CN112739835A - 用于制备热加工的材料的方法 - Google Patents

Abstract

用于制备热加工的材料(50)的方法，该方法包括提供待热加工的材料(35)，提供来自用于制备原生铝(15)的电解槽(10)的含碳废料(20)，将该待热加工的材料(35)引入炉(40)中，加工该含碳废料(20)以制备废燃料(55)，和使用通过燃烧该废燃料(55)产生的能量在该炉(40)中对该待热加工的材料(35)进行热加工，从而制备热加工的材料(50)。

Description

用于制备热加工的材料的方法

技术领域

本发明涉及一种通过使用从电解槽获得的废料作为用于制备原生铝的二次/补充的固体燃料，由废料制备再生铝的方法。

背景技术

通常根据Hall-Héroult工艺通过在电解槽中熔炼氧化铝(铝氧化物)来制备原生铝。这种电解槽通常具有带有侧壁和底壁的壳体，所述侧壁和底壁覆盖有耐火材料以形成反应室。碳阳极设置在反应室的顶部上，碳阴极设置在反应室的底部上或附近。阴极和阳极也称为电极。在一些电解槽中，碳电极材料也可存在于反应室的侧部上。将冰晶石和氧化铝引入反应室中，并且当足够的电流在阴极和阳极之间通过时，氧化铝通过在反应室中发生的阴极反应被还原成铝，铝积聚在反应室的底部。

通常通过重熔铝、例如铝的报废废料(在用户丢弃产品之后)或在制备铝产品时产生的铝工艺废料(例如通过冲压用于车辆门的板材中的窗户开口)来制备再生铝。此工艺可以反复进行。

虽然制备再生铝通常比制备原生铝所需的能量少，但能量需求却不可忽略。在再生铝中，由于在将材料分选为纯净部分中的缺陷并且因为去除效率低下的杂质积聚，每次重复使用时金属品质通常都会下降。此外，几乎所有存在的再生铝最初都是作为原生铝制备的，并且由于全球对铝的需求不断增加，再生铝不能满足所有需求。这意味着原生铝的制备将继续。

在Hall-Héroult工艺中，电解槽的含碳部件(即阴极和阳极，或者共同是电极)会变质(“为废的”)，并且需要更换。由于在Hall-Héroult工艺中原子从冰晶石和从氧化铝(铝氧化物)中的杂质扩散到电解槽的含碳部件中，因此由于电解槽中变质的含碳部件对健康和环境构成的风险，难以处置这些部件。

从美国专利4927459得知，在炉内部含有明火的炉中，由于其碳含量，废槽衬(potlining)用作燃料补充。该专利进一步指出，在这种情况下，包括废槽衬可以允许燃烧器维持所需的温度，该燃烧器在比其满负荷要低得多的温度下运行，并且优选明火炉以将废槽衬中的一些以其他方式危险的污染物转化无害的气态氧化物，用于收集在烟道气中并可能回收。例如，氰化物可以转化为碳氧化物和氮氧化物。然而，本发明人发现这种方法是不希望的，与所述专利的教导相反，当将废槽衬引入炉腔室中时，有害残留物保留在炉腔室内部产生的浮渣中。因此，本发明人发现，所述专利的教导并不能解决处置废槽衬的问题，而只是将该问题转移到处置被污染的浮渣的问题。此外，本发明人发现，特别是当制备再生铝时，当将足够大以显著降低燃烧器运行时负荷的大量废槽衬引入炉内部时，再生铝的品质低劣。认为这是由废槽衬中的杂质引起的。

因此，期望有一种用于处置电解槽的变质的含碳部件的有效方法。

此外，需要一种更有效的用于制备原生和再生铝的方法。

发明概述

本发明人发现，可以通过制备废/二次燃料并通过使用该废燃料对如下所述的材料进行热处理来实现这些和其他目的。因此，根据一个方面，本发明提供了一种用于制备热加工的材料例如再生铝的方法，该方法包括提供待热加工的材料、例如含铝废料，提供来自用于制备原生铝的电解槽的含碳废料，将该待热加工的材料例如含铝废料引入炉、例如回转炉中，加工该含碳废料以产生废燃料，和在该炉中使用通过燃烧该废燃料产生的能量对该待热加工的材料、例如含铝废料进行热加工，从而制备热加工的材料例如再生铝。根据本发明的方法可以制备有形的产品，并且可以不包括用于产生动力的方法，例如用于产生蒸汽或电力的方法。

特别地并且如上所述，本发明人发现，鉴于整个工艺链，当通过以如下所述的方式使用来自原生铝制备的工艺废料来制备再生铝时，可以更有效地制备铝。

因此，根据另一方面，本发明提供了一种用于制备再生铝的方法，该方法包括提供含铝废料、例如具有较低的第一特定铝含量的含铝废料，提供来自用于制备原生铝的电解槽的含碳废料，将该含铝废料引入回转炉中，加工该含碳废料以产生废燃料，和使用燃烧该废燃料产生的能量在该回转炉中熔化该含铝废料，从而制备再生铝，例如具有更高的第二特定铝含量的再生铝。

常规地，将含碳废料作为废物沉积在垃圾填埋场中。

根据本发明的实施方案，含碳废料可从电解槽的阳极和/或阴极获得。

根据本发明的实施方案，含铝废料可包含来自铝熔化和铸造的浮渣。

根据本发明的实施方案，含铝废料可以包含报废的铝废料或工艺铝废料。

根据本发明的实施方案，含铝废料可包含来自电解槽的含氟熔浴材料。

根据本发明的实施方案，加工含碳废料可以包括机械加工，所述机械加工包括粉碎和/或研磨含碳废料。

根据本发明的实施方案，可以对含碳废料进行机械加工，从而获得尺寸在10μm和300μm之间、特别是在50μm和100μm的颗粒。

根据本发明的实施方案，可以将废燃料气动地输送到燃烧器的火焰中，以产生用于熔化含铝废料的能量。

根据本发明的实施方案，可以将废燃料输送到燃烧器的火焰中，以产生用于熔化含铝废料的能量，同时将废燃料分散在液体燃料、特别是油中。

根据本发明的实施方案，燃烧器可以至少部分地使用天然气操作以产生火焰。

根据本发明的实施方案，关于热量值，用于熔化废料的能量的至少30％、特别是至少50％可以由废燃料提供。

根据本发明的实施方案，除了含铝废料之外，还可以将氯化物盐、特别是NaCl和/或KCl，和/或氟化物盐、特别是CaF₂引入回转炉中。

根据本发明的实施方案，通过调节熔浴材料与其他含铝废料的比例来调节回转炉中的氟含量。

根据本发明的实施方案，可以使用纯度为50％以上、特别是80％以上的氧作为用于燃烧废燃料的氧化剂。

根据本发明的实施方案，可以使用空气作为用于燃烧废燃料的氧化剂。

根据本发明的实施方案，可以使用富氧空气作为用于燃烧废燃料的氧化剂。

根据本发明的实施方案，可以将来自在回转炉中熔化含铝废料的废气引入燃烧器的火焰中用于二次燃烧。

根据本发明的实施方案，可以通过燃烧器或通过单独的喷枪将氧气注入废气流中以用于二次燃烧。

根据实施方案，本发明进一步提供一种使用闭环的质量流(例如使用基本上闭环的质量流)制备铝的方法，该方法包括使用电解槽由氧化铝制备原生铝，由原生铝和由再生铝制备产品，从该产品(报废废料)或该产品的制备(工艺废料)获得含铝废料，从该电解槽获得含碳废料，和使用上述方法由该含铝废料和该含碳废料制备再生铝。

根据实施方案，该方法可以进一步包括如上所述从电解槽获得熔浴材料并且从含铝废料、含碳废料和熔浴材料制备再生铝。所述熔浴材料可以是不可燃的。

根据本发明的方法有助于将包含在来自电解槽的含碳废料(例如废槽衬)中的有害成分与待热加工的材料分离并且不会污染该材料。

尽管主要是根据制备再生铝来描述根据本发明的方法，但是该方法可以用于在炉中对任何材料进行热加工。

根据本发明的实施方案，没有将废燃料引入炉的腔室(“内部”)中，而是在炉外部燃烧。即，根据本发明的实施方案，废燃料不与待热加工的材料，例如位于炉例如其炉腔室中(内部)的含铝废料接触。

附图简要说明

该图示出了根据本发明的实施方案的方法的示意图。

具体实施方式

根据本发明的方法从含铝废料制备再生铝，即不是直接由氧化铝制备的铝。参考图1，电解槽10由氧化铝(未示出)制备原生铝15。通常，这是通过Hall-Héroult工艺实现的，该工艺涉及电流从放置在电解槽底部上的阴极通过电解槽10的反应室流到放置在电解槽10上侧部上的阳极。反应室填充有氧化铝和冰晶石(Na₃AlF₆)和任选的其他添加剂，例如氟化锂。阳极和阴极均包含碳。尽管通过在氧化铝的还原过程中发生的碳氧化，阳极消耗的速率比阴极消耗的速率高，但阴极也会随着时间的流逝而劣化，并且最终必须更换。由于阳极和阴极都在反应室内与氟或含氟化合物接触，因此用过的(也称为“废的”)阳极和阴极可能包含氟。根据本发明，将来自电解槽10的废/用过的阳极和/或阴极称为含碳废料20。在电解槽10中制备原生铝的另一副产物是熔浴材料25，来自氧化铝的杂质、冰晶石/添加剂、来自阳极/阴极的杂质以及槽本身的混合物，其积聚在电解槽10的反应室的上侧部上，并且不时被除去。熔浴材料10可包含大量的氟(F)。

原生铝15用于制备产品30，例如铸造产品、金属片、挤压产品等。含铝废料35是从产品30的制备过程中产生的工艺废物(工艺废料)以及产品30本身在使用寿命结束时(报废废料)获得的。含铝废料35也可以从铸造铝时产生的浮渣或从铸造工艺废料获得。

根据本发明，将含铝废料35引入回转炉40中。通过燃烧器45对回转炉40进行加热，从而熔化含铝废料35。熔化可导致回转炉中的材料相对于特定铝含量的纯化，因为含铝废料35中的有机化合物(例如漆和涂料)被烧掉，并且其他杂质和氧化物可能积聚在浮渣中，该浮渣形成在回转炉40中的熔体的顶部上并且可以与熔体分离。在回转炉40中产生的熔化和固化的材料被称为再生铝50，因为与原生铝相反，它不是直接由氧化铝制备的。

再生铝50可以像原生铝15一样用于制备产品30，从而导致相对于铝的质量流基本上闭合的循环。该循环：

产品30–>含铝废料35–>再生铝50–产品30->…原则上可以无限地重复，然而实际上在回收过程中会损失一些铝，在一些应用中再生铝50的纯度存在问题，并且全球对铝的需求正在上升，因此在全球范围内再生铝50必须被原生铝15补充来满足需求。

根据本发明，对含碳废料20进行加工，从而获得废燃料55。该加工可以包括粉碎和/或研磨含碳废料20，从而减小颗粒尺寸。取决于燃烧器45的设计，使用最大圆法(例如使用光学显微镜)确定的废燃料55的平均颗粒尺寸可以在10μm和300μm之间，特别是在50μm和100μm之间。尽管较小的平均颗粒尺寸比较大的平均颗粒尺寸具有更好的表面积与体积之比，因此在燃烧器45的火焰中燃烧更好，但加工含碳废料20是资源密集的，并且在10μm和300μm之间、特别是在50μm和100μm之间的所述平均颗粒尺寸被认为是废燃料55的品质与废燃料55的制备效率之间的良好折衷。根据一个被认为就加工努力而言特别有效但仍制备具有有利的表面积与体积之比的颗粒的实施方案，将含碳废料20进行研磨，使得获得平均颗粒尺寸大于或等于150μm。然后将所述研磨的材料供给通过筛分装置(例如筛子)，使直径为150μm或更小的颗粒通过筛分装置以获得筛分部分。然后将筛分部分用作废燃料55。如果颗粒太大，则燃烧速度太低，燃烧器可能被堵塞，导致燃烧能量的利用不太有效，并且停机时间更长。另一方面，当颗粒太小时，由于过多的能量被花费在机械加工含碳废料20上，因此累积能量平衡劣化。

废燃料55由燃烧器45燃烧，通过加热含碳废料35而在回转炉40中制备再生铝50。由燃烧器45产生的加热回转炉40的热由图1中的箭头46示意性地示出。根据本发明的实施方案，燃烧器45位于炉40例如回转炉40的外部。换句话说，燃烧器45可位于炉40的炉腔室的外部。根据本发明的实施方案，废燃料55不与含铝废料35或再生铝50接触。这也意味着没有废槽衬与位于炉40内部(例如，炉腔室内部)的材料接触。

为了改进燃烧器45的性能，可以用天然气或油(石油)或衍生自气体/石油的碳氢化合物(例如柴油燃料、汽油或以其他方式加工的石油)来补充废燃料55。

可以将废燃料55吹入燃烧器45的火焰中，或者可以将废燃料55与补充燃料混合。在补充燃料是气体的情况下，可以焚烧所述气体和颗粒废燃料55的混合物以产生热。在补充燃料是液体例如油的情况下，可以将废燃料55分散在液体中，并且可以焚烧所得的分散体以产生热。

根据本发明的实施方案，使用回转炉40，因为由燃烧器45产生的火焰具有高的体积并且产生由固体废燃料55引起的大量的(热)辐射。发现回转炉40具有用于传递由燃烧器45燃烧废燃料55产生的火焰能量的优化传递区域。此外，回转炉40允许利用由燃烧器45产生的和/或通过熔化含铝废料35产生的气体的废气净化。

可以将通过在回转炉40中加热含铝废料35而产生的废气(图1中未示出)引导至燃烧器45以由燃烧器45燃烧。这导致对废气的清洁，因为废气中的有害化合物被燃烧。如果废气包含可在放热反应中燃烧的化合物(例如源自含铝废料35中的有机涂料或漆或塑料)，则所述化合物产生额外的热并提高能量效率。

根据本发明，可以将含氯盐例如NaCl或KCl与含铝废料35一起引入回转炉40中。发现含氯盐的这种添加可以提高由回转炉40制备的再生铝50的品质。据认为，该机理涉及由氯盐添加引起的在回转炉40中形成的浮渣中高熔点金属间化合物的增加的积累。

根据本发明，还可以任选地将含氟熔浴材料25与含铝废料35一起引入回转炉40中。认为来自熔浴材料25的氟降低了在回转炉40中熔化期间所形成的Al液滴的表面张力，这导致形成具有较高体积的液滴。由于表面与体积的几何关系，液滴越大，在液滴表面上发生的氧化越少。此外，氟可以帮助保持回转炉40的壁清洁。应当指出，根据本发明的含氟熔浴材料25不是废槽衬，而是取自电解槽的内部。

除了熔浴材料25之外或代替熔浴材料25，可以任选地将含氟盐例如CaF₂和/或Na₃AlF₆或其他盐与含铝废料35一起引入回转炉40中。

因此，本发明提供了能够通过使用来自在电解槽10中制备原生铝15的废料来有效地制备再生铝50的方法，其减少了能量消耗并且减少了在垃圾填埋场中处置的废物的量。

Claims (15)

1.一种用于制备热加工的材料(50)的方法，该方法包括提供待热加工的材料(35)，

提供来自用于制备原生铝(15)的电解槽(10)的含碳废料(20)，

将该待热加工的材料(35)引入炉(40)中，

加工该含碳废料(20)以制备废燃料(55)，和

使用通过燃烧该废燃料(55)产生的能量在该炉(40)中对该待热加工的材料(35)进行热加工，从而制备热加工的材料(50)。

2.根据权利要求1所述的方法，用于制备再生铝(50)，该方法包括

提供含铝废料(35)，

提供来自用于制备原生铝(15)的电解槽(10)的含碳废料(20)，

将含铝废料(35)引入炉(40)例如回转炉(40)中，

加工该含碳废料(20)以制备废燃料(55)，和

使用通过燃烧该废燃料(55)产生的能量在该炉(40)中熔化该含铝废料(35)，从而制备再生铝(50)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该含碳废料(20)由该电解槽(10)的阳极和/或阴极获得。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中该含铝废料(35)包含来自铝熔化和铸造的浮渣。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中该含铝废料(35)包含报废的铝废料或工艺铝废料。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中该含铝废料(25)包含来自该电解槽(10)的含氟熔浴材料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中加工该含碳废料(20)包括机械加工，所述机械加工包括粉碎和/或研磨该含碳废料(20)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中对含碳废料(20)进行机械加工，从而获得平均尺寸在10μm和300μm之间、特别是在50μm和100μm之间的颗粒。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将该废燃料(35)气动地输送到燃烧器(45)的火焰中，以产生用于熔化该含铝废料(35)的能量。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中将该废燃料(55)输送到燃烧器(45)的火焰中，以产生用于熔化该含铝废料(35)的能量，同时将所述废燃料分散在液体燃料、特别是油中。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的方法，就引用权利要求9或10而言，其中关于热量值，用于熔化该含铝废料(35)的能量的至少30％、特别是至少50％由该废燃料(55)提供。

12.根据权利要求2至11中任一项所述的方法，其中除了该含铝废料(35)之外，还将氯化物盐、特别是NaCl和/或KCl，和/或氟化物盐、特别是CaF₂引入回转炉(40)中。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，就引用权利要求6而言，其中通过调节熔浴材料(25)与其他含铝废料(35)的比率来调节回转炉(40)中的氟含量。

14.根据权利要求2至13中任一项所述的方法，就引用权利要求9或10而言，其中将来自在回转炉(40)中熔化该含铝废料(35)的废气引入燃烧器(45)的火焰中用于二次燃烧。

15.使用基本上闭环的质量流制备铝的方法，该方法包括

使用电解槽(10)由氧化铝制备原生铝(15)，

由原生铝(15)和由再生铝(50)制备产品(30)，

从该产品(35；报废废料)或该产品的制备(35；工艺废料)获得含铝废料(35)，

从该电解槽(10)获得含碳废料(20)，和

使用权利要求2至14中任一项所述的方法由该含铝废料(35)和该含碳废料(20)制备再生铝(50)。

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