷凝罐採用夾套冷卻方式，所述金屬鋁冷凝罐包括冷卻通道和腔室，所述alcl3冷凝罐包括冷卻通道和腔室；其中，所述alcl3冷凝罐的冷卻通道的冷卻介質出口與所述金屬鋁冷凝罐的冷卻通道的冷卻介質入口連接，用於將冷卻介質首先通入所述alcl3冷凝罐的冷卻通道進行冷卻處理、然後排放到所述金屬鋁冷凝罐的冷卻通道進行冷卻處理得到預熱的冷卻介質；所述金屬鋁冷凝罐的冷卻通道的冷卻介質出口和所述蓄熱室的氣體入口連接，用於將冷凝系統進行預熱後的冷卻介質通入到蓄熱室後進入燃燒室進行燃燒，實現了高效利用所述冷凝系統中產物的餘熱。進一步的，所述冷卻介質為助燃風。

本發明提供了一種新型製備金屬鋁的裝置，該裝置包括燃燒系統，用於為所述反應系統中的原料進行碳熱反應提供足夠的熱源。根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統包括燃燒室5和蓄熱室，所述蓄熱室與所述燃燒室相連；其中，所述燃燒室用於為助燃風和燃氣提供燃燒的場所，同時，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室；所述蓄熱室用於將加熱反應室後的高溫煙氣引入蓄熱室中進行回收熱量，同時，對助燃風和/或燃氣進行蓄熱室預熱處理後再進入燃燒室進行燃燒。由此，該裝置通過採用蓄熱式燃氣加熱裝置，能夠取代現有電爐來進行真空碳熱還原製備金屬鋁，降低反應過程所消耗的能耗，進而降低真空碳熱還原製備金屬鋁的成本，為工業化的可能性更進一步，實現了高效利用燃燒餘熱。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統為蓄熱式燃燒系統，採用單蓄熱或者雙蓄熱的燃燒方式。當所述燃燒系統為雙蓄熱式燃燒系統時，助燃風與燃氣通過蓄熱室蓄熱後進入燃燒室進行燃燒，同時，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後再經蓄熱室回收熱量後排出，實現了高效利用燃燒餘熱；當所述燃燒系統為單蓄熱式燃燒系統時，助燃風通過蓄熱室預熱後與不經蓄熱室預熱處理的燃氣進入燃燒室進行燃燒，同時，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後再經蓄熱室回收熱量後排出，實現了高效利用燃燒餘熱。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統還包括助燃風管道1、燃氣管道2和煙氣管道3，其中，所述蓄熱室的氣體入口分別與所述助燃風管道和/或者燃氣管道的一端連接，用於向蓄熱室中引入助燃風和/或者燃氣，在已回收熱煙氣熱量的蓄熱室中進行預熱處理，得到蓄熱處理後的高溫助燃風和/或者高溫燃氣；所述蓄熱室的煙氣出口與所述煙氣管道連接，用於排放蓄熱室中經回收熱量後得到的低溫煙氣；所述蓄熱室的煙氣入口與所述燃燒室連接，用於將燃燒室內助燃風和燃氣燃燒，得到的高溫煙氣，在為反應室提供熱源後，送入蓄熱室內，使熱量留在蓄熱體上，完成蓄熱後的煙氣隨即排出。其中，所述助燃風管道另一端與所述冷凝系統的金屬鋁冷凝罐的冷卻介質出口連接，用於將冷凝系統中進行冷卻處理後得到預熱的冷卻介質經由蓄熱室進入到燃燒室中進行燃燒，所述冷卻介質高效利用反應室的產物餘熱進行預熱處理；所述煙氣管道另一端與所述反應系統的alcl3升華罐的煙氣入口連接，用於將進行蓄熱室回收熱量後的煙氣通入到所述alcl3升華罐進行加熱處理並維持溫度，使所述alcl3升華罐有效利用煙氣的餘熱。進一步，所述冷卻介質為助燃風。根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統還包括三通換向閥4。高溫煙氣進入蓄熱室完成蓄熱後，三通換向閥換向，低溫的助燃風或者燃氣進入蓄熱室，吸收蓄熱體上的熱量，進而得到高溫助燃風或者高溫燃氣。進一步的，所述三通換向閥4包括燃氣三通換向閥和/或助燃風三通換向閥，其中，所述助燃風三通換向閥分別與助燃風管道、煙氣管道和蓄熱室連接；所述燃氣三通換向閥分別與燃氣管道、煙氣管道和燃燒室連接。進一步的，當只設有助燃風三通換向閥時，所述燃燒系統為單蓄熱式燃燒系統，所述燃氣管道直接與所述燃燒室連接，使得燃氣不進行蓄熱室預熱處理、而助燃氣進行蓄熱室預熱處理，通過蓄熱室預熱後的助燃風與不經蓄熱室預熱處理的燃氣進入燃燒室進行燃燒，同時，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後再經蓄熱室回收熱量後排出，實現了高效利用燃燒餘熱；當助燃風三通換向閥和燃氣三通換向閥都存在時，所述燃燒系統為雙蓄熱式燃燒系統時，使得助燃氣和燃氣同時進行蓄熱室預熱處理。由此，實現了高效利用燃燒餘熱，降低了能源的生產成本。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒室布置在所述反應室四周，呈環狀布置，用於通過燃氣和助燃風進行燃燒後產生的高溫煙氣為所述反應室提供碳熱反應的熱源。根據本發明的具體實施例，所述燃燒室的側壁上設有燒嘴，所述燒嘴與所述蓄熱室連接，用於為所述燃燒室引入燃氣和助燃風或者排放熱煙氣。所述燃燒室的燒嘴呈切線布置，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後再經蓄熱室回收熱量後由煙氣管道排出。進一步的，所述燒嘴的數量為一對或多對，交替進行燃燒、蓄熱、預熱、燃燒過程，保證持續、穩定加熱反應室。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統包括a側燃燒系統和b側燃燒系統，用於為所述反應室提供熱源。當冷凝系統預熱的冷卻介質為助燃風時，所述燃燒系統的具體工作過程如下：使用a側燃燒系統進行燃燒過程，預熱的助燃風和常溫的燃氣進入燃燒室進行燃燒，產生的高溫煙氣加熱所述反應室後經b側燃燒系統的蓄熱室回收熱量後排到所述alcl3升華罐，完成蓄熱過程；完成一個燃燒周期後，b側燃燒系統進行燃燒過程，預熱的助燃風進入蓄熱室中進行預熱，同時常溫的燃氣進入蓄熱室中進行預熱或者不經過蓄熱室預熱過程，兩者進入燃燒室進行燃燒，產生的高溫煙氣加熱所述反應室後經a側燃燒系統的蓄熱室回收熱量後排到alcl3升華罐，完成蓄熱過程；如此重複、交替進行燃燒、蓄熱、放熱過程，保證持續、穩定加熱反應室，實現了高效利用燃燒餘熱。

當所述燃燒系統為單蓄熱式燃燒系統時，調整a側燃燒系統中所述助燃風三通換向閥，使所述助燃風管道與蓄熱室的氣體入口保持連通，所述燃氣管道直接與所述燃燒室連接，使得助燃風經蓄熱室進行預熱處理、燃氣不進行蓄熱室預熱處理，即，預熱後/常溫的助燃風進入已蓄熱回收熱煙氣熱量的蓄熱室中進行加熱處理得到蓄熱室預熱後的助燃風，常溫的燃氣不經過蓄熱室進行預熱處理，直接與蓄熱室排出的所述預熱助燃風通過燒嘴一起通入所述燃燒室進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣對所述反應室進行碳熱反應提供熱源，得到降溫後的熱煙氣，經由燒嘴排出並進入b側燃燒系統中的所述蓄熱室進行蓄熱回收熱量處理，最後經由煙氣管道排出；當所述燃燒系統為雙蓄熱式燃燒系統時，調整a側燃燒系統中所述助燃風三通換向閥和所述燃氣三通換向閥，使得預熱後/常溫的助燃風和常溫的燃氣同時進行蓄熱室預熱處理，即，預熱後/常溫的助燃和常溫的燃氣分別進入已蓄熱回收熱煙氣熱量的蓄熱室中進行加熱處理得到蓄熱室預熱後的助燃風和燃氣，通過燒嘴一起通入所述燃燒室進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣對所述反應室進行碳熱反應提供熱源，得到降溫後的熱煙氣，經由燒嘴排出並進入b側燃燒系統中的所述蓄熱室進行蓄熱回收熱量處理，最後經由煙氣管道排出。然後，待完成一個燃燒周期後，b側燃燒系統進行燃燒過程，預熱後/常溫的助燃風進入蓄熱室中進行預熱，同時常溫的燃氣進入蓄熱室中進行預熱或者不經過蓄熱室預熱過程，兩者進入燃燒室進行燃燒，產生的高溫煙氣加熱所述反應室後經a側燃燒系統的蓄熱室回收熱量後排出，完成蓄熱過程；如此重複、交替進行燃燒、蓄熱、放熱過程，保證持續、穩定加熱反應室，實現了高效利用燃燒餘熱。

本發明提供了一種新型製備金屬鋁的裝置，該裝置包括真空系統，與所述冷凝系統連接，用於降低整個系統的壓力，使之處於真空狀態，使得反應在真空條件下發生反應。根據本發明的具體實施例，在真空系統的作用下，反應室得到的alcl氣體進入冷凝系統冷卻分離得到產物金屬鋁和alcl3固體，同時，反應過程中生成的co氣體排出。進一步的，所述真空系統包括真空泵10。

根據本發明的另一個發明，一種利用上述具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置的煉鋁方法，包括以下步驟：

（1）準備過程：將原料放入反應室中，將alcl3粉末置於alcl3升華罐中；打開真空系統，降低系統壓力；開啟燃燒系統，引入預熱後/常溫的助燃風和常溫的燃氣通過蓄熱室預熱後進入燃燒室進行燃燒，或者引入預熱後/常溫的助燃風通過蓄熱室預熱後和直接引入常溫的燃氣進入燃燒室進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室。

根據本發明的具體實施例，該裝置包括真空系統，與所述冷凝系統連接，用於降低整個系統的壓力，使之處於真空狀態，使得反應在真空條件下發生反應。進一步的，所述系統壓力被降低為30pa左右。在真空系統的作用下，反應室得到的alcl氣體進入冷凝系統冷卻分離得到產物金屬鋁和alcl3固體，同時，反應過程中生成的co氣體排出。進一步的，所述真空系統包括真空泵。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統為蓄熱式燃燒系統，包括a側燃燒系統和b側燃燒系統，用於為所述反應室提供熱源。當冷凝系統預熱的冷卻介質為助燃風時，所述燃燒系統的具體工作過程如下：使用a側燃燒系統進行燃燒過程，預熱後/常溫的助燃風和常溫的燃氣進入燃燒室進行燃燒，產生的高溫煙氣加熱所述反應室後經b側燃燒系統的蓄熱室回收熱量後排出，完成蓄熱過程；完成一個燃燒周期後，b側燃燒系統進行燃燒過程，預熱後/常溫的助燃風進入蓄熱室中進行預熱，同時常溫的燃氣進入蓄熱室中進行預熱或者不經過蓄熱室預熱過程，兩者進入燃燒室進行燃燒，產生的高溫煙氣加熱所述反應室後經a側燃燒系統的蓄熱室回收熱量後排出，完成蓄熱過程；如此重複、交替進行燃燒、蓄熱、放熱過程，保證持續、穩定加熱反應室，實現了高效利用燃燒餘熱。其中，所述助燃風作為冷卻介質對冷凝系統進行冷卻處理，同時，所述冷卻介質回收冷凝系統中產物的熱量導致所述冷卻介質被加熱，得到預熱的助燃風；所述預熱後/常溫的助燃風或者常溫的燃氣進入蓄熱室中進行預熱後升溫至900℃以上，所述預熱後/常溫的助燃風或者常溫的燃氣經由蓄熱室進入到燃燒室進行燃燒產生1500-1700℃左右的高溫煙氣，所述高溫煙氣加熱反應室使其溫度達到1200-1500℃，然後經由蓄熱室回收熱量後降溫為210-300℃左右的煙氣，最後該煙氣進入alcl3升華罐進行加熱後排出，使alcl3升華罐被加熱到80-250℃。

根據本發明的具體實施例，所述燃燒系統可以採用單蓄熱或者雙蓄熱的燃燒方式，助燃風可以為空氣、富氧空氣，燃氣可以為天然氣、焦爐煤氣、水煤氣、熱解煤氣、石油液化氣等。進一步的，當燃氣為天然氣、熱解氣、石油液化氣等高熱值燃料，採用單蓄熱燃燒方式，即助燃風經過蓄熱室，燃氣不經過蓄熱室；當燃氣為焦爐煤氣、水煤氣等低熱值煤氣，則既可採用單蓄熱燃燒方式，即助燃風經過蓄熱室、燃氣不經過蓄熱室，又可採用雙蓄熱燃燒方式，即助燃風與燃氣均經過蓄熱室後參與燃燒。當所述燃燒系統為雙蓄熱式燃燒系統時，預熱後/常溫的助燃風或者常溫的燃氣分別通過蓄熱室預熱後預熱至900℃以上，進入燃燒室進行燃燒，同時，燃燒產生1500-1700℃左右的高溫煙氣加熱反應室，使得反應室內溫度達到1200-1500℃，再經蓄熱室回收熱量後降溫為210-300℃左右的煙氣，該煙氣排入到alcl3升華罐將其加熱到80-250℃，實現了高效利用燃燒餘熱；當所述燃燒系統為單蓄熱式燃燒系統時，預熱後/常溫的助燃風通過蓄熱室預熱後升溫至900℃以上，與不進行蓄熱室預熱處理的常溫燃氣進入燃燒室進行燃燒，同時，燃燒產生1500-1700℃左右的高溫煙氣加熱反應室，使得反應室內溫度達到1200-1500℃，再經蓄熱室回收熱量後降溫為210-300℃左右的煙氣，該煙氣排入到alcl3升華罐將其加熱到80-250℃，實現了高效利用燃燒餘熱。

根據本發明的具體實施例，步驟（1）中的所述原料為氧化鋁或含氧化鋁的鋁土礦等與碳質還原劑進行壓球處理製得的，其中，所述原料中氧化鋁與碳質還原劑的質量比例為1:3-5，所述碳質還原劑為石墨、煤、蘭炭、生物質炭等固定碳含量＞50%的含碳原料；所述系統壓力被降低為30pa左右。

（2）製備過程：反應室升溫完成後，原料充分進行碳熱反應，得到中間產物；然後，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後再經蓄熱室回收熱量後通入alcl3升華罐進行加熱並維持溫度，使alcl3粉末進行氣化處理得到氣態alcl3，所述氣態alcl3進入反應室中與所述中間產物進一步發生氯化反應得到alcl氣體；在真空系統的作用下，所述alcl氣體進入冷凝系統進行冷凝處理得到金屬鋁和alcl3固體，同時所述冷凝系統採用助燃風作為冷卻介質進行冷卻處理後得到預熱後的助燃風經由蓄熱室進入燃燒室進行燃燒。

根據本發明的具體實施例，該裝置包括反應系統，用於為原料進行反應提供場所。根據本發明的具體實施例，所述反應系統包括反應室和alcl3升華罐，所述反應室與所述alcl3升華罐連接，所述反應室用於氧化鋁或含氧化鋁的鋁土礦等與碳質還原劑進行碳熱反應、然後與alcl3升華罐中產生的氣態alcl3進一步發生氯化反應，最終得到產物alcl氣體；所述alcl3升華罐，使用燃燒產生的高溫煙氣在加熱反應室後、再經由蓄熱室回收熱量後的煙氣作為熱源，使用該煙氣加熱alcl3升華罐，使固體alcl3氣化得到氣態alcl3，所述氣態alcl3經由與反應室相接的管道進入反應室內。其中，所述反應室升溫至1200-1500℃過程中發生碳熱反應，保溫時間為30-90min；所述alcl3升華罐通入的煙氣溫度為210-300℃，所述alcl3升華罐進行氣化處理的溫度為80-250℃。根據本發明的具體實施例，所述alcl3升華罐與所述蓄熱室的煙氣出口連接，用於將蓄熱室進行蓄熱處理後的煙氣通入到所述alcl3升華罐進行加熱處理並維持溫度後排出；所述alcl3升華罐的產物出口與所述反應室的產物入口連接，用於將alcl3升華罐中生成的氣態alcl3通入到所述反應室中與所述反應室中的中間產物進行進一步氯化反應。進一步的，所述alcl3升華罐採用夾套加熱式，包括加熱通道和反應腔，所述反應腔的產物出口與所述反應室的產物入口連接，用於將alcl3升華罐中生成的氣態alcl3通入到所述反應室中與所述反應室中的中間產物進行進一步氯化反應；所述加熱通道的煙氣入口和與所述蓄熱室的煙氣出口連接，用於將蓄熱室進行蓄熱處理後的煙氣通入到所述alcl3升華罐的加熱通道對反應腔內物料進行加熱處理並維持溫度後排出。優選的，所述alcl3升華罐可以通過控制煙氣流量來調節、控制alcl3的升華速度，使得其與反應室內的原料能夠充分反應。根據本發明的具體實施例，所述反應室的周圍環繞布置有所述燃燒室，用於提高反應室溫度，使之達到原料的反應溫度，由此，通過採用蓄熱式燃燒方式，環狀加熱，反應室內溫度均勻，有利於還原反應的發生。所述反應室下部設有分布器，用於將alcl3升華罐中生成的氣態alcl3進行均勻分布後進入所述反應室進一步發生氯化反應，得到產物alcl氣體。進一步的，所述反應室為圓柱形坩堝。

根據本發明的具體實施例，該裝置包括冷凝系統，與所述反應系統相接，所述反應系統反應生成的產物進入冷凝系統冷卻後，得到最終產物金屬鋁。所述冷凝系統的產物入口與所述反應系統相接，用於將所述反應系統反應生成的產物通入到冷凝系統冷卻後得到最終產物金屬鋁；所述冷凝系統的冷卻介質出口與所述蓄熱室的氣體入口相接，用於將助燃風作為冷卻介質進行預熱後經由蓄熱室後進入燃燒室進行燃燒，實現了高效利用反應室產物的餘熱。根據本發明的具體實施例，所述冷凝系統包括金屬鋁冷凝罐和alcl3冷凝罐，所述金屬鋁冷凝罐與所述反應室的出氣口連通，用於將反應室得到的alcl氣體在真空系統的作用下引入到金屬鋁冷凝罐中進行歧化反應，生成金屬鋁和alcl3，其中，金屬鋁冷凝為固態，alcl3為氣態，同時，反應過程中生成的co氣體在真空系統的作用下排出；所述alcl3冷凝罐與所述金屬鋁冷凝罐連接，用於氣態alcl3進入到alcl3冷凝罐中進一步冷凝，得到alcl3固體。由此，本發明通過將金屬鋁與三氯化鋁分別收集，提高了金屬鋁的收率以及金屬鋁的純度。根據本發明的具體實施例，所述金屬鋁冷凝罐和所述alcl3冷凝罐採用夾套冷卻方式，所述金屬鋁冷凝罐包括冷卻通道和腔室，所述alcl3冷凝罐包括冷卻通道和腔室；其中，所述alcl3冷凝罐的冷卻通道的冷卻介質出口與所述金屬鋁冷凝罐的冷卻通道的冷卻介質入口連接，用於將冷卻介質首先通入所述alcl3冷凝罐的冷卻通道進行冷卻處理、然後排放到所述金屬鋁冷凝罐的冷卻通道進行冷卻處理得到預熱的冷卻介質；所述金屬鋁冷凝罐的冷卻通道的冷卻介質出口和所述蓄熱室的氣體入口連接，用於將冷凝系統進行預熱後的冷卻介質通入到蓄熱室後進入燃燒室進行燃燒，實現了高效利用所述冷凝系統中產物的餘熱。進一步的，所述冷卻介質為助燃風。根據本發明的具體實施例，所述冷凝系統包括金屬鋁冷凝罐和alcl3冷凝罐，採用間接換熱方式，其具體操作過程為：所述金屬鋁冷凝罐的溫度控制在200-300℃左右，使得所述反應室得到的alcl氣體發生歧化反應生成金屬鋁和alcl3，其中，金屬鋁冷凝為固態，alcl3為氣態；所述alcl3冷凝罐的溫度控制在<50℃，所述氣態alcl3進入alcl3冷凝罐中進一步進行冷凝處理，得到alcl3固體；同時，採用常溫的助燃風作為冷卻介質，首先進入到alcl3冷凝罐進行冷卻處理，然後在進入金屬鋁冷凝罐進行冷卻處理，得到預熱後的助燃風經由所述蓄熱室進入所述燃燒室中進行燃燒處理，保證高效利用所述冷凝系統中反應產物的餘熱。

發明人發現，本發明提供了一種具有助燃風式冷凝系統的真空爐裝置，採用蓄熱式燃氣加熱裝置，能夠取代現有技術中的電爐來進行真空碳熱還原製備金屬鋁，降低反應過程所消耗的能耗，進而降低真空碳熱還原製備金屬鋁的成本，為工業化的可能性更進一步；利用高溫煙氣經蓄熱室回收熱量後的煙氣餘熱，加熱alcl3升華罐並維持溫度，綜合利用高溫煙氣餘熱，提高能源利用率；利用反應系統產物通入到冷凝系統中利用產物的餘熱來加熱助燃風，預熱後的助燃風經由蓄熱室進入到燃燒室進行燃燒，同時，反應系統的產物經由冷凝系統中的常溫助燃風作為冷卻介質進行冷卻處理，吸收產物的熱量，有利於綜合利用反應系統產物的餘熱；通過將金屬鋁與三氯化鋁分別收集，提高了金屬鋁的收率以及金屬鋁的純度；通過採用蓄熱式燃燒方式，環狀加熱，反應室內溫度均勻，有利於還原反應的發生。

實施例一

將氧化鋁與石墨破碎至200目，按1:3的比例配置，混合均勻後，2mpa壓力壓製成球，並放入反應室中。將約為氧化鋁2倍重量的alcl3粉末置於alcl3升華罐中。然後打開真空泵，降低系統壓力，當壓力降低至30pa左右時，投用燃燒系統，開始升溫。

首先，使用a側燃燒系統，常溫的助燃風與焦爐煤氣通過燒嘴進入燃燒室進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後，經b側燃燒系統的蓄熱室回收熱量後，溫度降低至250℃左右，排出爐外。180s換向後，常溫的助燃風與焦爐煤氣經過b側的蓄熱後的蓄熱室，被預熱至900℃以上後，通過燒嘴進入燃燒室進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣加熱反應室後，經a側燃燒系統的蓄熱室回收熱量。如此交替進行，直至將反應室內的溫度升溫至1200~1300℃，並維持此溫度約50min，使反應室內的物料充分反應。

然後，將燃燒系統出來的部分250℃的煙氣送至alcl3升華罐，將其升溫至150℃左右，使之氣化為alcl3氣體，所得的alcl3氣體通過與反應室相連的管道進入反應室中，在置於反應室下部的分布器的作用下，均勻分布，與上述反應室中的原料進一步發生氯化反應，得到產物alcl氣體，該氣體在真空泵的作用下，進入金屬鋁冷凝罐。

上述燃燒系統的助燃風先後經過alcl3冷凝罐、金屬鋁冷凝罐，然後進入蓄熱室進一步預熱升溫後進入燃燒室內參與燃燒。控制金屬鋁冷凝罐內的溫度在250℃左右，alcl3冷凝罐內的溫度40℃左右。alcl氣體在發生歧化反應生成金屬鋁和alcl3，金屬鋁冷凝為固態，alcl3為氣態，進入與之相連的alcl3冷凝罐中進一步冷凝得到alcl3固體。反應得到的金屬鋁純度＞94%，直收率＞90%。

以上對本發明進行了詳細介紹，本文中應用了實施例對本申請的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本申請的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本申請的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本申請的限制。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。

儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。