CN101883872A - 碳热还原铝生产的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的装置系统包括碳热还原反应器和电源。碳热还原反应器包括多个侧部进入电极和顶部进入电极。电源可操作以向侧部进入电极和/或顶部进入电极供给多相电流。电极与反应器的熔池连通，供给其的多相电流通过熔池以加热反应器。供给各电极组的电流量可以调节，以便于调节熔池的加热。在使用具有顶部进入电极和多个侧部进入电极的反应器的碳热还原铝生产方法中，原料供给通路由反应器的盖中的口和穿过所述口进入反应器腔室中的顶部电极限定。来自碳热还原反应器的废气流入原料供给通路，以便预加热铝和碳还原剂的原料。

Description

碳热还原铝生产的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求美国专利申请No.11/950300的优先权，该美国专利申请No.11/950300的申请日为2007年12月4日，标题为“CARBOTHERMIC ALUMINUM PRODUCTION APPARATUS，SYSTEMS AND METHODS”，该文献的整体通过参引结合在本文中。
背景技术
铝金属通常由两种技术来制造：传通的Hall方法，其中，电流在两个电极之间经过，以将氧化铝电解还原成铝金属；以及碳热还原方法，其中，氧化铝通过与碳的化学反应而被化学还原成铝。整个铝的碳热还原反应这样进行：
Al2O3+3C→2Al+3CO    (1)
或者可以通过一系列化学反应来进行，例如：
2Al2O3+9C→Al4O3+6CO(蒸气)    (2)
Al4O3+Al2O3→6Al+3CO(蒸气)    (3)
Al2O3+2C→Al2O(蒸气)+2CO(蒸气)  (4)
Al2O3+4Al→3Al2O(蒸气)        (5)
Al→Al(蒸气)                  (6)
反应(2)(通常称为炉渣生产步骤)通常在1875℃和2000℃之间的温度下进行。反应(3)(通常称为铝生产步骤)通常在高于大约2050℃的温度下进行。铝蒸气物质可以在反应(2)和(3)中形成，尽管铝蒸气物质可以通过反应(4)、(5)和(6)形成。
发明内容
广义地说，本发明涉及用于碳热还原生产铝的系统和方法。该系统和方法可以使用顶部进入电极和多个侧部进入电极。交流电流可以结合电极使用，这可以有利于铝的高效生产。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于碳热还原生产铝的系统，该系统包括碳热还原反应器和电源。该碳热还原反应器包括腔室，该腔室用于容纳熔池，该腔室至少部分地由碳热还原铝生产反应器的外壳和底板来限定。一组侧部进入电极穿透外壳，并与腔室连通。单个顶部进入电极与腔室连通，且该顶部进入电极可沿上下方向运动。在一个实施例中，使用了基本覆盖腔室的盖。该盖包括用于接收该单个顶部进入电极的第一口。在一个实施例中，该盖包括至少一个附加口，用于接收要供给腔室的原料。
电源与该组侧部进入电极电连通。在一个方式中，电源包括发电机，该发电机用于将不同的电压相供给该组侧部进入电极中的每个电极。在一个方式中，电源用于相对于该组电极的各电极施加相移。在一个实施例中，电源可操作以向各电极供给等量的各电压相。在一个实施例中，电源可操作以向各电极供给可调量的各电压相。在一个实施例中，当顶部进入电极处于第一位置时，且在反应器的工作过程中，来自电源的至少一些电流以三角形结构通过熔池。在一个实施例中，当顶部进入电极处于第二位置时，且在反应器的工作过程中，至少一些电流以Y形结构通过熔池。
反应器可以包括内壁，该内壁与盖相互连接，并朝向反应器的底板延伸。在一个实施例中，该内壁至少部分地外接顶部进入电极的一部分。在另一实施例中，该内壁完全外接顶部进入电极的一部分。在一个实施例中，该内壁与冷却供给系统相互连接。在一个实施例中，该内壁包括至少一个通道，该通道用于使冷却剂流过其。在一个实施例中，该内壁包括至少一个孔，该孔完全穿透该内壁，且该至少一个孔与盖的所述至少一个附加口流体连通，从而有利于在反应器的工作过程中使废气从腔室通向该至少一个附加口。
在一个方式中，供给器与该至少一个附加口流体地相互连接。该供给器可以操作以通过该至少一个附加口而将原料供给反应器，从而有利于在离开反应器的废气和进入反应器的原料之间的相互作用。在一个实施例中，供给器包括活动部件，该活动部件布置成靠近该至少一个附加口。该活动部件可以操作以将原料推入该至少一个附加口中。在一个实施例中，供给器包括加热器，用于在供给反应器之前预加热供给材料。在一个实施例中，供给器包括料斗。
在一个方式中，使用多个电极组。在一个实施例中，该系统包括第一组电极和第二组电极。在各组之间或在这些组内，电极的相对高度和/或间距可以变化。在一个实施例中，第一组电极与第一水平面对齐，第二组电极与第二水平面对齐。在一个实施例中，第一水平面与第二水平面不同。在一个实施例中，电极环绕反应器的外壳的周边等距离地间隔开。该电系统可以构造成独立地操作各组电极。
本发明还提供了一种操作碳热还原铝生产反应器的方法。在一个方面，该方法包括以下步骤：在碳热还原反应器中产生熔池和废气；通过原料供给通路将原料供给碳热还原生产反应器；使废气流入原料供给通路中；以及通过废气和原料的相互作用而从废气相中除去至少一部分铝物质。熔池可以包括铝金属、碳化铝和炉渣中的至少一种。废气可以包括铝蒸气物质和一氧化碳。原料供给通路可以由碳热还原铝生产反应器的盖中的口、可与熔池连通的顶部进入电极和外接该顶部进入电极的内壁限定。
在一个方式中，通过使多相电流流过熔池而产生/保持该熔池。在一个实施例中，通过使多相电流在与熔池连通的多个侧部进入电极之间通过来产生/保持该熔池。在一个实施例中，通过使交流电从所述侧部进入电极中的至少一个流向顶部进入电极来产生/保持该熔池。在一个实施例中，该方法包括使得顶部进入电极位于第一垂直位置中，在该第一垂直位置，第一量的交流电可以流向顶部进入电极。再有，该方法可以包括伴随着产生步骤而使得顶部进入电极运动至第二垂直位置，在该第二垂直位置，第二量的交流电可以流向该顶部进入电极。
在一个方式中，供给原料的步骤包括在将原料供给熔池之前预处理该原料。在一个实施例中，该供给步骤包括在位于原料供给通路外部的预加热区域中预加热原料。例如，原料可以在(例如通过上述供给器)进入原料供给通路之前加热至至少大约100℃的温度。原料也可以在原料处于反应器中时但在原料(例如通过原料供给通路)被供给熔池之前进行加热/处理，在一个实施例中，该方法包括当原料位于原料供给通路中时将原料加热至至少大约600℃的温度。在一个实施例中，该方法包括当原料位于原料供给通路中时将原料加热至低于原料材料的熔点的温度(例如不大于大约1900℃)。在一个实施例中，当原料位于原料供给通路中时，原料的氧化铝和含碳材料可以进行反应，以产生碳化铝。
如上所述，该方法可以包括在反应器的工作过程中产生废气。在一个实施例中，该方法包括在外接顶部进入电极的一部分的内壁的周边的外部产生第一部分废气。再有，该方法可以包括使得第一部分废气的至少一些通过位于内壁中的孔流入原料供给通路。
如上所述，该方法可以包括从产生的废气中除去至少一些铝物质。在一个实施例中，该除去步骤包括使得至少一些铝物质与原料中的含碳材料反应。在一个相关实施例中，该除去步骤包括在原料的表面上冷凝至少一些铝物质。在一个方式中，该方法包括通过外部冷却剂供给源来冷却内壁，例如通过使得冷却剂流过位于内壁中的至少一个通道。再有，该除去含铝蒸气的步骤可以包括在内壁的表面上冷凝铝蒸气。
应当知道，上述多个本发明的方面可以组合，以便产生各种碳热还原反应器和相关系统。本发明的这些以及其它方面、优点和新颖特征部分地在下面的说明书中提出，并将由本领域技术人员通过阅读下面的说明书和附图变得清楚，或者可以通过实施本发明来了解。
附图说明
图1是碳热还原反应器的一个实施例的剖视图。
图2是图1的碳热还原反应器的顶视图。
图3是在碳热还原反应器的第一组侧部进入电极之间的电流的一个实施例的示意图。
图4是在碳热还原反应器的第二组侧部进入电极之间的电流的一个实施例的示意图。
图5是碳热还原反应器和电源装置的一个实施例的示意图。
图6是碳热还原反应器的一个实施例的剖视图，该碳热还原反应器具有与它相互连接的供给器。
图7是图6的碳热还原反应器的侧视图，具有显示内部特征剖切部分。
图8a是显示用于操作碳热还原反应器的方法的一个实施例的流程图。
图8b是显示用于操作碳热还原反应器的方法的一个实施例的流程图。
图8c是显示用于操作碳热还原反应器的方法的一个实施例的流程图。
图8d是显示用于操作碳热还原反应器的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明，附图至少有助于图示说明本发明的各个相关实施例。图1和2显示了用于碳热还原生产铝的碳热还原反应器(也称为碳热还原炉)的一个实施例。在所示实施例中，反应器1包括外壳10和底板15，该外壳10和底板15至少部分地限定了用于容纳熔池16的腔室11。反应器1还包括多个侧部进入电极12、13，这些侧部进入电极12、13穿透外壳10，并与熔池16连通。在所示实施例中，第一组电极12相对于底板15位于第一高度处，第二组电极13相对于底板15位于更高的第二高度水平处。反应器1还包括单个顶部进入电极14，该顶部进入电极14与腔室11连通，且该顶部进入电极14可沿上下方向运动，如箭头17所示。反应器1还包括盖18，该盖18基本覆盖腔室11。盖18至少包括用于接收单个顶部进入电极14的第一口20。该盖18还包括至少一个附加口21，用于接收要供给腔室11的原料(未示出)。
工作时，来自电源(未示出)的多相电流可以供给电极12、13，并通过熔池16，以便生产铝金属。特别是，多相电流可以用于电阻加热熔池至从大约1875℃至大约2200℃的范围内的温度，以便于生产铝金属。在一个实施例中，反应器1可以在从大约1875℃至2000℃的温度范围内工作，以便生产碳化铝和含碳化铝的炉渣。反应器1可以在从大约2050℃至2200℃的温度范围内工作，以便从碳化铝和含碳化铝的炉渣中生产铝金属。反应器1可以在从大约1900℃至1950℃的温度范围内工作，以便从生产的铝金属中析取出碳。在反应器1的工作过程中可以制造多种废气和多种物质(例如Al2O3、Al、CO)。
在一种工作模式中，多相电流以三角形结构通过熔池16。如图3中所示，多相电流可以供给在第一组电极12之间并在该第一组电极12之间共用，从而有利于加热熔池16，例如熔池16的下部部分。如图4中所示，再者，多相电流可以在第二组电极13之间供给并在该第二组电极13之间共用，从而有利于加热熔池16，例如熔池16的上部部分。特别是，第一电流量可以在第一时序中借助第一组电极12通过熔池16。而第二电流量可以在第二时序中借助第二组电极13通过熔池16。因此在熔池内可以实现不同的电流流动通路。特别是，在第一组电极12之间流动的电流可以相对于底板15在第一高度处流动，以便加热熔池16的第一部分(例如下部、下中部或中部部分)，且在第二组电极13之间流动的电流可以相对于底板15在第二高度处流动，以便加热熔池16的第二部分(例如中部、上中部或上部部分)。而且，不同的电流量可以被供给各电极组。因此，在反应器中可以实现不同的电强度。
在所示实施例中，第三组电极32和第四组电极33包含在反应器1中，第三组电极32与第一组电极12水平对齐，第四组电极33与第二组电极13水平对齐。这些电极组33、34中的一个或多个和/或附加电极组可以任选地用于进一步方便电流在熔池16中的分配，从而有利于更均匀和高效地加热熔池16。而且，不同电极组可以沿水平和/或垂直方向对齐，以便于改变通过熔池16的电流分配。
在所示实施例中，使用每组三个电极，且电极绕反应器1的周边等距间隔开。而三个不同电压相可以施加给该组电极中的各电极。也可以使用相移。还可以使用其它结构。例如，可以使用每组六个电极，六个不同的电压相可以供给该组电极中的各电极。每组电极的数目大致相关联应用。各组电极可以独立于其它组的电极操作。
在所示实施例中，使用多个侧部进入电极组。不过，也可以使用单组侧部进入电极。
应当知道，电极可以以任意合适的方式来布置，以便于碳热还原反应器的操作。在图1所示的实施例中，外壳10包括与底板15相互连接的下部锥形部分19。这种下部锥形部分19对将电极12、13的尖端定位成更靠近反应器1的中心轴线是有用的。而在电极的尖端处产生的热量将流入到熔池16的更中心部分，从而减少在外壳处产生的热损失。因此，可以提高工作效率。
与侧部进入电极12、13结合使用多相电流提供了优于以前的碳热还原反应器设计的优点。例如，与直流电电流相反，使用多相电流能够在反应器1中使用更高的电流负载，这有利于产生更高的功率强度。而对于给定的反应器尺寸可以需要更少电极，从而降低了反应器的投资成本和复杂性。
提供给反应器1的电流量也可以对于特殊处理步骤进行调节。例如，在反应器1起动的过程中可以使用多组侧部进入电极(例如12、13、32和/或33)。如果反应器以批量模式工作时(例如生产碳化铝和炉渣、随后生产金属、任选地随后从铝金属中析取出碳、随后从反应器中取出铝金属)，在炉渣制造过程中，可以使用多组侧部进入电极以进一步促进碳化铝在熔池16内的均匀生产。也可选择，可以在工作过程中主要使用下部和/或中部定位的侧部进入电极组，以便降低通过熔池16的上部部分的电流量，并因此降低该熔池16的上部部分的温度。从而可以实现更低的蒸气生产率。类似地，可以在金属制造中使用多组侧部进入电极，以便于使得温度适合将碳化铝还原成铝金属和碳，但是对于炉渣制造，可以主要使用下部和/或中部定位的侧部进入电极组，以控制熔池16上部部分的加热。同样，可以在碳析取过程中使用多组侧部进入电极，以便于使得温度适合碳从金属相中析取至炉渣相，但是对于炉渣和金属制造，可以主要使用下部和/或中部定位的侧部进入电极组，以便控制熔池16的上部部分的加热。在这些步骤中，可以间歇地使用中部和/或上部的侧部进入电极，以便在熔池16内获得合适的温度和/或温度梯度。当反应器1以连续模式工作时，如下面进一步所述，一组或多组侧部进入电极可以被合适地操作，以便在反应器内获得合适条件。因此，使用多组侧部进入电极和多相电流有利于调节反应器的工作，以便在熔池内产生合适的温度和/或温度梯度。
也可以促进熔池16的电磁搅拌。在一个方式中，第一组电极可以使得电流沿第一通路(例如顺时针)流过熔池。而第二组电极可以使得电流与第一通路一致(例如同样顺时针)地或沿不同的通路(例如逆时针)流过熔池。由于通过不同电极提供的交流电的电磁效应，可以有利于调节熔池的搅拌。在一个方式中，熔池的搅拌通过相配合的电流流动通路来实现。在相关方式中，熔池的运动(例如搅动、搅拌)可以通过非配合电流流动通路来降低，该非配合电流流动通路是与熔池通过一组或多组侧部进入电极而产生的流动方向相反的电流。因此，可以实现调节的熔池混合强度和流动方向。
多相电流可以提供给侧部进入电极12、13和/或顶部进入电极14上，以便于熔池16的生产，例如将熔池16加热至合适温度。当顶部进入电极14处于第一位置时，例如当顶部进入电极14相对于熔池16升高时，电流通常以图1、3和4的三角形结构流过熔池16流过。不过，当顶部进入电极14处于第二位置(例如低于第一位置的位置，例如当顶部进入电极14的一部分浸入在熔池16中时)时，至少一些电流可以从一个或多个侧部进入电极12、13流入顶部进入电极14中，以便于在熔池16中形成交替的电流分配通路。特别是，顶部进入电极14可以在一组或多组侧部进入电极12、13的工作过程中下降进入到熔池16中。而提供给侧部进入电极12、13的至少一些电流可以流向顶部进入电极14(例如Y形结构的电流)。这样，顶部进入电极14可以用于促进熔池16内的电流分配。在一个实施例中，当顶部进入电极14充分接近侧部进入电极12、13时，提供给侧部进入电极12、13的电流可以流向顶部进入电极14，从而能够很容易地改变熔池16内的功率密度，例如通过改变顶部进入电极14的高度。功率密度可以变化，以便获得各种反应器情况，或者响应各种反应器情况。例如，功率密度可以由于在炉渣相或在熔融铝金属相中的电阻变化而变化，或者由于包含在熔池中的碳量的变化而变化。
顶部进入电极14可以用于促进反应器1的起动。特别是，顶部进入电极可以沿上下方向运动，以便于电荷的机械按摩(massaging)。顶部进入电极还可以定位成从一个或多个侧部进入电极接收电流，从而使得电流能够沿各种方向流过反应器1的起动装料(例如铝和/或碳的开始材料)，并提供更均匀的加热。在一个实施例中，所形成的电流可以从三角形电阻负载转变成Y形/三角形的组合。顶部进入电极的尖端越靠近底板15，越多的负载朝着Y形电阻负载转变，这在顶部进入电极处产生更多的热量。此外，相电流可以进行调节，以便于附加电流流过顶部进入电极。在一个实施例中，顶部进入电极的尖端可以通过接收电流而电阻加热，这可以进一步帮助加热起动装料。当该装料达到合适温度时，顶部进入电极可以运动至另一位置(例如相对于熔池更高，或者从熔池中取出)。顶部进入电极14的上下运动功能可以伴随着顶部进入电极14的电接收功能来使用。因此，顶部进入电极14可以物理按摩初始装料/熔池16，同时有利于电流流过其。
图5中显示了用于方便电流的供给/分配的电源的一个实施例。在所示实施例中，电源30通过电线W1-W3与第一组电极12相互电连接。电源30还通过电线W4与单个顶部进入电极14相互电连接。电源30包括各种部件，用于方便电流分配和供给反应器1的侧部进入电极12和/或顶部进入电极14。特别是，电源30包括供电装置31、开关34、转接插座变换器35、电源变压器36、高电流开关37和连接母线38。该结构有利于电流供给侧部进入电极12和从单个顶部进入电极14接收电流。类似结构可以用于向电极13、32和/或33供电以及从单个顶部进入电极14接收电流。电源30的这种结构也有利于在某些情况下向顶部进入电极14供给电流。更具体地说，高电流开关37和连接母线38的结构使得电流能够从侧部进入电极12转换至顶部进入电极14。电流向顶部进入电极14的供给可以例如在反应器1的起动过程中使用，如上所述。如果在电流向顶部进入电极14供给的过程中使用多于一组电极，则可以使用变压器相移或者其它隔离或控制技术。
除了使用顶部进入电极的电流分配优点，还可以实现其它优点。例如，因为顶部进入电极14可沿上下方向运动(例如通过外部机械装置)，所以顶部进入电极14可以用于进一步促进熔池16的混合(由于它与熔池16的物理相互作用)。在一个实施例中，例如在出渣工作过程中，顶部进入电极14可以浸入熔池16中，从而使得反应器1内的熔池16的高度移动和升高。在该实施例中，金属出口(未示出)可以布置在外壳10的上部部分中。当熔池16的高度升高时(例如通过顶部进入电极14的浸入)，布置在熔池16的顶部附近的熔融金属可以通过金属出口而流出反应器1。
参考图1，如上所述，盖18可以包括一个或多个口21，用于接收要供给反应器1的供料。各种装置和方法可以用于通过口21(例如通过简单的料斗)将原料供给反应器1。不过，通常有用的是在将原料供给反应器1之前预处理该原料。因此，在一个实施例中，预处理供给器与反应器1相互连接，用于将预处理过的原料供给反应器。图6中显示了反应器/预处理供给器结构的一个实施例。在所示实施例中，预处理供给器24与反应器1的盖18相互连接，并包括一个或多个与盖18的口21相互连接的通道23。原料22通过该通道23和口21供给反应器1。原料22例如可以包括氧化铝和含碳材料。供给器24可以包括用于加热原料22的加热器(未示出)，以便将原料预处理至合适温度，例如在从100℃至大约1900℃(例如恰好低于它的熔点)范围内的温度。因此，通道23可以用作预加热区域。供给器24还可以包括一个或多个活动部件25，用于方便将原料22供给口21。特别是，活动部件25可以被至少部分地容纳在通道23内，并且可操作成将原料22推入口21中。活动部件25可以包括锥形面，用于促进原料22在通道23内的分配。
反应器1还可以包括内壁26，该内壁26至少部分地外接(通常完全外接)顶部进入电极14的一部分，从而提供在顶部进入电极14的外表面和内壁26之间的环形空间。内壁26可以与盖18相互连接，并可以朝向反应器1的底板15延伸。该内壁可以延伸一定距离，从而使得内壁26的底部部分浸没在熔池16中。因此，内壁26可以使得顶部进入电极14与在反应器1的工作过程中生产的熔融铝金属相2至少局部隔离。再有，可以减小流向铝金属相2的电流，从而在反应器1的工作过程中限制废气G的生产。因此，在工作过程中可以在并不短路的情况下生产更多的铝金属。在一个实施例中，通过溢流技术而有利于连续金属生产，在该溢流技术中，原料22被连续地供给反应器1，碳化铝和炉渣相3和铝金属相2通过上述反应而由此连续地生产，且生产的铝金属通过位于外壳10的上部部分中的金属出口(未示出)而流出反应器1。在这方面，下部/中部电极可以在第一电压下工作，以便将碳化铝-炉渣3的下部/中部部分加热至合适的炉渣制造温度，同时中部/上部电极可以在第二电压下工作，以便将碳化铝-炉渣的中部/上部部分加热至合适的金属制造温度。
在一个实施例中，冷却系统(未示出)可以与内壁26流体地相互连接，以便冷却内壁26，从而进一步限制与它接触的废气G的产生。特别是，通道或其它合适装置(未示出)可以包括在内壁26中，以便于冷却剂流过其。这种通道或其它装置可以布置在内壁26的外周OP的附近(例如远离内周IP)，以便于冷却熔融铝金属相，同时限制位于内壁26的内周IP附近的原料22的冷却。
内壁26、口21和顶部进入电极14的外表面可以限定原料供给通路，用于将原料22供给反应器1的熔池16。因此，原料供给通路可以变化(例如通过顶部进入电极14的运动)，且它的长度可以进行调节以便适合它的用途。原料供给通路可以通过内壁26而与熔融铝金属的至少一部分隔离。再有，在原料22和铝金属相2之间可以实现限制的相互作用，从而减少铝金属由于热力学原因而返回碳化铝的量。因此，可以高效提高金属的生产效率。顶部进入电极14可以沿上下方向运动，以便按摩原料供给通路中的原料22，从而限制原料22的结块和原料22的桥接。使用原料供给通路还有利的是，在原料供给通路中的原料22提供了用于就地加热原料22的位置，并可以降低通向盖18的辐射热损失，从而提供了更高的反应器工作效率。
如图1、6和7中所示，一个或多个孔27可以布置在内壁26中。特别是，孔27可以与口21流体连通。因此，在反应器1内形成的压力可以降低，这是因为废气G可以通过口21而离开反应器1。
废气G可以与原料供给通路的至少一部分流体连通。因此，在反应器1的工作过程中产生的废气G可以流入原料供给通路中，并可以与容纳在其内的原料22相互作用。特别是，废气中的铝物质(例如Al2O、Al)(例如通过凝结在原料22的表面上)可以与原料22进行物理相互作用，从而从废气G中除去至少一部分铝物质。铝物质也可以与原料22进行化学相互作用，例如与含碳材料反应以便生产碳化铝/炉渣，从而从废气G中除去至少一部分铝物质。废气G中的铝物质也可以冷凝在内壁26的外周OP上。这又可以降低由于铝蒸气损失而引起的无效率。
如图所示，顶部进入电极14为圆柱形结构。在其它实施例中，可以使用其它结构(例如矩形实体)。在特殊实施例中(未示出)，顶部进入电极为管形。在该实施例中，电流可以通过管形的顶部进入电极的实体部分，且原料22可以通过管形的顶部进入电极的空心内部部分而通入到反应器1中。在该实施例中，管的直径可以进行调节，以便获得通向反应器1的原料22的合适供给速度。因此，离开该管形的顶部进入电极的尖端的原料可以被预加热，并且可以很容易地在进入熔池16中时液化。
本发明还提供了一种操作碳热还原铝生产反应器的方法，图8a中显示了一个实施例。在该实施例中，方法大致包括以下步骤：在碳热还原铝生产反应器中产生熔池(810)；将原料通过原料供给通路供给碳热还原反应器(820)；使废气流入原料供给通路中(830)；以及从废气中除去铝物质(840)。该方法还可以任选地包括将冷却剂供给碳热还原反应器的内壁的步骤(850)。这些步骤可以连续或并列地进行。因此，这些步骤中的一个或多个可以伴随着一个或多个其它步骤来进行。
如图8b中所示，产生熔池的步骤(810)可以包括使多相电流在多个侧部进入电极之间经过的步骤(812)，这些侧部进入电极与熔池连通。熔池可以包括铝金属、碳化铝和炉渣中的至少一种。废气可以在产生熔池的步骤(810)过程中产生。废气可以包括铝物质和一氧化碳。产生熔池的步骤(810)可以包括使得交流电从至少一个侧部进入电极流向顶部进入电极的步骤(814)。例如，在使交流电流动的步骤(814)过程中，顶部进入电极可以位于第一垂直位置(816)中，由此使得第一量的交流电流向顶部进入电极(例如没有或者一些交流电)。再有，顶部进入电极可以运动至第二垂直位置(818)，在该第二垂直位置，第二量的交流电(例如一些或大部分交流电)可以流向顶部进入电极。因此，可以有利于改变熔池内的电流分布。
如上所述，该方法可以包括通过原料供给通路将原料供给碳热还原反应器的步骤。原料供给通路可以至少部分地由碳热还原铝生产反应器的盖的口、可与熔池连通的顶部进入电极和外接该顶部进入电极的内壁限定。如图8c中所示，供给原料的步骤(820)可以包括在位于反应器外部的预加热区域中(例如通过供给器24，如上所述)预加热原料的步骤(822)。在这方面，原料可以在预加热区域中被加热至100℃至600℃范围内的温度。供给原料的步骤(820)可以包括当原料在原料供给通路中时加热该原料的步骤(824)。在这方面，原料可以在原料供给通路中被加热至从大约600℃至大约1900℃的温度。再有，原料中的氧化铝可以与原料中的含碳材料反应(826)，以便产生用于碳热还原反应器的各种供给材料，例如碳化铝、炉渣和相关材料。
如图8d中所示，产生熔池的步骤(810)可以包括在内壁的周边的外部产生第一部分废气的步骤(860)。再有，使废气流入原料供给通路的步骤(830)可以包括使该第一部分废气的至少一部分通过围绕位于内壁中的一个或多个孔而流入原料供给通路中的步骤(832)。
从废气中除去铝物质的步骤(840)可以以各种方式来实现。在一个实施例中，至少一些铝物质与原料中的含碳材料反应(842)，从而产生用于重新供给碳热还原反应器的可回收材料(例如碳化铝、炉渣)。在另一实施例中，至少一些铝物质可以冷凝在原料的表面上(844)。因此，可以限制铝蒸气的损失。
尽管已经详细地描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员显然清楚这些实施例可以进行变化和改变。不过应当尤其知道，这些变化和改变在本发明公开内容的精神和范围内。

Claims (25)

1.一种系统，包括：
碳热还原反应器，该碳热还原反应器包括：
腔室，该腔室用于容纳熔池，该腔室至少部分地由碳热还原铝生产反应器的外壳和底板限定；
一组侧部进入电极，该组侧部进入电极穿透外壳，并与腔室连通；
单个顶部进入电极，该单个顶部进入电极与腔室连通，其中，该单个顶部进入电极可沿上下方向运动；和
基本覆盖腔室的盖，其中，该盖包括用于接收该单个顶部进入电极的第一口，且该盖包括至少一个用于接收要供给腔室的原料的附加口；以及
电源，该电源与所述一组侧部进入电极电连通，其中，该电源用于将不同的电压相供给到该一组侧部进入电极的各个电极，或者用于向该一组侧部进入电极的各个电极上施加相移。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：在反应器的工作过程中，当顶部进入电极处于第一位置时，电流以三角形结构通过熔池。
3.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中：在反应器的工作过程中，当顶部进入电极处于第二位置时，电流以Y形结构通过熔池。
4.根据前述任意一项权利要求所述的系统，还包括：
内壁，该内壁与盖相互连接，并且朝着反应器的底板延伸，其中，该内壁至少部分地外接所述顶部进入电极的一部分。
5.根据权利要求4所述的系统，其中：所述内壁与冷却供给系统相互连接。
6.根据权利要求4-5中任意一项所述的系统，其中：所述内壁包括至少一个孔，该至少一个孔与盖的所述至少一个附加口流体连通，从而有利于在反应器的工作过程中使得废气从腔室通向所述至少一个附加口。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括：
供给器，该供给器与所述至少一个附加口流体地相互连接，该供给器可操作以通过该至少一个附加口将原料供给反应器，从而有利于离开反应器的废气和进入反应器的供给材料之间的相互作用。
8.根据权利要求7所述的系统，其中：所述供给器包括活动部件，该活动部件邻近所述至少一个附加口设置，所述活动部件可操作以将原料推入到该至少一个附加口中。
9.根据权利要求7-8中任意一项所述的系统，其中：所述供给器包括加热器，该加热器用于在供给反应器之前预加热供给材料。
10.根据权利要求7-9中任意一项所述的系统，其中：所述供给器包括料斗。
11.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中：所述一组电极是第一组电极，该系统还包括第二组电极，所述电系统可操作以将不同电压相供给到第二组侧部进入电极的各个电极，或者向该第二组侧部进入电极的各个电极上施加相移。
12.根据权利要求11所述的系统，其中：第一组电极与第一水平面对齐，第二组电极与第二水平面对齐，第一水平面与第二水平面不同。
13.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中：所述一组电极的电极环绕反应器的外壳的周边彼此等距离地间隔开，所述电源可操作以向各电极供给可调节量的各电压相。
14.一种方法，包括：
在碳热还原铝生产反应器中产生熔池和废气，其中，该熔池包括铝金属、碳化铝和炉渣中的至少一种，该废气包括铝物质；
通过原料供给通路将原料供给碳热还原生产反应器，其中，原料供给通路由碳热还原铝生产反应器的盖中的口、可与熔池连通的顶部进入电极和至少部分地外接该顶部进入电极的内壁限定；
使废气流入原料供给通路中；以及
通过废气和原料的相互作用从废气中除去至少一些铝物质。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述产生步骤包括：
使多相电流在与熔池连通的多个侧部进入电极之间经过。
16.根据权利要求14-15中的任一项所述的方法，其中，所述产生步骤包括：
使交流电从所述侧部进入电极中的至少一个流向顶部进入电极。
17.根据权利要求14-16中任意一项所述的方法，还包括：
使顶部进入电极定位于第一垂直位置中，由此使得第一量的交流电流向顶部进入电极；以及
伴随着所述产生步骤，使顶部进入电极运动至第二垂直位置，由此使得第二量的交流电流向顶部进入电极。
18.根据权利要求14-17中任意一项所述的方法，其中，所述供给步骤包括：
在位于原料供给通路外部的预加热区域中预加热原料。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：所述预加热步骤包括在进入原料供给通路之前将原料加热至至少大约100℃的温度。
20.根据权利要求14-19中任意一项所述的方法，还包括：
当原料位于原料供给通路中时将原料加热至至少大约600℃的温度。
21.根据权利要求20所述的方法，其中：原料包括氧化铝和含碳材料，且所述加热步骤包括：
当原料位于原料供给通路中时使氧化铝与含碳材料进行反应，以产生碳化铝。
22.根据权利要求14-21中任意一项所述的方法，其中，所述产生步骤包括：
在内壁的周边的外部产生第一部分废气；以及
所述流动步骤包括：
使第一部分废气中的至少一些通过位于内壁中的孔流入原料供给通路中。
23.根据权利要求14-22中任意一项所述的方法，其中，所述除去步骤包括以下中的至少一个：使至少一些铝物质与原料中的含碳材料反应；以及在原料的表面上冷凝至少一些铝物质。
24.根据权利要求14-23中任意一项所述的方法，还包括：
通过外部冷却剂供给源来冷却内壁。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述冷却步骤包括：
使冷却剂流过位于内壁中的至少一个通道。
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