專利名稱：碳熱還原鋁生產(chǎn)的裝置和方法
碳熱還原鋁生產(chǎn)的裝置和方法相關(guān)申請的交叉引用本申請要求美國專利申請No. 11/950300的優(yōu)先權(quán)，該美國專利申請 No. 11/950300 的申請日為 2007 年 12 月 4 日，標題為“CARBOTHERMIC ALUMINUM PRODUCTION APPARATUS, SYSTEMS AND METHODS”，該文獻的整體通過參引結(jié)合在本文中。
背景技術(shù)：
鋁金屬通常由兩種技術(shù)來制造傳通的Hall方法，其中，電流在兩個電極之間經(jīng) 過，以將氧化鋁電解還原成鋁金屬；以及碳熱還原方法，其中，氧化鋁通過與碳的化學反應 而被化學還原成鋁。整個鋁的碳熱還原反應這樣進行A1203+3C — 2A1+3C0 (1)或者可以通過一系列化學反應來進行，例如2A1203+9C — A1403+6C0 (蒸氣) (2)A1403+A1203 — 6A1+3C0 (蒸氣) (3)A1203+2C — A120 (蒸氣)+2C0 (蒸氣)(4)A1203+4A1 — 3A120 (蒸氣)(5)Al —A1 (蒸氣)(6)反應(2)(通常稱為爐渣生產(chǎn)步驟)通常在1875°C和2000°C之間的溫度下進行。 反應(3)(通常稱為鋁生產(chǎn)步驟)通常在高于大約2050°C的溫度下進行。鋁蒸氣物質(zhì)可以 在反應⑵和⑶中形成，盡管鋁蒸氣物質(zhì)可以通過反應(4)、(5)和(6)形成。

發(fā)明內(nèi)容
廣義地說，本發(fā)明涉及用于碳熱還原生產(chǎn)鋁的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法可以使 用頂部進入電極和多個側(cè)部進入電極。交流電流可以結(jié)合電極使用，這可以有利于鋁的高
效生產(chǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于碳熱還原生產(chǎn)鋁的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括碳 熱還原反應器和電源。該碳熱還原反應器包括腔室，該腔室用于容納熔池，該腔室至少部分 地由碳熱還原鋁生產(chǎn)反應器的外殼和底板來限定。一組側(cè)部進入電極穿透外殼，并與腔室 連通。單個頂部進入電極與腔室連通，且該頂部進入電極可沿上下方向運動。在一個實施 例中，使用了基本覆蓋腔室的蓋。該蓋包括用于接收該單個頂部進入電極的第一口。在一 個實施例中，該蓋包括至少一個附加口，用于接收要供給腔室的原料。電源與該組側(cè)部進入電極電連通。在一個方式中，電源包括發(fā)電機，該發(fā)電機用于 將不同的電壓相供給該組側(cè)部進入電極中的每個電極。在一個方式中，電源用于相對于該 組電極的各電極施加相移。在一個實施例中，電源可操作以向各電極供給等量的各電壓相。 在一個實施例中，電源可操作以向各電極供給可調(diào)量的各電壓相。在一個實施例中，當頂部 進入電極處于第一位置時，且在反應器的工作過程中，來自電源的至少一些電流以三角形 結(jié)構(gòu)通過熔池。在一個實施例中，當頂部進入電極處于第二位置時，且在反應器的工作過程中，至少一些電流以Y形結(jié)構(gòu)通過熔池。反應器可以包括內(nèi)壁，該內(nèi)壁與蓋相互連接，并朝向反應器的底板延伸。在一個實 施例中，該內(nèi)壁至少部分地外接頂部進入電極的一部分。在另一實施例中，該內(nèi)壁完全外接 頂部進入電極的一部分。在一個實施例中，該內(nèi)壁與冷卻供給系統(tǒng)相互連接。在一個實施例 中，該內(nèi)壁包括至少一個通道，該通道用于使冷卻劑流過其。在一個實施例中，該內(nèi)壁包括 至少一個孔，該孔完全穿透該內(nèi)壁，且該至少一個孔與蓋的所述至少一個附加口流體連通， 從而有利于在反應器的工作過程中使廢氣從腔室通向該至少一個附加口。在一個方式中，供給器與該至少一個附加口流體地相互連接。該供給器可以操作 以通過該至少一個附加口而將原料供給反應器，從而有利于在離開反應器的廢氣和進入反 應器的原料之間的相互作用。在一個實施例中，供給器包括活動部件，該活動部件布置成靠 近該至少一個附加口。該活動部件可以操作以將原料推入該至少一個附加口中。在一個實 施例中，供給器包括加熱器，用于在供給反應器之前預加熱供給材料。在一個實施例中，供 給器包括料斗。在一個方式中，使用多個電極組。在一個實施例中，該系統(tǒng)包括第一組電極和第二 組電極。在各組之間或在這些組內(nèi)，電極的相對高度和/或間距可以變化。在一個實施例 中，第一組電極與第一水平面對齊，第二組電極與第二水平面對齊。在一個實施例中，第一 水平面與第二水平面不同。在一個實施例中，電極環(huán)繞反應器的外殼的周邊等距離地間隔 開。該電系統(tǒng)可以構(gòu)造成獨立地操作各組電極。本發(fā)明還提供了一種操作碳熱還原鋁生產(chǎn)反應器的方法。在一個方面，該方法包 括以下步驟在碳熱還原反應器中產(chǎn)生熔池和廢氣；通過原料供給通路將原料供給碳熱還 原生產(chǎn)反應器；使廢氣流入原料供給通路中；以及通過廢氣和原料的相互作用而從廢氣相 中除去至少一部分鋁物質(zhì)。熔池可以包括鋁金屬、碳化鋁和爐渣中的至少一種。廢氣可以 包括鋁蒸氣物質(zhì)和一氧化碳。原料供給通路可以由碳熱還原鋁生產(chǎn)反應器的蓋中的口、可 與熔池連通的頂部進入電極和外接該頂部進入電極的內(nèi)壁限定。在一個方式中，通過使多相電流流過熔池而產(chǎn)生/保持該熔池。在一個實施例中， 通過使多相電流在與熔池連通的多個側(cè)部進入電極之間通過來產(chǎn)生/保持該熔池。在一個 實施例中，通過使交流電從所述側(cè)部進入電極中的至少一個流向頂部進入電極來產(chǎn)生/保 持該熔池。在一個實施例中，該方法包括使得頂部進入電極位于第一垂直位置中，在該第一 垂直位置，第一量的交流電可以流向頂部進入電極。再有，該方法可以包括伴隨著產(chǎn)生步驟 而使得頂部進入電極運動至第二垂直位置，在該第二垂直位置，第二量的交流電可以流向 該頂部進入電極。在一個方式中，供給原料的步驟包括在將原料供給熔池之前預處理該原料。在一 個實施例中，該供給步驟包括在位于原料供給通路外部的預加熱區(qū)域中預加熱原料。例如， 原料可以在(例如通過上述供給器)進入原料供給通路之前加熱至至少大約100°c的溫度。 原料也可以在原料處于反應器中時但在原料(例如通過原料供給通路)被供給熔池之前進 行加熱/處理，在一個實施例中，該方法包括當原料位于原料供給通路中時將原料加熱至 至少大約600°C的溫度。在一個實施例中，該方法包括當原料位于原料供給通路中時將原料 加熱至低于原料材料的熔點的溫度(例如不大于大約1900°C )。在一個實施例中，當原料 位于原料供給通路中時，原料的氧化鋁和含碳材料可以進行反應，以產(chǎn)生碳化鋁。
如上所述，該方法可以包括在反應器的工作過程中產(chǎn)生廢氣。在一個實施例中，該 方法包括在外接頂部進入電極的一部分的內(nèi)壁的周邊的外部產(chǎn)生第一部分廢氣。再有，該 方法可以包括使得第一部分廢氣的至少一些通過位于內(nèi)壁中的孔流入原料供給通路。如上所述，該方法可以包括從產(chǎn)生的廢氣中除去至少一些鋁物質(zhì)。在一個實施例 中，該除去步驟包括使得至少一些鋁物質(zhì)與原料中的含碳材料反應。在一個相關(guān)實施例中， 該除去步驟包括在原料的表面上冷凝至少一些鋁物質(zhì)。在一個方式中，該方法包括通過外 部冷卻劑供給源來冷卻內(nèi)壁，例如通過使得冷卻劑流過位于內(nèi)壁中的至少一個通道。再有， 該除去含鋁蒸氣的步驟可以包括在內(nèi)壁的表面上冷凝鋁蒸氣。應當知道，上述多個本發(fā)明的方面可以組合，以便產(chǎn)生各種碳熱還原反應器和相 關(guān)系統(tǒng)。本發(fā)明的這些以及其它方面、優(yōu)點和新穎特征部分地在下面的說明書中提出，并將 由本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀下面的說明書和附圖變得清楚，或者可以通過實施本發(fā)明來了解。


圖1是碳熱還原反應器的一個實施例的剖視圖。圖2是圖1的碳熱還原反應器的頂視圖。圖3是在碳熱還原反應器的第一組側(cè)部進入電極之間的電流的一個實施例的示 意圖。圖4是在碳熱還原反應器的第二組側(cè)部進入電極之間的電流的一個實施例的示 意圖。圖5是碳熱還原反應器和電源裝置的一個實施例的示意圖。圖6是碳熱還原反應器的一個實施例的剖視圖，該碳熱還原反應器具有與它相互 連接的供給器。圖7是圖6的碳熱還原反應器的側(cè)視圖，具有顯示內(nèi)部特征剖切部分。圖8a是顯示用于操作碳熱還原反應器的方法的一個實施例的流程圖。圖8b是顯示用于操作碳熱還原反應器的方法的一個實施例的流程圖。圖8c是顯示用于操作碳熱還原反應器的方法的一個實施例的流程圖。圖8d是顯示用于操作碳熱還原反應器的方法的一個實施例的流程圖。
具體實施例方式下面將參考附圖詳細說明，附圖至少有助于圖示說明本發(fā)明的各個相關(guān)實施例。 圖1和2顯示了用于碳熱還原生產(chǎn)鋁的碳熱還原反應器(也稱為碳熱還原爐)的一個實施 例。在所示實施例中，反應器1包括外殼10和底板15，該外殼10和底板15至少部分地限 定了用于容納熔池16的腔室11。反應器1還包括多個側(cè)部進入電極12、13，這些側(cè)部進入 電極12、13穿透外殼10，并與熔池16連通。在所示實施例中，第一組電極12相對于底板 15位于第一高度處，第二組電極13相對于底板15位于更高的第二高度水平處。反應器1 還包括單個頂部進入電極14，該頂部進入電極14與腔室11連通，且該頂部進入電極14可 沿上下方向運動，如箭頭17所示。反應器1還包括蓋18，該蓋18基本覆蓋腔室11。蓋18 至少包括用于接收單個頂部進入電極14的第一口 20。該蓋18還包括至少一個附加口 21，用于接收要供給腔室11的原料(未示出)。工作時，來自電源(未示出)的多相電流可以供給電極12、13，并通過熔池16，以 便生產(chǎn)鋁金屬。特別是，多相電流可以用于電阻加熱熔池至從大約1875°C至大約2200°C 的范圍內(nèi)的溫度，以便于生產(chǎn)鋁金屬。在一個實施例中，反應器1可以在從大約1875°C至 2000°C的溫度范圍內(nèi)工作，以便生產(chǎn)碳化鋁和含碳化鋁的爐渣。反應器1可以在從大約 2050°C至2200°C的溫度范圍內(nèi)工作，以便從碳化鋁和含碳化鋁的爐渣中生產(chǎn)鋁金屬。反應 器1可以在從大約1900°C至1950°C的溫度范圍內(nèi)工作，以便從生產(chǎn)的鋁金屬中析取出碳。 在反應器1的工作過程中可以制造多種廢氣和多種物質(zhì)(例如A1203、A1、C0)。在一種工作模式中，多相電流以三角形結(jié)構(gòu)通過熔池16。如圖3中所示，多相電流 可以供給在第一組電極12之間并在該第一組電極12之間共用，從而有利于加熱熔池16，例 如熔池16的下部部分。如圖4中所示，再者，多相電流可以在第二組電極13之間供給并在 該第二組電極13之間共用，從而有利于加熱熔池16，例如熔池16的上部部分。特別是，第 一電流量可以在第一時序中借助第一組電極12通過熔池16。而第二電流量可以在第二時 序中借助第二組電極13通過熔池16。因此在熔池內(nèi)可以實現(xiàn)不同的電流流動通路。特別 是，在第一組電極12之間流動的電流可以相對于底板15在第一高度處流動，以便加熱熔池 16的第一部分(例如下部、下中部或中部部分)，且在第二組電極13之間流動的電流可以 相對于底板15在第二高度處流動，以便加熱熔池16的第二部分(例如中部、上中部或上部 部分)。而且，不同的電流量可以被供給各電極組。因此，在反應器中可以實現(xiàn)不同的電強 度。在所示實施例中，第三組電極32和第四組電極33包含在反應器1中，第三組電極 32與第一組電極12水平對齊，第四組電極33與第二組電極13水平對齊。這些電極組33、 34中的一個或多個和/或附加電極組可以任選地用于進一步方便電流在熔池16中的分配， 從而有利于更均勻和高效地加熱熔池16。而且，不同電極組可以沿水平和/或垂直方向?qū)?齊，以便于改變通過熔池16的電流分配。在所示實施例中，使用每組三個電極，且電極繞反應器1的周邊等距間隔開。而三 個不同電壓相可以施加給該組電極中的各電極。也可以使用相移。還可以使用其它結(jié)構(gòu)。 例如，可以使用每組六個電極，六個不同的電壓相可以供給該組電極中的各電極。每組電極 的數(shù)目大致相關(guān)聯(lián)應用。各組電極可以獨立于其它組的電極操作。在所示實施例中，使用多個側(cè)部進入電極組。不過，也可以使用單組側(cè)部進入電 極。應當知道，電極可以以任意合適的方式來布置，以便于碳熱還原反應器的操作。在 圖1所示的實施例中，外殼10包括與底板15相互連接的下部錐形部分19。這種下部錐形 部分19對將電極12、13的尖端定位成更靠近反應器1的中心軸線是有用的。而在電極的尖 端處產(chǎn)生的熱量將流入到熔池16的更中心部分，從而減少在外殼處產(chǎn)生的熱損失。因此，
可以提高工作效率。與側(cè)部進入電極12、13結(jié)合使用多相電流提供了優(yōu)于以前的碳熱還原反應器設(shè) 計的優(yōu)點。例如，與直流電電流相反，使用多相電流能夠在反應器1中使用更高的電流負 載，這有利于產(chǎn)生更高的功率強度。而對于給定的反應器尺寸可以需要更少電極，從而降低 了反應器的投資成本和復雜性。
提供給反應器1的電流量也可以對于特殊處理步驟進行調(diào)節(jié)。例如，在反應器1 起動的過程中可以使用多組側(cè)部進入電極(例如12、13、32和/或33)。如果反應器以批量 模式工作時(例如生產(chǎn)碳化鋁和爐渣、隨后生產(chǎn)金屬、任選地隨后從鋁金屬中析取出碳、隨 后從反應器中取出鋁金屬)，在爐渣制造過程中，可以使用多組側(cè)部進入電極以進一步促進 碳化鋁在熔池16內(nèi)的均勻生產(chǎn)。也可選擇，可以在工作過程中主要使用下部和/或中部定 位的側(cè)部進入電極組，以便降低通過熔池16的上部部分的電流量，并因此降低該熔池16的 上部部分的溫度。從而可以實現(xiàn)更低的蒸氣生產(chǎn)率。類似地，可以在金屬制造中使用多組 側(cè)部進入電極，以便于使得溫度適合將碳化鋁還原成鋁金屬和碳，但是對于爐渣制造，可以 主要使用下部和/或中部定位的側(cè)部進入電極組，以控制熔池16上部部分的加熱。同樣， 可以在碳析取過程中使用多組側(cè)部進入電極，以便于使得溫度適合碳從金屬相中析取至爐 渣相，但是對于爐渣和金屬制造，可以主要使用下部和/或中部定位的側(cè)部進入電極組，以 便控制熔池16的上部部分的加熱。在這些步驟中，可以間歇地使用中部和/或上部的側(cè)部 進入電極，以便在熔池16內(nèi)獲得合適的溫度和/或溫度梯度。當反應器1以連續(xù)模式工作 時，如下面進一步所述，一組或多組側(cè)部進入電極可以被合適地操作，以便在反應器內(nèi)獲得 合適條件。因此，使用多組側(cè)部進入電極和多相電流有利于調(diào)節(jié)反應器的工作，以便在熔池 內(nèi)產(chǎn)生合適的溫度和/或溫度梯度。也可以促進熔池16的電磁攪拌。在一個方式中，第一組電極可以使得電流沿第一 通路(例如順時針)流過熔池。而第二組電極可以使得電流與第一通路一致(例如同樣順 時針)地或沿不同的通路(例如逆時針)流過熔池。由于通過不同電極提供的交流電的電 磁效應，可以有利于調(diào)節(jié)熔池的攪拌。在一個方式中，熔池的攪拌通過相配合的電流流動通 路來實現(xiàn)。在相關(guān)方式中，熔池的運動(例如攪動、攪拌)可以通過非配合電流流動通路來 降低，該非配合電流流動通路是與熔池通過一組或多組側(cè)部進入電極而產(chǎn)生的流動方向相 反的電流。因此，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)的熔池混合強度和流動方向。多相電流可以提供給側(cè)部進入電極12、13和/或頂部進入電極14上，以便于熔池 16的生產(chǎn)，例如將熔池16加熱至合適溫度。當頂部進入電極14處于第一位置時，例如當 頂部進入電極14相對于熔池16升高時，電流通常以圖1、3和4的三角形結(jié)構(gòu)流過熔池16 流過。不過，當頂部進入電極14處于第二位置(例如低于第一位置的位置，例如當頂部進 入電極14的一部分浸入在熔池16中時)時，至少一些電流可以從一個或多個側(cè)部進入電 極12、13流入頂部進入電極14中，以便于在熔池16中形成交替的電流分配通路。特別是， 頂部進入電極14可以在一組或多組側(cè)部進入電極12、13的工作過程中下降進入到熔池16 中。而提供給側(cè)部進入電極12、13的至少一些電流可以流向頂部進入電極14(例如Y形結(jié) 構(gòu)的電流)。這樣，頂部進入電極14可以用于促進熔池16內(nèi)的電流分配。在一個實施例 中，當頂部進入電極14充分接近側(cè)部進入電極12、13時，提供給側(cè)部進入電極12、13的電 流可以流向頂部進入電極14，從而能夠很容易地改變?nèi)鄢?6內(nèi)的功率密度，例如通過改變 頂部進入電極14的高度。功率密度可以變化，以便獲得各種反應器情況，或者響應各種反 應器情況。例如，功率密度可以由于在爐渣相或在熔融鋁金屬相中的電阻變化而變化，或者 由于包含在熔池中的碳量的變化而變化。頂部進入電極14可以用于促進反應器1的起動。特別是，頂部進入電極可以沿上 下方向運動，以便于電荷的機械按摩(massaging)。頂部進入電極還可以定位成從一個或多個側(cè)部進入電極接收電流，從而使得電流能夠沿各種方向流過反應器1的起動裝料(例如 鋁和/或碳的開始材料)，并提供更均勻的加熱。在一個實施例中，所形成的電流可以從三 角形電阻負載轉(zhuǎn)變成Y形/三角形的組合。頂部進入電極的尖端越靠近底板15，越多的負 載朝著Y形電阻負載轉(zhuǎn)變，這在頂部進入電極處產(chǎn)生更多的熱量。此外，相電流可以進行調(diào) 節(jié)，以便于附加電流流過頂部進入電極。在一個實施例中，頂部進入電極的尖端可以通過接 收電流而電阻加熱，這可以進一步幫助加熱起動裝料。當該裝料達到合適溫度時，頂部進入 電極可以運動至另一位置(例如相對于熔池更高，或者從熔池中取出)。頂部進入電極14 的上下運動功能可以伴隨著頂部進入電極14的電接收功能來使用。因此，頂部進入電極14 可以物理按摩初始裝料/熔池16，同時有利于電流流過其。圖5中顯示了用于方便電流的供給/分配的電源的一個實施例。在所示實施例 中，電源30通過電線WfW3與第一組電極12相互電連接。電源30還通過電線W4與單個頂 部進入電極14相互電連接。電源30包括各種部件，用于方便電流分配和供給反應器1的 側(cè)部進入電極12和/或頂部進入電極14。特別是，電源30包括供電裝置31、開關(guān)34、轉(zhuǎn)接 插座變換器35、電源變壓器36、高電流開關(guān)37和連接母線38。該結(jié)構(gòu)有利于電流供給側(cè) 部進入電極12和從單個頂部進入電極14接收電流。類似結(jié)構(gòu)可以用于向電極13、32和/ 或33供電以及從單個頂部進入電極14接收電流。電源30的這種結(jié)構(gòu)也有利于在某些情 況下向頂部進入電極14供給電流。更具體地說，高電流開關(guān)37和連接母線38的結(jié)構(gòu)使得 電流能夠從側(cè)部進入電極12轉(zhuǎn)換至頂部進入電極14。電流向頂部進入電極14的供給可以 例如在反應器1的起動過程中使用，如上所述。如果在電流向頂部進入電極14供給的過程 中使用多于一組電極，則可以使用變壓器相移或者其它隔離或控制技術(shù)。除了使用頂部進入電極的電流分配優(yōu)點，還可以實現(xiàn)其它優(yōu)點。例如，因為頂部進 入電極14可沿上下方向運動(例如通過外部機械裝置)，所以頂部進入電極14可以用于進 一步促進熔池16的混合(由于它與熔池16的物理相互作用)。在一個實施例中，例如在出 渣工作過程中，頂部進入電極14可以浸入熔池16中，從而使得反應器1內(nèi)的熔池16的高 度移動和升高。在該實施例中，金屬出口(未示出)可以布置在外殼10的上部部分中。當 熔池16的高度升高時(例如通過頂部進入電極14的浸入)，布置在熔池16的頂部附近的 熔融金屬可以通過金屬出口而流出反應器1。參考圖1，如上所述，蓋18可以包括一個或多個口 21，用于接收要供給反應器1的 供料。各種裝置和方法可以用于通過口 21 (例如通過簡單的料斗)將原料供給反應器1。 不過，通常有用的是在將原料供給反應器1之前預處理該原料。因此，在一個實施例中，預 處理供給器與反應器1相互連接，用于將預處理過的原料供給反應器。圖6中顯示了反應 器/預處理供給器結(jié)構(gòu)的一個實施例。在所示實施例中，預處理供給器24與反應器1的蓋 18相互連接，并包括一個或多個與蓋18的口 21相互連接的通道23。原料22通過該通道 23和口 21供給反應器1。原料22例如可以包括氧化鋁和含碳材料。供給器24可以包括 用于加熱原料22的加熱器(未示出)，以便將原料預處理至合適溫度，例如在從100°C至大 約1900°C (例如恰好低于它的熔點)范圍內(nèi)的溫度。因此，通道23可以用作預加熱區(qū)域。 供給器24還可以包括一個或多個活動部件25，用于方便將原料22供給口 21。特別是，活 動部件25可以被至少部分地容納在通道23內(nèi)，并且可操作成將原料22推入口 21中。活 動部件25可以包括錐形面，用于促進原料22在通道23內(nèi)的分配。
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反應器1還可以包括內(nèi)壁26，該內(nèi)壁26至少部分地外接(通常完全外接)頂部進 入電極14的一部分，從而提供在頂部進入電極14的外表面和內(nèi)壁26之間的環(huán)形空間。內(nèi) 壁26可以與蓋18相互連接，并可以朝向反應器1的底板15延伸。該內(nèi)壁可以延伸一定距 離，從而使得內(nèi)壁26的底部部分浸沒在熔池16中。因此，內(nèi)壁26可以使得頂部進入電極 14與在反應器1的工作過程中生產(chǎn)的熔融鋁金屬相2至少局部隔離。再有，可以減小流向 鋁金屬相2的電流，從而在反應器1的工作過程中限制廢氣G的生產(chǎn)。因此，在工作過程中 可以在并不短路的情況下生產(chǎn)更多的鋁金屬。在一個實施例中，通過溢流技術(shù)而有利于連 續(xù)金屬生產(chǎn)，在該溢流技術(shù)中，原料22被連續(xù)地供給反應器1，碳化鋁和爐渣相3和鋁金屬 相2通過上述反應而由此連續(xù)地生產(chǎn)，且生產(chǎn)的鋁金屬通過位于外殼10的上部部分中的金 屬出口(未示出)而流出反應器1。在這方面，下部/中部電極可以在第一電壓下工作，以 便將碳化鋁_爐渣3的下部/中部部分加熱至合適的爐渣制造溫度，同時中部/上部電極 可以在第二電壓下工作，以便將碳化鋁_爐渣的中部/上部部分加熱至合適的金屬制造溫 度。在一個實施例中，冷卻系統(tǒng)(未示出)可以與內(nèi)壁26流體地相互連接，以便冷卻 內(nèi)壁26，從而進一步限制與它接觸的廢氣G的產(chǎn)生。特別是，通道或其它合適裝置(未示 出)可以包括在內(nèi)壁26中，以便于冷卻劑流過其。這種通道或其它裝置可以布置在內(nèi)壁26 的外周0P的附近(例如遠離內(nèi)周IP)，以便于冷卻熔融鋁金屬相，同時限制位于內(nèi)壁26的 內(nèi)周IP附近的原料22的冷卻。內(nèi)壁26、口 21和頂部進入電極14的外表面可以限定原料供給通路，用于將原料 22供給反應器1的熔池16。因此，原料供給通路可以變化(例如通過頂部進入電極14的 運動)，且它的長度可以進行調(diào)節(jié)以便適合它的用途。原料供給通路可以通過內(nèi)壁26而與 熔融鋁金屬的至少一部分隔離。再有，在原料22和鋁金屬相2之間可以實現(xiàn)限制的相互作 用，從而減少鋁金屬由于熱力學原因而返回碳化鋁的量。因此，可以高效提高金屬的生產(chǎn)效 率。頂部進入電極14可以沿上下方向運動，以便按摩原料供給通路中的原料22，從而限制 原料22的結(jié)塊和原料22的橋接。使用原料供給通路還有利的是，在原料供給通路中的原 料22提供了用于就地加熱原料22的位置，并可以降低通向蓋18的輻射熱損失，從而提供 了更高的反應器工作效率。如圖1、6和7中所示，一個或多個孔27可以布置在內(nèi)壁26中。特別是，孔27可 以與口 21流體連通。因此，在反應器1內(nèi)形成的壓力可以降低，這是因為廢氣G可以通過 口 21而離開反應器1。廢氣G可以與原料供給通路的至少一部分流體連通。因此，在反應器1的工作過 程中產(chǎn)生的廢氣G可以流入原料供給通路中，并可以與容納在其內(nèi)的原料22相互作用。特 別是，廢氣中的鋁物質(zhì)(例如A120、A1)(例如通過凝結(jié)在原料22的表面上)可以與原料22 進行物理相互作用，從而從廢氣G中除去至少一部分鋁物質(zhì)。鋁物質(zhì)也可以與原料22進行 化學相互作用，例如與含碳材料反應以便生產(chǎn)碳化鋁/爐渣，從而從廢氣G中除去至少一部 分鋁物質(zhì)。廢氣G中的鋁物質(zhì)也可以冷凝在內(nèi)壁26的外周0P上。這又可以降低由于鋁蒸 氣損失而引起的無效率。如圖所示，頂部進入電極14為圓柱形結(jié)構(gòu)。在其它實施例中，可以使用其它結(jié)構(gòu) (例如矩形實體)。在特殊實施例中(未示出)，頂部進入電極為管形。在該實施例中，電流可以通過管形的頂部進入電極的實體部分，且原料22可以通過管形的頂部進入電極的空 心內(nèi)部部分而通入到反應器1中。在該實施例中，管的直徑可以進行調(diào)節(jié)，以便獲得通向反 應器1的原料22的合適供給速度。因此，離開該管形的頂部進入電極的尖端的原料可以被 預加熱，并且可以很容易地在進入熔池16中時液化。本發(fā)明還提供了一種操作碳熱還原鋁生產(chǎn)反應器的方法，圖8a中顯示了一個 實施例。在該實施例中，方法大致包括以下步驟在碳熱還原鋁生產(chǎn)反應器中產(chǎn)生熔池 (810)；將原料通過原料供給通路供給碳熱還原反應器(820)；使廢氣流入原料供給通路中 (830)；以及從廢氣中除去鋁物質(zhì)(840)。該方法還可以任選地包括將冷卻劑供給碳熱還原 反應器的內(nèi)壁的步驟(850)。這些步驟可以連續(xù)或并列地進行。因此，這些步驟中的一個或 多個可以伴隨著一個或多個其它步驟來進行。如圖8b中所示，產(chǎn)生熔池的步驟(810)可以包括使多相電流在多個側(cè)部進入電極 之間經(jīng)過的步驟(812)，這些側(cè)部進入電極與熔池連通。熔池可以包括鋁金屬、碳化鋁和爐 渣中的至少一種。廢氣可以在產(chǎn)生熔池的步驟(810)過程中產(chǎn)生。廢氣可以包括鋁物質(zhì)和 一氧化碳。產(chǎn)生熔池的步驟(810)可以包括使得交流電從至少一個側(cè)部進入電極流向頂部 進入電極的步驟(814)。例如，在使交流電流動的步驟(814)過程中，頂部進入電極可以位 于第一垂直位置(816)中，由此使得第一量的交流電流向頂部進入電極(例如沒有或者一 些交流電)。再有，頂部進入電極可以運動至第二垂直位置(818)，在該第二垂直位置，第二 量的交流電(例如一些或大部分交流電)可以流向頂部進入電極。因此，可以有利于改變 熔池內(nèi)的電流分布。如上所述，該方法可以包括通過原料供給通路將原料供給碳熱還原反應器的步 驟。原料供給通路可以至少部分地由碳熱還原鋁生產(chǎn)反應器的蓋的口、可與熔池連通的頂 部進入電極和外接該頂部進入電極的內(nèi)壁限定。如圖8c中所示，供給原料的步驟(820)可 以包括在位于反應器外部的預加熱區(qū)域中(例如通過供給器24，如上所述)預加熱原料的 步驟(822)。在這方面，原料可以在預加熱區(qū)域中被加熱至100°C至600°C范圍內(nèi)的溫度。 供給原料的步驟(820)可以包括當原料在原料供給通路中時加熱該原料的步驟(824)。在 這方面，原料可以在原料供給通路中被加熱至從大約600°C至大約1900°C的溫度。再有，原 料中的氧化鋁可以與原料中的含碳材料反應(826)，以便產(chǎn)生用于碳熱還原反應器的各種 供給材料，例如碳化鋁、爐渣和相關(guān)材料。如圖8d中所示，產(chǎn)生熔池的步驟(810)可以包括在內(nèi)壁的周邊的外部產(chǎn)生第一部 分廢氣的步驟(860)。再有，使廢氣流入原料供給通路的步驟(830)可以包括使該第一部 分廢氣的至少一部分通過圍繞位于內(nèi)壁中的一個或多個孔而流入原料供給通路中的步驟 (832)。從廢氣中除去鋁物質(zhì)的步驟(840)可以以各種方式來實現(xiàn)。在一個實施例中，至 少一些鋁物質(zhì)與原料中的含碳材料反應(842)，從而產(chǎn)生用于重新供給碳熱還原反應器的 可回收材料(例如碳化鋁、爐渣)。在另一實施例中，至少一些鋁物質(zhì)可以冷凝在原料的表 面上(844)。因此，可以限制鋁蒸氣的損失。盡管已經(jīng)詳細地描述了本發(fā)明的各種實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然清楚這些 實施例可以進行變化和改變。不過應當尤其知道，這些變化和改變在本發(fā)明公開內(nèi)容的精 神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種系統(tǒng)，包括碳熱還原反應器，該碳熱還原反應器包括腔室，該腔室用于容納熔池，該腔室至少部分地由碳熱還原鋁生產(chǎn)反應器的外殼和底板限定；一組側(cè)部進入電極，該組側(cè)部進入電極穿透外殼，并與腔室連通；單個頂部進入電極，該單個頂部進入電極與腔室連通，其中，該單個頂部進入電極可沿上下方向運動；和基本覆蓋腔室的蓋，其中，該蓋包括用于接收該單個頂部進入電極的第一口，且該蓋包括至少一個用于接收要供給腔室的原料的附加口；以及電源，該電源與所述一組側(cè)部進入電極電連通，其中，該電源用于將不同的電壓相供給到該一組側(cè)部進入電極的各個電極，或者用于向該一組側(cè)部進入電極的各個電極上施加相移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中在反應器的工作過程中，當頂部進入電極處于第 一位置時，電流以三角形結(jié)構(gòu)通過熔池。
3.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中在反應器的工作過程中，當頂部進 入電極處于第二位置時，電流以Y形結(jié)構(gòu)通過熔池。
4.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，還包括內(nèi)壁，該內(nèi)壁與蓋相互連接，并且朝著反應器的底板延伸，其中，該內(nèi)壁至少部分地外 接所述頂部進入電極的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述內(nèi)壁與冷卻供給系統(tǒng)相互連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4-5中任意一項所述的系統(tǒng)，其中所述內(nèi)壁包括至少一個孔，該至少 一個孔與蓋的所述至少一個附加口流體連通，從而有利于在反應器的工作過程中使得廢氣 從腔室通向所述至少一個附加口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括供給器，該供給器與所述至少一個附加口流體地相互連接，該供給器可操作以通過該 至少一個附加口將原料供給反應器，從而有利于離開反應器的廢氣和進入反應器的供給材 料之間的相互作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述供給器包括活動部件，該活動部件鄰近所述 至少一個附加口設(shè)置，所述活動部件可操作以將原料推入到該至少一個附加口中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7-8中任意一項所述的系統(tǒng)，其中所述供給器包括加熱器，該加熱器 用于在供給反應器之前預加熱供給材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任意一項所述的系統(tǒng)，其中所述供給器包括料斗。
11.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述一組電極是第一組電極，該系 統(tǒng)還包括第二組電極，所述電系統(tǒng)可操作以將不同電壓相供給到第二組側(cè)部進入電極的各 個電極，或者向該第二組側(cè)部進入電極的各個電極上施加相移。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中第一組電極與第一水平面對齊，第二組電極與 第二水平面對齊，第一水平面與第二水平面不同。
13.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述一組電極的電極環(huán)繞反應器 的外殼的周邊彼此等距離地間隔開，所述電源可操作以向各電極供給可調(diào)節(jié)量的各電壓相。
14.一種方法，包括在碳熱還原鋁生產(chǎn)反應器中產(chǎn)生熔池和廢氣，其中，該熔池包括鋁金屬、碳化鋁和爐渣 中的至少一種，該廢氣包括鋁物質(zhì)；通過原料供給通路將原料供給碳熱還原生產(chǎn)反應器，其中，原料供給通路由碳熱還原 鋁生產(chǎn)反應器的蓋中的口、可與熔池連通的頂部進入電極和至少部分地外接該頂部進入電 極的內(nèi)壁限定；使廢氣流入原料供給通路中；以及通過廢氣和原料的相互作用從廢氣中除去至少一些鋁物質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述產(chǎn)生步驟包括 使多相電流在與熔池連通的多個側(cè)部進入電極之間經(jīng)過。
16.根據(jù)權(quán)利要求14-15中的任一項所述的方法，其中，所述產(chǎn)生步驟包括 使交流電從所述側(cè)部進入電極中的至少一個流向頂部進入電極。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16中任意一項所述的方法，還包括使頂部進入電極定位于第一垂直位置中，由此使得第一量的交流電流向頂部進入電 極；以及伴隨著所述產(chǎn)生步驟，使頂部進入電極運動至第二垂直位置，由此使得第二量的交流 電流向頂部進入電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求14-17中任意一項所述的方法，其中，所述供給步驟包括 在位于原料供給通路外部的預加熱區(qū)域中預加熱原料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述預加熱步驟包括在進入原料供給通路之 前將原料加熱至至少大約100°C的溫度。
20.根據(jù)權(quán)利要求14-19中任意一項所述的方法，還包括當原料位于原料供給通路中時將原料加熱至至少大約600°C的溫度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中原料包括氧化鋁和含碳材料，且所述加熱步驟 包括當原料位于原料供給通路中時使氧化鋁與含碳材料進行反應，以產(chǎn)生碳化鋁。
22.根據(jù)權(quán)利要求14-21中任意一項所述的方法，其中，所述產(chǎn)生步驟包括 在內(nèi)壁的周邊的外部產(chǎn)生第一部分廢氣；以及所述流動步驟包括使第一部分廢氣中的至少一些通過位于內(nèi)壁中的孔流入原料供給通路中。
23.根據(jù)權(quán)利要求14-22中任意一項所述的方法，其中，所述除去步驟包括以下中的至 少一個使至少一些鋁物質(zhì)與原料中的含碳材料反應；以及在原料的表面上冷凝至少一些 鋁物質(zhì)。
24.根據(jù)權(quán)利要求14-23中任意一項所述的方法，還包括 通過外部冷卻劑供給源來冷卻內(nèi)壁。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述冷卻步驟包括 使冷卻劑流過位于內(nèi)壁中的至少一個通道。
全文摘要
本發(fā)明的裝置系統(tǒng)包括碳熱還原反應器和電源。碳熱還原反應器包括多個側(cè)部進入電極和頂部進入電極。電源可操作以向側(cè)部進入電極和/或頂部進入電極供給多相電流。電極與反應器的熔池連通，供給其的多相電流通過熔池以加熱反應器。供給各電極組的電流量可以調(diào)節(jié)，以便于調(diào)節(jié)熔池的加熱。在使用具有頂部進入電極和多個側(cè)部進入電極的反應器的碳熱還原鋁生產(chǎn)方法中，原料供給通路由反應器的蓋中的口和穿過所述口進入反應器腔室中的頂部電極限定。來自碳熱還原反應器的廢氣流入原料供給通路，以便預加熱鋁和碳還原劑的原料。
文檔編號F27D11/08GK101883872SQ200880119037
公開日2010年11月10日 申請日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月4日
發(fā)明者G·E·卡爾金, J·A·萊皮施 申請人:美鋁公司;埃爾凱姆公司