真空冶金法分离铝灰中的氟、氯和氮化合物.pdf

铝灰是合金熔铸过程中熔炼炉产生的渣及处理后的收尘粉，由于生产中加入了打渣剂和精炼剂，使铝灰中的氟和氯元素含量较高。本技术主要针对铝灰废料利用真空冶金原理分离希散的氯化物和氟化物，在>600℃、真空环境中、保温5min的条件下一次分离得到5种分离物，分别为：Al2O3 纯度95-98wt%、AlN 86-95wt%、KMgAlF3 92-96wt%、NaCl 98-99wt%，无污染、短流程是真空蒸馏法处理含氟氯氮化合物铝灰废料的有效方法。

权利要求书
1.  采用真空加热升华-冷凝的方法分离铝灰中的氟、氯和氮化合物，通过以下步骤完成：
a)将铝灰置于密闭容器内，抽出容器内的部分气体（降压），在容器内制造一定的真空度；
b) 将铝灰加热到一定温度（升温），造成氟、氯或氮化合物的升华/或是大量挥发；
c) 原料经过若干次加温挥发，其中污染物质含量达标；
d) 升华气体或挥发气体经冷凝后分别或混合收集。

2.  权利要求1的方法，分离原料可以是铝合金熔铸过程中产生的铝灰，也可以是其他含氟、氯、硫、砷、氮及其化合物的固体废弃物。

3.  权利要求1的方法，原料中的氟化物、氯化物、硫化物、砷化物或氮化物在常压或负压环境中可以大量挥发。

4.  权利要求3的方法，原料需要控制在一定温度，范围从-100℃到3000℃。

5.  权利要求3的方法，原料需要控制在一定压力下，范围从0到106Pa。

6.  权利要求4的方法，加温方法可以采用电阻、电弧、等离子、固体燃料、气体燃料、气体燃料、微波、太阳能、热泵或几种组合方式。

7.  权利要求1的方法，冷凝过程包含凝华或液化，冷凝温度范围从150℃到3000℃。

8.  权利要求1的方法，冷凝收集过程包含多个温度段，分别收集氟、氯、硫、砷、氮及其化合物。

9.  权利要求1的a）降压和b）升温过程并不是固定程序，可以先升温再降压、先降压再升温、边升温边降压、仅只升温、仅只降压或交替进行。

说明书真空冶金法分离铝灰中的氟、氯和氮化合物
技术领域
本发明涉及将工业或者生活固体废弃物中的部分物质分离的方法，属于环境、化工与冶金工程技术领域。
背景技术
铝灰是合金熔铸过程中熔炼炉产生的渣本发明涉及将工业或者生活固体废弃物中的部分物质分离的方法，属于环境、化工与冶金工程技术领域。
及处理后的收尘粉，由于生产中加入了打渣剂和精炼剂，使铝灰中的氟和氯元素含量较高。过去铝行业处置的方法多是将铝灰中的金属铝尽量多的分离后，作为净水剂原料外卖。现在铝灰已被国家列为危险废弃物，如何处置成为铝行业急需解决的问题。
铝灰的主要化学成分：
24～53wt% Al、1.3～16 wt% Cl、1.6～7 wt% Na、0.5～5 wt% F、0.7～6.7 wt% Si、2.2～2.7 wt% Mg、 0.2～0.4 wt% Fe。
铝灰的物相组成：
40.82-56.35 wt% Al2O3; 4.2-5.98 wt% Al; 2.36-10.85wt% NaAl7O11   ; 2.51-10.78wt% NaCl; 2.37-2.45wt% KMgAlF6; 2.2-4.95wt% Al3.21Si0.47; 3.42-4.97wt% AlN; 0.56-0.74wt% Fe2TiO4; 12.5-21.99wt% MgAl2O4; 5wt% 其他。
发明内容
本技术采用不产生污染的真空法来分离含氟氯废料并回收氟化物和氯化物。根据真空冶金理论，对于A-B两种组分的混合物能否分离可以通过计算相同条件下的分离系数（ ）来判断:

为组分A、B的活度系数， 为组分A、B的纯蒸汽压，通过资料和试验数据可以得到和的数值，根据的大小基本上可以判断A、B的混合物能否通过真空蒸馏法进行分离。当时，A、B的混合物不能通过真空蒸馏法进行分离，只有当时，才能将其分离。
在常压环境下，Al2O3、KMgAlF3、NaCl之间的分离系数都接近1，即，这些组分构成的混合物并不能通过挥发分离，即使在电解温度下，KMgAlF3和NaCl也只能少量挥发，这种特性保证了冰晶石型电解质能够在电解温度保持挥发量很小，这种物理特性几乎不受加热方式的影响，即使采用微波、等离子、高能辐射也无法在常压下和1000℃以下完成分离。
考察KMgAlF3和NaCl的熔点和沸点可以得到一定的解释，KMgAlF3和NaCl都是离子型化合物，熔点比较接近，当温度超过800℃以后，KMgAlF3和NaCl就会熔化形成熔盐体系，因此产生“共沸”现象，即KMgAlF3和NaCl的同时挥发；而且挥发量较小，达不到和Al2O3分离的目的。而且在铝灰的常压热分析过程中，我们发现率先熔化的KMgAlF3和NaCl熔盐和Al2O3 的表面张力较大，会包裹在Al2O3表面，进一步增加了分离难度。
在真空条件下，Al2O3与KMgAlF3、Al2O3与NaCl的分离系数都高达105 以上，KMgAlF3和NaCl表现出很强的升华现象，从420℃开始，首先KMgAlF3会迅速升华形成气态，凝华收集后分离得到KMgAlF3粉末，回收率在98%以上；接着NaCl也可以完成升华-凝华-分离收集的过程，回收率在99%以上。整个升华-凝华过程非常迅速，在10分钟内可以完成，回收率也特别高，不对环境产生污染。加热所需热源可以根据需要多种选择，可以采用气体、电阻、电弧、微波、甚至太阳能。
1.工艺流程短：实际操作中只通过一台真空炉就可以完成全部分离过程，原料基本上不需预处理，产物也不需要二次加工。
2.无污染：真空冶金法属于物理分离提纯技术，不需要其他化学原料，无任何废弃物产生。
3.产物纯度高：大部分产物达到工业原料级别，可以循环使用。
4.投入低：前期投入大部分用于购买真空炉，设备较为便宜、占地面积小、操作人员少、工作强度小和工作周期长。扩大产能只需多增加真空炉，不需改造原有设备。
具体实施方式：
工艺流程：大部分工艺流程都集成在真空炉内，现场工艺极其简单。
参考图1. 铝灰真空冶金法循环利用技术工艺流程
实施例1：
原料采用云铝提供的4#铝灰，每次处理量为300kg，每种物料采用不同工艺数据完成4次实验，工艺参数：最高温度700℃，最高温度保温时间：3分钟，加温速率：100℃/min，真空度：500Pa，加热前抽真空时间：1分钟。实验数据如下：
原料成分： 
54.82wt% Al2O3; 5.98wt% Al; 7.60wt% NaAl7O11; 8.50wt% NaCl; 2.37wt% KMgAlF6; 2.20wt% Al3.21Si0.47; 4.90wt% AlN; 0.56wt% Fe2TiO4; 18.9wt% MgAl2O4。
分离料1：95wt% Al2O3，4wt%AlN，1wt% 其它，产出率77%；
分离料2：5wt% Al2O3， 94wt%AlN， 1wt% 其它，产出率4%；
分离料3：4wt% NaCl，96wt% KMgAlF3，产出率3%；
分离料4：98wt% NaCl，2wt% KMgAlF3，产出率8%；
分离料5：97 wt% Al，3wt%其它，产出率7%。
注：原料含量为厂家资料2.分离料均采用wt%, 3.产出率=分离料质量/总原料质量。 
从分离料3、分离料4的含量分析结果可以看出分离料所含的氟和氯化合物已经很微量，氧化物和氮化物也基本分离，分离所得的AlN可以用于耐火部件/结构件的生产原料。
实施例2：
原料采用云铝提供的5#铝灰，每次处理量为400kg，每种物料采用不同工艺数据完成3次实验，工艺参数：最高温度570℃，最高温度保温时间：3分钟，加温速率：100℃/min，真空度：700Pa，加热前抽真空时间：50秒。实验数据如下：
原料成分：50.13wt% Al2O3， 5.90wt% Al， 8..60wt% NaAl7O11， 8.43wt% NaCl， 2.15wt% KMgAlF6， 1.80wt% Al3.21Si0.47， 4.01wt% AlN， 0.62wt% Fe2TiO4， 18.26wt% MgAl2O4。
分离料1：93wt% Al2O3，7wt%AlN，1wt% 其它，产出率82%；
分离料2：4wt% Al2O3， 96wt%AlN，产出率2%；
分离料3：5wt% NaCl，95wt% KMgAlF3，产出率5%；
分离料4：97wt% NaCl，3wt% KMgAlF3，产出率8%；
分离料5：97 wt% Al，3wt%其它，产出率3%。
相对于实例1，在较低温度和真空度下，从分析结果可以看出分离料3、4所得的氟和氯化合物很纯净，从分离料3、4的产出率分析结果可知，氟和氯化合物收集很全，没有逸散到大气中的污染物，但是氧化物和氮化物分离不是很彻底。
 工业化处置成本估算：
按照常见真空炉处理量：10T/天计算。扩大产能只需乘于相应倍数。
日处理量10T,设备投资￥150万，能耗1500kWh，厂房面积70m2 X8m（高），工人数12工日；日处理量100T,设备投资￥1500万，能耗1.5万kWh，厂房面积700m2 X8m（高），工人数120工日；日处理量10NT,设备投资￥150N万，能耗1500N kWh，厂房面积70N m2 X8m（高），工人数12N工日。
分离产物用途与价格：
95-98wt% Al2O3可用作电解铝原料、耐火材料、工业陶瓷原料，价格￥5/kg；98-99 wt% NaCl可用作化工原料，价格￥0.4元/kg；86-95wt% AlN可用作耐火部件、结构件，价格70元/kg；92-96 wt% KMgAlF3用作打渣剂/工业原料，5元/kg，以上价格受纯度影响很大。
附图说明：
图1是铝灰真空冶金法循环利用技术工艺流程图。