分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐的制作方法

本發明屬于冶金及環境技術領域，特別涉及一種分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐。

背景技術：

鋁是用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解的方法生產的，用于冰晶石-氧化鋁熔鹽電解生產金屬鋁的電解槽在破損后進行大修的過程中產生大量含有氟化物電解質和金屬鈉的廢陰極炭質炭塊和含有氟化物的耐火材料固體廢料，這些固體廢料中的氟化物電解質是有毒有害物質，如果將這些固體廢料棄之，將會對環境產生嚴重影響，因此人們一直沒有間斷對鋁電解槽固體廢料的無害化處理以及分離和回收利用的研究。根據這些研究申請的專利很多，但至今為止，尚未有一項專利技術在工業上獲得推廣應用。

最近，馮乃祥開發了一種用真空蒸餾法分離鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦高溫脫硫的技術與裝置（CN105088274A、CN104894601A、CN105603216A），這些專利技術為分離、回收和利用鋁電解固體廢料開辟了新途徑，其方法和技術不僅具有工藝簡單、成本低、分離徹底、效率高的特點，而且不產生新的固體、液體和氣體的有害物質二次污染的問題。

專利CN 105603216 A和專利CN105088274A用于分離、回收、處理鋁電解槽固體廢料和石油焦脫硫上，有兩個最大的缺點和不足：

1、作為電阻發熱體的鋁電解槽廢陰極炭質炭塊的碎塊料為水平放置，因此，電阻發熱體的電阻加熱電流為水平面上的環形電流，這種加熱電流在電阻發熱體的垂直斷面上是不可能均勻的，而是內環路大，外環路小，上小下大。盡管專利CN 105603216 A所發明的裝置在作為電阻發熱體的鋁電解槽廢陰極炭塊的碎塊料中使用了導電性良好的石墨塊，可以使導電電流偏向于內環路的問題得到一些調整，但不能完全靠這種方法加以解決該問題，導電電流上小下大的問題以及由此而產生的電阻發熱體內部的溫度上低下高的問題也無法得到根本地解決；

2、這種爐子的結構，由于作為電阻發熱體的廢陰極炭塊的碎塊料的斷面不能太大（太大了更容易使加熱電流分布不均勻），因此，其單爐產量受到限制。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供一種分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐，將鋁電解槽廢陰極炭塊的碎料或石油焦的碎塊料置于垂直的井式箱體內，形成2N個垂直式的電阻發熱體（其中N=2，3，4，5，6，7……），并用石墨導電體串聯起來，進行電阻加熱，使電阻發熱體內的電阻加熱電流在電阻發熱體內按垂直方向上下通過。

本發明的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐包括爐殼（4）、球冠狀爐蓋（12）、爐內襯（5）、桶式耐火混凝土砌體（1）、耐火混凝土頂板（10）、保溫蓋板（11）和石墨電極（16）；爐殼（4）和球冠狀爐蓋（12）由金屬板制成，爐殼（4）的頂部設有冷卻水套（27），爐殼（4）的頂部與球冠狀爐蓋（12）之間設置真空墊圈（19）并密封連接；爐殼（4）內壁連接爐內襯（5），爐內襯（5）位于桶式耐火混凝土砌體（1）和爐殼（4）之間，耐火混凝土頂板（10）蓋在桶式耐火混凝土砌體（1）頂部，保溫蓋板（11）蓋在耐火混凝土頂板（10）上；桶式耐火混凝土砌體（1）底部設有方桶狀或圓桶狀的耐火混凝土套桶（7），耐火混凝土套桶（7）頂部與耐火混凝土頂板（10）相接；耐火混凝土套桶（7）內壁套在箱式散熱器（6）外；箱式散熱器（6）底部穿過桶式耐火混凝土砌體（1）的底部和爐內襯（5）的底部，并與爐殼（4）構成一體結構，進氣管（24）和出氣管（25）從箱式散熱器（6）低端插入箱式散熱器（6）內，進氣管（24）延伸至箱式散熱器（6）內的上部空間；桶式耐火混凝土砌體（1）的內壁與耐火混凝土套桶（7）之間設有多個耐火混凝土墻體圍成的2N個井式主料室（2）、多個井式副料室和多個井式空腔，各井式主料室（2）均勻分布在耐火混凝土套桶（7）周圍，井式主料室（2）內填充鋁電解槽陰極碳塊的碎塊料或石油焦的碎塊料構成2N個電阻發熱體；耐火混凝土墻體上均設有多個條形縫隙（9）將每個耐火混凝土墻體的兩側連通，各耐火混凝土墻體頂面與耐火混凝土頂板（10）之間的空間作為上部空間（14），上部空間（14）側壁上設有堿金屬\硫蒸氣導出管（15）分別與爐殼（4）外部的低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器連通，低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器連接真空裝置；在2N個電阻發熱體中有兩個相鄰的電阻發熱體的底部分別設有一個石墨電極（16）；石墨電極（16）與金屬電極導體（17）以及電極密封裝置（18）裝配在一起；金屬電極導體（17）通過電極密封裝置（18）實現與爐殼（4）之間的密封和電絕緣；石墨電極（16）固定在桶式耐火混凝土砌體（1）的底板上；在每個底部設有石墨電極（16）的電阻發熱體的頂面連接一個上部石墨導電體（13），該上部石墨導電體（13）與相鄰的未設有石墨電極的電阻發熱體的頂面連接，該未設有石墨電極的電阻發熱體底面連接一個下部石墨導電體（29），該下部石墨導電體（29）與相鄰的未設有石墨電極的電阻發熱體的底面連接，以此類推，共有N個上部石墨導電體（13）和N-1個下部石墨導電體（29）將各電阻發熱體串聯。

上述裝置中，爐殼（4）、球冠狀爐蓋（12）、箱式散熱器（6）、進氣管（24）和出氣管（25）為金屬材質。

上述裝置中，耐火混凝土墻體圍成的井式副料室包括：位于井式主料室（2）和桶式耐火混凝土砌體（1）之間的外部井式副料室（21），以及位于井式主料室（2）和耐火混凝土套桶（7）之間的內部井式副料室（8）；耐火混凝土墻體圍成的井式空腔包括：位于相鄰兩個井式主料室（2）之間的間隔井式空腔（3），位于相鄰兩個內部井式副料室（8）之間的內部井式空腔（23），以及位于相鄰兩個外部井式副料室（21）之間的外部井式空腔（22）。

上述裝置中，當生石油焦的碎塊料構成電阻發熱體時，上部空間（14）的側壁上還設有揮發分導出管（20）與爐殼（4）外部的連接真空裝置的揮發分收集器連通。

上述裝置中，當煅燒后石油焦的碎塊料構成電阻發熱體時，上部空間（14）的側壁上不再設置揮發份導出管（20）。

上述的保溫蓋板（11）的頂面為球冠狀，其形狀與球冠狀爐蓋（12）相對應。

上述裝置中，金屬電極（17）內設有冷卻水腔（28）。

上述裝置中，進氣管（24）與空氣壓縮裝置和氬氣管連接在一起，出氣管（25）與熱回收利用裝置和真空裝置連接。

上述裝置中，爐殼（4）外壁的上方設有冷卻水套（27）。

本發明的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐用于分離回收鋁電解槽內襯固體廢料的使用方法為：

（1）準備鋁電解槽廢陰極炭塊的碎塊料和鋁電解槽耐火材料內襯固體廢料的碎塊料；

（2）將鋁電解槽廢陰極炭塊的碎塊料填充到各井式主料室中作為電阻發熱體，并且鋁電解槽廢陰極炭塊的碎塊料高度略高于井式主料室；

（3）將鋁電解槽耐火材料內襯固體廢料的碎料塊填充到井式副料室中；

（4）通過放置上部石墨導電體，使連接有外部電源的兩個電極裝置、各電阻發熱體、上部石墨導電體和下部石墨導電體構成串聯的導電回路；

（5）放置耐火混凝土頂板、保溫蓋板和球冠狀爐蓋，向爐殼上部的冷卻水套和金屬電極的冷卻水腔中通入冷卻水；

（6）通過與堿金屬\硫蒸氣導出管相連接的低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器（作為堿金屬集收器）上設置的抽真空裝置對電阻爐內部空間和低熔點物質結晶器以及液體低熔點物質集收器內的空間進行抽真空；同時封閉進氣管，將出氣管連接真空裝置對箱式散熱器抽真空；

（7）通過電極裝置對電阻發熱體料通入電流，使鋁電解槽廢陰極炭塊的碎塊料的溫度上升到1000~1500℃，恒溫2~5小時；

（8）停止加熱和抽真空，向堿金屬結晶器和集收器內和爐體內的空間充入氬氣到稍大于常壓，向箱式散熱器中不斷地導入空氣，使其在箱式散熱器內被加熱后通過排氣管排到熱回收裝置，并加速爐體內部的降溫；

（10）從低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器內取出堿金屬；

（10）待爐內溫度低于500℃以后開爐，打開爐蓋從主料室內取出分離出了電解質和堿金屬的廢陰極碳塊的碎塊料，從副料室中取出分離出了電解質的鋁電解槽耐火材料內襯固體廢料，從井式空腔和上部空間取出回收的固體電解質。

本發明的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和生石油焦脫硫的電阻爐用于煅燒后的無揮發份的石油焦脫硫的使用方法為：

（1）將煅燒后的無揮發份的石油焦碎塊料填充到各井式主料室中作為電阻發熱體，并且煅燒后的無揮發份的石油焦的碎塊料高度略高于井式主料室；

（2）通過放置上部石墨導電體，使連接有外部電源的兩個電極裝置、各電阻發熱體、上部石墨導電體和下部石墨導電體構成串聯的導電回路；

（3）放置耐火混凝土頂板、保溫蓋板和球冠狀爐蓋，向爐殼上部的冷卻水套和金屬電極的冷卻水腔中通入冷卻水；

（4）通過與硫蒸氣導出管相連接的低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器（作為硫集收器）上設置的抽真空裝置對電阻爐內部空間和低熔點物質結晶器以及液體低熔點物質集收器內的空間進行抽真空；同時封閉進氣管，將出氣管連接真空裝置對箱式散熱器抽真空；

（5）通過電極裝置對電阻發熱體料通入電流，使煅燒后的無揮發份的石油焦碎塊料的溫度上升到1500~1700℃，恒溫2~5小時；

（6）停止加熱和抽真空，向硫結晶器和集收器內和爐體內的空間充入氬氣到稍大于常壓，向箱式散熱器中不斷地導入空氣，使其在箱式散熱器內被加熱后通過排氣管排到熱回收裝置，并加速爐體內部的降溫；

（7）從熔點物質結晶器以及液體低熔點物質集收器中取出硫；

（8）待爐內溫度低于500℃以后開爐，打開爐蓋從主料室內取出脫硫后的石油焦碎塊料。

本發明的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐用于生石油焦脫硫的使用方法為：

（1）將高硫生石油焦的碎塊料填充到井式主料室中作為電阻發熱體，并使其高度略高于井式主料室；

（2）通過放置石墨導電體，使連接有外部電源的兩個電極裝置、各電阻發熱體、上部石墨導電體和下部石墨導電體構成串聯的導電回路；

（3）放置耐火混凝土頂板、保溫蓋板和球冠狀爐蓋，向爐殼上部的冷卻水套和金屬電極的冷卻水腔中通入冷卻水；關閉揮發份導出管上的閥門；

（4）通過與堿金屬\硫蒸氣導出管相連接的低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器上設置的抽真空裝置對低熔點物質結晶器、液體低熔點物質集收器和電阻爐內部空間進行抽真空；同時封閉進氣管，將出氣管連接真空裝置對箱式散熱器抽真空；

（5）停止抽真空，開通揮發份集收系統，將揮發份導出管與揮發份收集器連通，通過電極加熱裝置對電阻發熱體料通入電流，使高硫生石油焦緩慢升溫至700~900℃；恒溫2~5小時，使從生石油焦中釋放出來的揮發分進入揮發分收集器中；

（6）將揮發份導出管與揮發份收集器隔斷；開啟低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器上設置的真空裝置繼續升溫至1500~1700℃，保溫2~3小時；

（7）停止加熱和抽真空，向爐體內的上部空間充入氬氣到稍大于常壓，并不斷地向箱式散熱器中導入壓縮空氣，然后將被加熱的壓縮空氣通過散熱器下設置的排氣管排出，通過這種熱交換加速爐內部降溫；

（8）從硫集收器中取出硫；

（9）待爐內溫度低于500℃以后，打開爐蓋從井式主料室中取出脫硫后的石油焦。

本發明的裝置采用垂直設置的電阻發熱體，在具有圓桶型爐體徑向溫度分布均勻的同時，還具有軸向電流分布均勻的效果，相對于傳統技術可進一步擴大單爐裝載量，提高生產效率和分離效果。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐剖面結構示意圖；

圖2為圖1的A-A面結構示意圖；

圖3為圖1的B-B面結構示意圖；

圖4為圖1的C-C面結構示意圖；

圖5為本發明實施例2的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐剖面結構示意圖；

圖6為圖2的B-B面結構示意圖；

圖7為本發明實施例3的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐剖面結構示意圖；

圖8為圖7的A-A面結構示意圖；

圖9為圖8的B-B面結構示意圖；

圖10為圖8的C-C面結構示意圖；

圖11為本發明實施例4的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐剖面結構示意圖；

圖12為圖11的A-A面結構示意圖；

圖13為圖11的B-B面結構示意圖；

圖14為圖11的C-C面結構示意圖；

圖15為本發明實施例5的分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐剖面結構示意圖；

1、桶式耐火混凝土砌體，2、井式主料室，3、間隔井式空腔，4、爐殼，5、爐內襯，6、箱式散熱器，7、耐火混凝土套桶，8、內部井式副料室，9、條形縫隙，10、耐火混凝土頂板，11、保溫蓋板，12、球冠狀爐蓋，13、上部石墨導電體，14、上部空間，15、堿金屬\硫蒸氣導出管，16、石墨電極，17、金屬電極導體，18、電極密封裝置，19、真空墊圈，20、揮發份導出管，21、外部井式副料室，22、外部井式空腔，23、內部井式空腔；24、進氣管；25、出氣管，26、角部井式空腔，27、冷卻水套，28、冷卻水腔，29、下部石墨導電體。

具體實施方式

本發明實施例采用的低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器為專利CN 105603216 A所公開的低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器。

本發明實施例中采用的揮發分收集器與專利CN 105603216 A所公開的液體低熔點物質集收器結構相同。

本發明實施例中，各主料室和副料室內的物料粒徑≤8cm；工作時抽真空至氣壓≤80Pa。

本發明實施例中，充入氬氣到稍大于常壓是指充入氬氣大于常壓并小于常壓的1.1倍。

本發明實施例中，電阻發熱體的高度略高于井式主料室是指電阻發熱體的高度為井式主料室高度的1.05~1.1倍。

本發明實施例中，當各井式主料室和井式副料室的水平截面為方形時，在爐殼為圓桶狀的情況下，相鄰井式主料室、外部井式副料室及桶式耐火混凝土砌體之間還形成角部井式空腔（26）。

本發明實施例中，爐殼（4）、球冠狀爐蓋（12）、箱式散熱器（6）、進氣管（24）和出氣管（25）為金屬材質，選用鋼制材料。

本發明實施例中，堿金屬\硫蒸氣導出管（15）和揮發分導出管（20）為金屬材質，選用不銹鋼。

本發明實施例中的金屬電極材質為銅。

實施例1

分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐結構如圖1所示，A-A面結構示如圖2所示，B-B面結構如圖3所示，C-C面結構如圖4所示；包括爐殼（4）、球冠狀爐蓋（12）、爐內襯（5）、桶式耐火混凝土砌體（1）、耐火混凝土頂板（10）、保溫蓋板（11）和兩個石墨電極（16）；爐殼（4）和球冠狀爐蓋（12）由鋼板制成，爐殼（4）的頂部設有冷卻水套（27），爐殼（4）的頂部與球冠狀爐蓋（12）之間設置真空墊圈（19）進行密封連接；爐殼（4）內壁連接爐內襯（5），爐內襯（5）位于桶式耐火混凝土砌體（1）和爐殼（4）之間，耐火混凝土頂板（10）蓋在桶式耐火混凝土砌體（1）頂部，保溫蓋板（11）蓋在耐火混凝土頂板（10）上；桶式耐火混凝土砌體（1）底部設有上部為方桶狀的耐火混凝土套桶（7），耐火混凝土套桶（7）頂部與耐火混凝土頂板（10）相接；耐火混凝土套桶（7）內壁套在箱式散熱器（6）外；箱式散熱器（6）底部穿過桶式耐火混凝土砌體（1）的底部和爐內襯（5）的底部，并與爐殼（4）構成一體結構，進氣管（24）和出氣管（25）從箱式散熱器（6）低端插入箱式散熱器（6）內，進氣管（24）延伸至箱式散熱器（6）內上方靠近箱式散熱器（6）內的頂部；桶式耐火混凝土砌體（1）的內壁與耐火混凝土套桶（7）之間設有多個耐火混凝土墻體圍成的2N個井式主料室（2）、多個井式副料室和多個井式空腔，各井式主料室（2）均勻分布在耐火混凝土套桶（7）周圍，井式主料室（2）內填充鋁電解槽陰極碳塊的碎塊料或石油焦的碎塊料構成2N個電阻發熱體；耐火混凝土墻體上均設有多個條形縫隙（9）將每個耐火混凝土墻體的兩側連通，各耐火混凝土墻體頂面與耐火混凝土頂板（10）之間的空間作為上部空間（14），上部空間（14）側壁上設有堿金屬\硫蒸氣導出管（15）分別與爐殼（4）外部的低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器連通，低熔點物質結晶器和液體低熔點物質集收器連接真空裝置；在2N個電阻發熱體中有兩個相鄰的電阻發熱體的底部分別設有一個石墨電極（16），石墨電極（16）與金屬電極導體（17）以及電極密封裝置（18）裝配在一起；金屬電極導體（17）通過電極密封裝置（18）實現與爐殼（4）之間的密封和電絕緣；石墨電極（16）固定在桶式耐火混凝土砌體（1）的底板上；在每個底部設有石墨電極（16）的電阻發熱體的頂面連接一個上部石墨導電體（13），該上部石墨導電體（13）與相鄰的未設有石墨電極的電阻發熱體的頂面連接，該未設有石墨電極的電阻發熱體底面連接一個下部石墨導電體（29），該下部石墨導電體（29）與相鄰的未設有石墨電極的電阻發熱體的底面連接，以此類推，共有N個上部石墨導電體（13）和N-1個下部石墨導電體（29）將各電阻發熱體串聯；

耐火混凝土墻體圍成的井式副料室包括：位于井式主料室（2）和桶式耐火混凝土砌體（1）之間的外部井式副料室（21），以及位于井式主料室（2）和耐火混凝土套桶（7）之間的內部井式副料室（8）；耐火混凝土墻體圍成的井式空腔包括：位于相鄰兩個井式主料室（2）之間的間隔井式空腔（3），位于相鄰兩個內部井式副料室（8）之間的內部井式空腔（23），以及位于相鄰兩個外部井式副料室（21）之間的外部井式空腔（22）和角部井式空腔（26）；其中，桶式耐火混凝土砌體（1）外壁為圓桶狀，內壁與外部井式副料室相配合，形成的各井式主料室和各井式副料室的水平截面均為正方形或長方形；

保溫蓋板（11）的頂面為球冠狀，其形狀與球冠狀爐蓋（12）相對應；

金屬電極（17）內設有冷卻水腔（28）；

進氣管（24）與空氣壓縮裝置和氬氣管連接在一起，出氣管（25）與熱回收利用裝置和真空裝置連接；

爐殼外壁的上方設有冷卻水套（27）。

實施例2

分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐結構如圖5所示， B-B面結構如圖6所示，結構同實施例1，不同點在于：

桶式耐火混凝土砌體（1）外壁和內壁均為圓桶狀，形成的位于井式主料室和桶式耐火混凝土砌體之間的外部井式副料室的水平截面為非長方形。

實施例3

分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐結構如圖7所示， A-A面結構示如圖8所示，B-B面結構如圖9所示，C-C面結構如圖10所示；結構同實施例1，不同點在于：

桶式耐火混凝土砌體（1）外壁和內壁的水平橫截面均為多邊形，形成的各井式主料室和各井式副料室的水平截面均為正方形或長方形。

實施例4

分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐結構如圖11所示， A-A面結構示如圖12所示，B-B面結構如圖13所示，C-C面結構如圖14所示；結構同實施例1，不同點在于：

（1）耐火混凝土套桶（7）和箱式散熱器（6）的水平橫截面均為圓環形；

（2）桶式耐火混凝土砌體（1）外壁和內壁均為圓柱形，形成的各井式主料室和各井式副料室的水平截面均為扇形。

實施例5

分離回收鋁電解槽內襯固體廢料和石油焦脫硫的電阻爐當用于生石油焦的高溫脫硫時的電阻爐結構如圖15所示；結構同實施例1，不同點在于：上部空間（14）的側壁上還設有揮發分導出管（20）與爐殼（4）外部的連接真空裝置的揮發分收集器連通。