一种氧铝联产无碳无固废电解槽的制作方法

1.本发明属于铝冶炼和可再生能源利用领域，涉及一种氧铝联产电解方法，特点是无碳、无固废。

背景技术：

2.法国的埃鲁(heroult)和美国的霍尔(hall)于1886年各自独立申请并注册了在冰晶石熔体中电解氧化铝炼铝的专利，从此迎来大规模霍尔-埃鲁法(h-h电解法)电解生产原铝。
3.现行的霍尔-埃鲁法电解生产原铝采用消耗性碳素阳极和碳素阴极，阳极不仅消耗大量以优质石油焦为主体的炭素材料，排放大量温室效应气体co2、强温室气体碳氟化合物(cf4、c2f6)、so2以及固废碳渣，而且在现行铝电解过程中，需要不断地频次较高地更换预焙阳极碳块，导致电解生产不稳定，并增加了劳动强度、工人面对高温熔体的人身风险和氟化物的无组织排放；预焙碳阳极生产过程中也会排放致癌性的芳香族化合物(pah)、so2、粉尘，这些都是pm2.5的主要来源之一；阴极采用碳素电极也是现行铝电解固体废物主要来源之一，所带来的环境危害不容小觑。
4.进入21世纪，我国及世界的电解铝产量迅猛发展。据统计，我国目前电解铝的产量为4000万吨左右。随着电解铝产量的增加，电解过程中产生的固体废弃物，如废阴极炭块、废阳极炭渣、废耐火砖、废保温砖、废保温炉渣的产量也迅速增加。通常情况下，每生产1万吨电解铝将产生100吨废碳素材料、80吨废耐火材料以及一定数量的保温材料。现有技术条件下，电解铝厂大多采用建设厂房堆放电解铝固体废弃物，不仅占用了大量土地，而且其含有的可溶性氟化物、有可能渗入地下污染土壤和地下水、地表水，对周围生态环境、人类健康和动植物生长造成极大危害。

技术实现要素：

5.采用非碳阳极或称惰性阳极实现氧气与原铝联产电解新工艺，可以解决上述排放与污染问题，并可提高生产效率、减少占地面积、降低生产成本，而成为国际铝业界和材料界的关注焦点和研究热点。无碳阳极使用在氧铝联产电解过程中有以下优点：
6.(1)电解过程中电极几乎不消耗，无需附属的炭素加工厂和碳阳极组装厂，降低了生产成本，消除了由炭素阳极生产与使用带来的环境影响与污染；
7.(2)不产生碳渣固体废弃物；
8.(3)电极不消耗，极距稳定，易于控制，阳极更换频率减少十倍以上，劳动强度和职业风险大为降低；
9.(4)可以采用更高的单位体积电流，使电解槽产能增加；
10.(5)阳极产品为氧气，避免了环境污染，氧气还可以作为副产品。
11.更近一步地，本发明不仅采用无碳阳极，而且无碳阴极、无碳槽底，主要是通过特殊设计的阴极结构、铝水池以及铝电解槽内衬结构，可以解决铝电解的固废污染。具体通过
如下技术方案实现：
12.一种氧铝联产无碳无固废电解槽，采用竖式惰性电极和无碳槽底基体，所述竖式惰性电极包括竖式无碳阳极与竖式的金属陶瓷导电阴极结构，其中，阴极结构包含：阴极板、导电陶瓷桩、阴极小导电棒、阴极小导电棒保护套、阴极大导电棒；阴极板通过导电陶瓷桩，与阴极小导电棒及阴极大导电棒相连；阴极大导电棒从电解槽底部或侧部出电；
13.无碳槽底基体结构为：由下而上依次包含保温结构层，防渗结构层，铝池主构筑层，防铝液冲刷层。
14.所述阴极板采用铝水可润湿同时耐铝水侵蚀的惰性导电陶瓷材料，粉末冶金成型，整体是平板结构，或是上部为平板，下部为梯形结构，或上部为平板，下部为倒t形结构，或平板下部开孔结构；所述四种结构均方便阴极板与导电陶瓷桩装配，装配时两者结合面采用tib2糊料固定，防止在工作时阴极板脱落。
15.所述导电陶瓷桩材料采用铝水可润湿同时耐铝水侵蚀的惰性导电陶瓷材料，粉末冶金成型，导电陶瓷桩上部开平槽或梯形槽或倒t形槽或带孔的楔销结构与阴极板下部对应并固定；导电陶瓷桩下部开大小两个台阶孔，大孔通过防小导电棒氧化密封填料与阴极小导电棒保护套胶合，小孔通过高温导电浆和泡沫金属与阴极小导电棒加压连接。
16.阴极大导电棒上有大小两个台阶孔，小孔用于阴极小导电棒和阴极大导电棒定位，大孔四周浇纯铁水使两者固定或通过泡沫金属加导电密封剂压接固定；
17.所述阴极小导电棒保护套主要作用防止小导电棒氧化、保护其耐高温电解质及铝水腐蚀，材料采用al2o3、sic、tib2、莫来石或玄武岩。
18.所述阴极小导电棒、阴极大导电棒材质为导电金属或合金材料。进一步地，所述阴极小导电棒、阴极大导电棒材质为碳钢、不锈钢、铜、镍、纯铁或有抗氧化涂层的纯铁。
19.所述保温结构层由下而上依次采用硅酸钙板，保温砖，防渗隔热砖；保温结构层中最底部的两层(硅酸钙板，保温砖)主要起到保温，隔热作用；
20.防渗结构层主要由干式防渗料构成；起防渗和隔热的防渗结构层中的干式防渗粉料全部覆盖阴极大导电棒，在初期与电解质结合形成玻璃态，结成整体，防止铝水与电解质的进一步渗透，并起到保护阴极大导电棒和阴极小导电棒的作用；
21.所述的铝池主构筑层起到形成铝水池、保护阴极钢棒、隔热作用，主要由高铝预制层ⅰ，氧化铝粉末层，高铝预制层ⅱ构成；更进一步，铝池主构筑层中的高铝预制层ⅰ为多块装配，阴阳l型或阴阳t型契合，块之间的缝隙填充氧化铝粉末；上下两层高铝预制层之间的氧化铝粉末层为1-3厘米，在初期与电解质结合形成固态；高铝预制层ⅱ亦为多块装配，阴阳l型或阴阳t型契合，块之间的缝隙填充氧化铝粉末；最上层的高铝预制层在槽的四周的高铝预制层形成“伸腿”结构；考虑结构装配等便利，高铝预制层设计层为2层或2层以上，层与层之间用氧化铝粉末层隔开。
22.所述防铝液冲刷层起到耐腐蚀、耐磨作用，主要由烧结高铝预制层、刚玉、sic、mgo、mgo-c、tib2、bn材质中的一种或多种制成薄板铺设构成。
23.阴极材料回收：
24.①
阴极板和导电陶瓷桩采用导电陶瓷(如tib2、zrb2等)材料，可以回收后加工成新的阴极板和导电陶瓷桩；
②
阴极小导电棒保护套(材质主要为al2o3)可以回收后，加入电解质中或用于槽内衬或防渗层；
③
阴极小导电棒和大导电棒为金属或合金材料，可以熔炼成
新的导电棒；
25.内衬回收：
26.①
最底部的三层(硅酸钙板，保温砖，防渗隔热砖)是最稳定的，电解槽大修时结构可以保留，继续使用；
②
干式防渗料层会分成两层：上部的玻璃态薄层和底部的粉末层，玻璃态薄层；粉末层可以回收利用；
③
上部的高铝预制件，氧化铝粉末，被电解质，铝液侵蚀后可以回收后，作为启动槽时的电解质原料；
④
耐铝液冲刷层采用高铝烧结板、刚玉、sic，mgo，mgo-c，tib2，bn可循环使用或用于槽内衬，高铝烧结板、刚玉也可直接加入电解质中。
27.本发明的有益效果为：
28.本发明电解槽可实现槽内所有材料的回收，循环使用，真正实现无固废即消除了传统有碳铝电解槽所固有的碳渣与废阴极炭块等危险固废，让铝工业更加清洁、更加绿环保，铝成为更加绿的金属。
附图说明
29.图1为无固废电解槽示意图；a-主视图，b-左视图；
30.图2阴极板及与导电陶瓷桩安装形式1-平板，a-主视图，b-左视图，c-装配图；
31.图3阴极板及与导电陶瓷桩安装形式2-梯形板，a-主视图，b-左视图，c-装配图；
32.图4阴极板及与导电陶瓷桩安装形式3
‑“
t”形板，a-主视图，b-左视图，c-装配图；
33.图5阴极板及与导电陶瓷桩安装形式4-孔板，a-主视图，b-左视图，c-装配图；
34.图6高铝预制件“阴阳契合”“l”型结构示意图；
35.图7高铝预制件“阴阳契合”“t”型结构示意图；
36.图8陶瓷导电桩、阴极小导电棒、阴极小导电棒保护套装配示意图，阴极小导电棒局部密封式；
37.图9陶瓷导电桩、阴极小导电棒、阴极小导电棒保护套装配示意图，阴极小导电棒全密封式；
38.图10阴极大导电棒、阴极小导电棒、阴极小导电棒保护套装配示意图；
39.附图标记说明：
40.1阳极，2阴极板，3高铝预制层ⅱ，4氧化铝粉末层，5高铝预制层ⅰ，6干式防渗料，7防铝液冲刷层，8阴极小导电棒保护套，9阴极小导电棒，10阴极大导电棒，11导电陶瓷桩。
具体实施方式
41.下面结合说明书和实施例对本发明作进一步的描述，但并非对其保护范围的限制。
42.实施例1
43.如图1所示，为本发明的氧铝联产无碳无固废电解槽示意图，采用竖式无碳阳极、竖式的金属陶瓷导电阴极结构、无碳槽底基体，其中，阴极结构包含：阴极板2、导电陶瓷桩11、阴极小导电棒9、阴极小导电棒保护套8、阴极大导电棒10；阴极板2通过导电陶瓷桩11，与阴极小导电棒9及阴极大导电棒10相连；阴极大导电棒10从电解槽底部或侧部出电；具体为：所述阴极板2与导电陶瓷桩11装配，装配时两者结合面采用tib2糊料固定；导电陶瓷桩11上部结构与阴极板2下部对应并固定；导电陶瓷桩11下部开大小两个台阶孔，大孔通过防
小导电棒氧化密封填料与阴极小导电棒保护套8胶合，小孔通过高温导电浆和泡沫金属与阴极小导电棒9加压连接；阴极大导电棒10上有大小两个台阶孔，小孔用于阴极小导电棒9和阴极大导电棒10定位，大孔四周浇纯铁水使两者固定或通过泡沫金属加导电密封剂压接固定；
44.所述阴极板2采用铝水可润湿同时耐铝水侵蚀的惰性导电陶瓷材料，粉末冶金成型；
45.所述导电陶瓷桩11材料采用铝水可润湿同时耐铝水侵蚀的惰性导电陶瓷材料，粉末冶金成型；
46.所述阴极小导电棒保护套8材料采用al2o3、sic、tib2、莫来石或玄武岩；
47.所述阴极小导电棒9、阴极大导电棒10材质为碳钢、不锈钢、铜、镍、纯铁或有抗氧化涂层的纯铁。
48.无碳槽底基体结构为：由下而上依次主要包含保温结构层，防渗结构层，铝池主构筑层，防铝液冲刷层。
49.所述保温结构层由下而上依次采用硅酸钙板，保温砖，防渗隔热砖；
50.防渗结构层由干式防渗料6构成，干式防渗料全部覆盖阴极大导电棒10，在初期与电解质结合形成玻璃态，结成整体，保护阴极大小导电棒9；
51.所述的铝池主构筑层由高铝预制层ⅰ，氧化铝粉末层，高铝预制层ⅱ构成；高铝预制层设计层为2层或2层以上，层与层之间用氧化铝粉末层隔开；
52.所述防铝液冲刷层由烧结高铝预制层、刚玉、sic、mgo、mgo-c、tib2、bn材质中的一种或多种制成薄板铺设构成。
53.实施例2
54.如图2，图2(a)和(b)所示，阴极板为平板结构，图2(c)为阴极板及与导电陶瓷桩安装形式，平板结构的阴极板与上部开平槽的导电陶瓷桩11装配，装配时两者结合面采用tib2糊料固定，其他结构同实施例1。
55.实施例3
56.如图3，图3(a)和(b)所示，阴极板为上部平板，下部梯形结构，图3(c)为阴极板及与导电陶瓷桩安装形式，上部平板，下部梯形结构的阴极板与上部开梯形槽的导电陶瓷桩11装配，装配时两者结合面采用tib2糊料固定，其他结构同实施例1。
57.实施例4
58.如图4，图4(a)和(b)所示，阴极板为上部平板，下部倒t形结构，图4(c)为阴极板及与导电陶瓷桩安装形式，上部平板，下部倒t形结构的阴极板与上部开倒t形槽的导电陶瓷桩11装配，装配时两者结合面采用tib2糊料固定，其他结构同实施例1。
59.实施例5
60.如图5，图5(a)和(b)所示，阴极板为平板下部开孔结构，图5(c)为阴极板及与导电陶瓷桩安装形式，平板下部开孔结构的阴极板与上部带有孔的楔销结构的导电陶瓷桩11装配，装配时两者结合面采用tib2糊料固定，其他结构同实施例1。
61.实施例6
62.如图6所示，本实施例中，铝池主构筑层中的高铝预制层ⅰ和高铝预制层ⅱ中均为多块装配，高铝预制件之间采用阴阳“l”型契合”，其他结构同实施例1。
63.实施例7
64.如图7所示，本实施例中，铝池主构筑层中的高铝预制层ⅰ和高铝预制层ⅱ中均为多块装配，高铝预制件之前采用阴阳“t”型契合，其他结构同实施例1。
65.实施例8
66.本设计中陶瓷导电桩、阴极小导电棒、阴极小导电棒保护套装配如图8所示。结构不局限圆棒，矩形棒，多边形棒也是可以的。
67.如图8所示，陶瓷导电桩11、阴极小导电棒9、阴极小导电棒保护套8装配示意图，导电陶瓷桩11下部开大小两个台阶孔，大孔通过防小导电棒氧化密封填料与阴极小导电棒保护套8胶合，小孔通过高温导电浆和泡沫金属与阴极小导电棒9加压连接；其中，阴极小导电棒局部密封式，其他结构同实施例1。
68.实施例9
69.本设计中陶瓷导电桩、阴极小导电棒、阴极小导电棒保护套装配如图9所示。结构不局限圆棒，矩形棒，多边形棒也是可以的。
70.如图9所示，陶瓷导电桩11、阴极小导电棒9、阴极小导电棒保护套8装配示意图，导电陶瓷桩11下部开大小两个台阶孔，大孔通过防小导电棒氧化密封填料与阴极小导电棒保护套8胶合，小孔通过高温导电浆和泡沫金属与阴极小导电棒9加压连接；其中，阴极小导电棒全密封式，其他结构同实施例1。
71.实施例10
72.本设计中阴极大导电棒10、阴极小导电棒9、阴极小导电棒保护套8装配如图10所示阴极大导电棒10上有大小两个台阶孔，小孔用于阴极小导电棒9和阴极大导电棒10定位，大孔四周浇纯铁水使两者固定或通过泡沫金属加导电密封剂压接固定。
73.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，采用竖式惰性电极和无碳槽底基体，所述竖式惰性电极包括竖式无碳阳极与竖式的金属陶瓷导电阴极结构，其中，阴极结构包含：阴极板(2)、导电陶瓷桩(11)、阴极小导电棒(9)、阴极小导电棒保护套(8)、阴极大导电棒(10)；阴极板(2)通过导电陶瓷桩(11)，与阴极小导电棒(9)及阴极大导电棒(10)相连；阴极大导电棒(10)从电解槽底部或侧部出电；无碳槽底基体结构为：由下而上依次主要包含保温结构层，防渗结构层，铝池主构筑层，防铝液冲刷层。2.如权利要求1所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，所述阴极板(2)采用铝水可润湿同时耐铝水侵蚀的惰性导电陶瓷材料，粉末冶金成型，整体是平板结构，或上部平板，下部梯形结构；或上部平板，下部倒t形结构；或平板下部开孔结构；所述阴极板(2)与导电陶瓷桩(11)装配，装配时两者结合面采用tib2糊料固定。3.如权利要求1所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，所述导电陶瓷桩(11)材料采用铝水可润湿同时耐铝水侵蚀的惰性导电陶瓷材料，粉末冶金成型，导电陶瓷桩(11)上部开平槽或梯形槽或倒t形槽或带孔的楔销结构与阴极板(2)下部对应并固定；导电陶瓷桩(11)下部开大小两个台阶孔，大孔通过防小导电棒氧化密封填料与阴极小导电棒保护套(8)胶合，小孔通过高温导电浆和泡沫金属与阴极小导电棒(9)加压连接。4.如权利要求1所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，阴极大导电棒(10)上有大小两个台阶孔，小孔用于阴极小导电棒(9)和阴极大导电棒(10)定位，大孔四周浇纯铁水使两者固定或通过泡沫金属加导电密封剂压接固定。5.如权利要求1所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，所述阴极小导电棒保护套(8)材料采用al2o3、sic、tib2、莫来石或玄武岩；所述阴极小导电棒(9)、阴极大导电棒(10)材质为导电金属或合金材料。6.如权利要求5所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，所述阴极小导电棒(9)、阴极大导电棒(10)材质为碳钢、不锈钢、铜、镍、纯铁或有抗氧化涂层的纯铁。7.如权利要求1所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，所述保温结构层由下而上依次采用硅酸钙板，保温砖，防渗隔热砖。8.如权利要求1所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，防渗结构层由干式防渗料(6)构成，干式防渗料全部覆盖阴极大导电棒(10)，在初期与电解质结合形成玻璃态，结成整体，保护阴极大导电棒(10)和阴极小导电棒(9)。9.如权利要求1所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，所述的铝池主构筑层由高铝预制层ⅰ(5)，氧化铝粉末层(4)，高铝预制层ⅱ(3)构成；其中，铝池主构筑层中的高铝预制层ⅰ(5)为多块装配，阴阳l型或阴阳t型契合，块之间的缝隙填充氧化铝粉末；上下两层高铝预制层之间的氧化铝粉末层为1-3厘米，在初期与电解质结合形成固态；高铝预制层ⅱ(3)亦为多块装配，阴阳l型或阴阳t型契合，块之间的缝隙填充氧化铝粉末；最上层的高铝预制层在槽的四周的高铝预制层形成“伸腿”结构；高铝预制层设计层为2层或2层以上，层与层之间用氧化铝粉末层(4)隔开。10.如权利要求1所述的一种氧铝联产无碳无固废电解槽，其特征在于，所述防铝液冲刷层由烧结高铝预制层、刚玉、sic、mgo、mgo-c、tib2、bn材质中的一种或多种制成薄板铺设
构成。

技术总结

本发明属于铝冶炼和可再生能源利用领域，公开了一种氧铝联产无碳无固废电解槽，阴极、阳极及铝水池均采用无碳材料，采用竖式惰性电极和无碳槽底基体，阴极板结构为阴极板通过空心杯阴极桩，与导电杆及阴极导电棒相连；导电棒从电解槽底部或侧部出电；阴极板定位后，电解槽底部铺2-4层高铝水泥预制板，每层板料采用阴阳契合，各层板料之间填充Al2O3粉末，预制板之间预留的缝隙填氧化铝粉；最后在上面铺耐铝液冲刷层，该层材料可以采用高铝烧结板、刚玉、SiC，MgO，MgO-C，TiB2，BN。本发明电解槽可实现槽内所有材料的回收，循环使用，真正实现无固废即消除了传统有碳铝电解槽所固有的碳渣与废阴极炭块等危险固废，让铝工业更加清洁、更加绿环保。更加绿环保。更加绿环保。