СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR PRODUCTION OF THERMALLY PROCESSED MATERIAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу производства вторичного алюминия из скрапа с использованием, кроме того, скрапа, полученного из электролизной ячейки (электролизера), производящей первичный алюминий, в качестве вторичного/дополнительного твердого топлива.
Уровень техники
Первичный алюминий обычно производят путем плавления глинозема (оксида алюминия) в электролизной ячейке в соответствии с известным процессом Холла-Эру. Такая электролизная ячейка обычно содержит корпус с боковыми стенками и нижней стенкой (днищем), обычно облицованными огнеупорным материалом, образующими реакционную камеру. Вверху реакционной камеры размещен угольный анод, а на нижней стенке реакционной камеры или вблизи неё размещен угольный катод. Катоды и аноды часто называют также электродами. В некоторых конструкциях электролизной ячейки, кроме того, угольный материал электрода может присутствовать на боковых сторонах реакционной камеры. В реакционную камеру загружают также криолит (фтористый алюминий) и оксид алюминия, и при протекании между катодом и анодом электрического тока требуемой величины оксид алюминия восстанавливается до алюминия, который накапливается на днище реакционной камеры, за счет катодной реакции, протекающей в реакционной камере.
Вторичный алюминий обычно получают путем переплавки алюминия, например, из алюминиевого скрапа, образовавшегося по окончании срока эксплуатации изделия из алюминия (после того, как продукт из алюминия пользователем уже не используется), или из производственного алюминиевого скрапа, который образуется в процессе производства изделия из алюминия (например, при выштамповке отверстий для окон в металлических листах, из которых изготавливают двери автомобилей). Процесс производство вторичного алюминия может быть повторен многократно.
Хотя для производства вторичного алюминия обычно требуется меньшее количество энергии, чем для производства первичного алюминия, нельзя сказать, что это количество энергии является незначительным. Во вторичном алюминии во многих случаях качество металла снижается с каждым повторным циклом вследствие недостатков при разделении материала на частицы, не содержащие примесей, и на примеси, что приводит к низкой эффективности удаления образовавшихся накоплений. Кроме того, практически весь имеющийся в наличии вторичный алюминий первоначально был произведен как первичный алюминий, и вследствие роста мирового спроса на алюминий не весь спрос может быть удовлетворен вторичным алюминием. Это означает, что производство первичного алюминия будет продолжаться.
При осуществлении процесса Холла-Эру происходит деградация (расходование) элементов конструкции электролизной ячейки, содержащих уголь, т.е. катода и анода или, другими словами, совместно используемых электродов, и необходима их замена. Поскольку при осуществлении процесса Холла-Эру происходит диффузия атомов из криолита и примесей, присутствующих в глиноземе (оксиде алюминия), в элементы электролизера, содержащие уголь, утилизация деградированных элементов электролизной ячейки, содержащих уголь, является затруднительной из-за опасности для здоровья и окружающей среды, которую представляют собой эти элементы конструкции.
Из патентного документа US 4927459 известно, что в печах, работающих с открытым пламенем во внутреннем пространстве печи, в качестве присадки к топливу используется отработанная футеровка благодаря содержанию в ней углерода. В указанном патентном документе сообщается, что вовлечение в технологический процесс, осуществляемый в таких печах, отработанной футеровки позволяет поддерживать желаемую температуру с использованием горелки, работающей при значительно меньшей производительностью, чем полная производительность; сообщается также, что печи с открытым пламенем являются предпочтительными для целей превращения определенных, обычно опасных включений, присутствующих в отработанной футеровке, в безопасные газообразные оксиды, накапливания их в дымовых газах и возможного извлечения. Например, цианиды могут быть превращены в оксиды углерода и оксиды азота. Однако при создании настоящего изобретения было установлено, что такой метод является нежелательным, поскольку, вопреки изложенному в указанном патентном документе, в дроссе, который образуется внутри камеры печи, остаются вредные остаточные вещества в том случае, если в камеру печи вводят отработанную футеровку. Соответственно, при разработке настоящего изобретения было обнаружено, что метод, изложенный в упомянутом патентном документе, не решает проблему обезвреживания отработанной футеровки, а лишь заменяет указанную проблему на проблему обезвреживания загрязненного дросса. Помимо этого, было обнаружено, что при производстве вторичного алюминия качество полученного вторичного алюминия является низким в том случае, если отработанная футеровка вводится во внутреннее пространство печи в достаточно большом количестве, при этом производительность горелки значительно снижается. Имеются основания полагать, что этот эффект обусловлен загрязнениями, содержащимися в отработанной футеровке.
В соответствии с изложенным желательно обеспечить эффективный способ утилизации деградированных элементов электролизера, содержащих углерод. Кроме того, желательно обеспечить более эффективный способ производства первичного и вторичного алюминия.
Раскрытие сущности изобретения
При создании настоящего изобретения было обнаружено, что указанные выше и другие задачи могут быть решены за счет получения скрапа/вторичного топлива и за счет использования топлива из скрапа для термической обработки материала так, как это описано ниже. Соответственно, согласно одному аспекту изобретение обеспечивает способ производства термически обработанного материала, например, вторичного алюминия, при этом способ включает обеспечение материала, подлежащего термической обработке, например, скрапа, содержащего алюминий (алюминиевого скрапа), обеспечение скрапа, содержащего уголь (угольного скрапа), из электролизной ячейки, предназначенной для производства первичного алюминия, подачу материала, подлежащего термической обработке, в печь, например, во вращающуюся печь, обработку угольного скрапа с получением из скрапа топлива, и термическую обработку материала, например, алюминиевого скрапа, в печи, с использованием энергии, получаемой при сжигании топлива из скрапа, для производства термически обработанного материала, например, вторичного алюминия. Способы в соответствии с изобретением обеспечивают возможность производства материального продукта и позволяют исключить использование способов генерирования энергии, например, способов генерирования водяного пара или электрической энергии.
В частности, и, как отмечено выше, было обнаружено, что с учетом всей технологической цепочки производственного процесса, алюминий может быть получен с большей эффективностью, если при производстве вторичного алюминия используются отходы производства первичного алюминия в соответствии с изложенным ниже.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает способ производства вторичного алюминия, при этом способ включает обеспечение алюминиевого скрапа, например, имеющего первое, более низкое определенное содержание алюминия, обеспечение угольного скрапа из электролизной ячейки для производства первичного алюминия, подачу алюминиевого скрапа во вращающуюся печь, обработку угольного скрапа с получением из скрапа топлива, плавление алюминиевого скрапа во вращающейся печи, используя энергию, получаемую при сжигании топлива из скрапа, с получением вторичного алюминия, например, имеющего второе, более высокое, определенное содержание алюминия.
Обычно угольный скрап размещают в качестве отходов производства в местах хранения отходов. В соответствии с воплощениями настоящего изобретения угольный скрап может быть получен из анода и/или катода электролизной ячейки.
В соответствии с воплощениями изобретения алюминиевый скрап может представлять собой дросс, полученный в результате плавления алюминия и литья алюминия.
В соответствии с воплощениями изобретения алюминиевый скрап может представлять собой скрап, содержащий алюминий, из которого было изготовлено изделие, срок эксплуатации которого закончился (т.е. скрап из отработанного алюминия), или производственный алюминиевый скрап.
В соответствии с воплощениями изобретения в состав алюминиевого скрапа может быть включен материал ванны электролизной ячейки, содержащий фтор.
В соответствии с воплощениями изобретения обработка угольного скрапа может включать механическую обработку, включающую дробление и/или измельчение угольного скрапа.
В соответствии с воплощениями изобретения угольный скрап может быть подвергнут механической обработки так, чтобы получить частицы, размер которых находится в интервале от 10 мкм до 300 мкм, в частности, от 50 мкм до 100 мкм.
В соответствии с воплощениями изобретения полученное из угольного скрапа топливо может быть введено пневматическим способом в пламя горелки для получения тепловой энергии, необходимой для плавления алюминиевого скрапа.
В соответствии с воплощениями изобретения полученное из скрапа топливо может быть введено в пламя горелки посредством диспергирования в жидкое топливо, в частности, в нефть, для получения тепловой энергии, необходимой для плавления алюминиевого скрапа.
В соответствии с воплощениями изобретения горелка может работать, по меньшей мере, с частичным использованием природного газа для создания пламени.
В соответствии с воплощениями изобретения, в отношении теплоты сгорания топлива следует отметить, что, по меньшей мере, 30%, в частности, по меньшей мере, 50% тепловой энергии, необходимой для плавления алюминиевого скрапа, может быть обеспечено указанным топливом из скрапа.
2
В соответствии с воплощениями изобретения в дополнение к алюминиевому скрапу во вращающуюся печь могут быть введены хлористые соли, в частности, NaCl и/или KCl и/или соль фтористого соединения, в частности, CaF.
В соответствии с воплощениями изобретения содержание фтора во вращающейся печи регулируют путем изменения отношения количества материала ванны электролизной ячейки к количеству алюминиевого скрапа.
В соответствии с воплощениями изобретения в качестве окислителя для сжигания топлива из скрапа может быть использован кислород с чистотой 50% или более, в частности, 80% или более.
В соответствии с воплощениями изобретения в качестве окислителя для сжигания топлива для скрапа может быть использован воздух.
В соответствии с воплощениями изобретения в качестве окислителя для сжигания топлива для скрапа может быть использован воздух, обогащенный кислородом.
В соответствии с воплощениями изобретения отходящий газ, образовавшийся при плавлении алюминиевого скрапа во вращающейся печи, может быть введен в пламя горелки с целью дожигания.
В соответствии с воплощениями изобретения кислород может быть направлен в поток отходящего газа для дожигания через горелку или через отдельную фурму.
В соответствии с воплощениями изобретения дополнительно обеспечивается способ производства алюминия, включающий перемещение потока массы в замкнутом контуре (например, включающий перемещение потока массы, главным образом, в замкнутом контуре), при этом способ включает производство первичного алюминия с использованием электролизной ячейки, производство продуктов из первичного алюминия и вторичного алюминия, получение алюминиевого скрапа из указанных продуктов (скрапа из отработанного алюминия после выхода из строя изделий, изготовленных из этого алюминия) или в процессе производства продукта (производственный скрап), получение угольного скрапа из электролизной ячейки и производство вторичного алюминия из алюминиевого скрапа и угольного скрапа в соответствии с описанным выше способом.
В соответствии с воплощениями изобретения способ может дополнительно включать использование материала ванны электролизной ячейки и производство вторичного алюминия из алюминиевого скрапа с использованием также угольного скрапа и материала ванны. Указанный материал ванны может быть негорючим материалом.
Способы в соответствии с изобретением позволяют отделить вредные компоненты, присутствующие в составе угольного скрапа, полученного из электролизной ячейки (например, содержащиеся в отработанной футеровке), от материала, подлежащего термической обработке, и в результате эти вредные компоненты не могут оказывать пагубное влияние на обрабатываемый материал.
Хотя способы в соответствии с настоящим изобретением описаны, главным образом, в связи с производством вторичного алюминия, эти способы могут быть использованы для термической обработки в печи любого материала.
В соответствии с воплощениями изобретения полученное из скрапа топливо не вводится в камеру (во внутреннее пространство) печи, а сжигается снаружи печи. То есть, в соответствии с воплощениями изобретения топливо из скрапа не вступает в контакт с материалом, подлежащим термической обработке, например, с алюминиевым скрапом, который загружают в печь, например, внутрь камеры печи.
Краткое описание чертежа
Представленная фигура схематически иллюстрирует способ согласно воплощению изобретения.
Осуществление изобретения
3
6
Способ в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает производство вторичного алюминия (алюминия, который не производят непосредственно из оксида алюминия) из алюминиевого скрапа. Как показано на фиг.1, электролизная ячейка 10 производит первичный алюминий 15 из оксида алюминия (не показан). Обычно это достигается путем осуществления процесса Холла-Эру, включающего прохождение электрического тока от катода, размещенного на нижней стороне электролизной ячейки, через реакционную камеру электролизной ячейки 10, к аноду, размещенному на верхней стороне электролизной ячейки 10. Реакционная камера заполнена оксидом алюминия и криолитом (NaAlF) и, при необходимости, другими добавками, в частности, фторидом лития. Анод и катод содержат углерод. Хотя анод расходуется с большей скоростью по сравнению с катодом за счет окисления углерода, которое происходит в процессе восстановления оксида углерода, катод также изнашивается (расходуется) со временем и в конце концов должен быть заменен. Поскольку и анод и катод вступают в реакционной камере в контакт с фтором или фторсодержащими соединениями, использованные аноды и катоды (называемые также «израсходованными»), могут содержать фтор. Израсходованные/использованные аноды и/или катоды электролизной ячейки 10 в соответствии с настоящим изобретением именуются как угольный скрап 20. Другими побочными продуктами производства первичного алюминия в электролизной ячейке 10 являются материал 25 ванны и смесь, образованная из примесей, содержащихся в глиноземе, криолита/добавок, и примесей, содержащихся в аноде/катоде и в самой электролизной ячейке, которые накапливаются вверху реакционной камеры электролизной ячейки 10 и периодически удаляются. Материал 10 ванны может содержать значительное количество фтора (F).
Первичный алюминий 15 используют для изготовления продуктов 30, таких как литое изделие, металлический лист, прессованные профили и тому подобное. Алюминиевый скрап 35 получают из производственных отходов, которые образуются в процессе производства упомянутых продуктов 30 (производственный скрап), а также из самих продуктов 30 в конце их срока эксплуатации (скрап из продуктов после окончания срока их использования). Указанный алюминиевый скрап 35 может быть также получен из дросса, образовавшегося в процессе литья алюминия или из производственного скрапа процесса литья.
В соответствии с изобретением алюминиевый скрап 35 вводится во вращающуюся печь 40. Вращающаяся печь 40 нагревается с помощью горелки 45 так, чтобы обеспечить плавление алюминиевого скрапа 35. Плавление скрапа может привести к очистке обрабатываемого материала во вращающейся печи применительно к конкретному составу, содержащему алюминий, поскольку органические соединения, присутствующие в алюминиевом скрапе 35, такие как лаковые отложения и покрытия, сгорают, а другие примеси и оксиды могут накапливаться в дроссе, который образуется сверху расплава во вращающейся печи 40 и может быть отделен от расплава. Расплавленный и отвержденный материал, который получают во вращающейся печи 40, называют вторичным алюминием 50, поскольку в отличие от первичного алюминия его не получают непосредственно из оксида алюминия.
Вторичный алюминий 50, подобно первичному алюминию 15, может быть использован для производства продуктов 30 в результате осуществления по существу замкнутого цикла массового потока алюминия. Этот цикл:
«продукт 30 → скрап 35, содержащий алюминий → вторичный алюминий 50 → продукт 30 → …. »
может быть, в принципе, происходить повторно без ограничения, однако на практике при повторном проведении цикла некоторое количество алюминия теряется, и в некоторых областях применения существует проблема чистоты вторичного алюминия 50, и потребность в алюминии во всем мире растет, так что на глобальном уровне для удовлетворения потребности в алюминии вторичный алюминий 50 должен быть дополнен первичным алюминием 15.
В соответствии с настоящим изобретением угольный скрап 20 обрабатывают так, чтобы получить топливо 55 из скрапа. Указанная обработка может включать дробление и/или измельчение угольного скрапа 20, для того чтобы уменьшить размеры твердых частиц. В зависимости от конструкции горелки 45, средний размер частиц, определяемый методом круга наибольшего диаметра (например, с использованием светооптического микроскопа) для топлива 55 из скрапа, может находится в интервале от 10 мкм до 300 мкм, в частности, от 50 мкм до 100 мкм. Хотя меньшие средние размеры частиц имеют большее отношение поверхности к объему по сравнении с частицами большего размера, и, следовательно, они лучше сгорают в пламени горелки 45, обработка угольного скрапа 20 является ресурсоёмким процессом (требует интенсивного расхода ресурсов), и установленный заданный средний размер частиц в интервале от 10 мкм до 300 мкм, в частности, от 50 мкм до 100 мкм, считается по некоторым оценкам хорошим компромиссом между качеством топлива 55 из скрапа и эффективностью процесса производства топлива 55 из скрапа. В соответствии с одним воплощением, которое считается особенно эффективным с точки зрения трудозатрат на обработку и при этом позволяет получать твердые частицы, имеющие подходящее отношение площади поверхности к объему, угольный скрап 20 измельчают с получением частиц среднего размера больше или равным 150 мкм. Измельченный материал затем пропускают через средство просеивания для получения просеянной фракции, например, пропускают через сито, которое обеспечивает получение частиц с диаметром 150 мкм или менее. Просеянная фракция затем используется в качестве полученного из скрапа топлива 55. В том случае, если частицы получаются слишком большими, скорость сгорания будет слишком низкой, и горелка может забиваться, что приводит к менее эффективному использованию теплоты сгорания и увеличению продолжительности простоя оборудования. С другой стороны, если полученные частицы имеют слишком малые размеры, ухудшается суммарный общий баланс энергии, поскольку слишком большое количество энергии было затрачено на механическую обработку угольного скрапа 20.
Указанное топливо 55 из скрапа сжигают с помощью горелки 45 для получения вторичного алюминия 50 во вращающейся печи 40 за счет нагревания алюминиевого скрапа 35. Подвод теплоты, генерируемой горелкой 45, которая нагревает вращающуюся печь 40, схематически показан стрелкой 46 на фиг.1. В соответствии с воплощениями изобретения горелка 45 размещена снаружи печи 40, например, снаружи вращающейся печи 40. Другими словами, горелка 45 может быть размещена снаружи топочной камеры печи 40. В соответствии с воплощениями изобретения полученное из скрапа топливо 55 не вступает в контакт со алюминиевым скрапом 35 или со вторичным алюминием. Это также означает, что ни одна из отработанных футеровок электролизной ячейки не вступает в контакт с материалом, загруженным внутрь печи 40 (например, внутрь топочной камеры).
Для повышения эффективности работы горелки 45 топливо 55 из скрапа может быть дополнено природным газом или нефтью или углеводородами, производными газа/нефтепродуктов, такими как дизельное топливо, бензин или иного рода переработанное углеводородное сырье.
Топливо 55 из скрапа можно вдувать в пламя горелки 45, или топливо 55 из скрапа можно смешивать с дополнительным топливом. В том случае, если дополнительным топливом является газ, смесь из указанного газа и твердых части топлива 55 из скрапа может быть подвергнута сжиганию для получения теплоты. Если дополнительным топливом является жидкость, такая как нефть, топливо 55 из скрапа может быть диспергировано в этой жидкости, и полученная суспензия может быть сожжена с получением теплоты.
В соответствии с настоящим изобретением вращающаяся печь 40 используется, учитывая тот факт, что горелка 45 за счет сжигания твердого топлива 55 из скрапа создает пламя 45, которое имеет большой объем и генерирует большое количество энергии теплового излучения. Было установлено, что вращающаяся печь 40 имеет оптимальную поверхность теплообмена для передачи тепловой энергии, излучаемой факелом пламени, который создается горелкой 45, сжигающей топливо 55 из скрапа. Кроме того, вращающаяся печь 40 дает возможность производить очистку отходящего газа, генерируемого горелкой 45 и/или генерируемого при плавлении алюминиевого скрапа 35.
Отходящий газ (на фиг.1 не показан), который образуется при нагревании алюминиевого скрапа 35 во вращающейся печи 40, может быть направлен в горелку 45 для сжигания в этой горелке 45. В результате происходит очистка отходящего газа, поскольку вредные химические соединения, содержащиеся в отходящем газе, сгорают. В том случае, если отходящий газ содержит соединения, которые могут быть сожжены в экзотермической реакции (например, которые выделяются из органических покрытий или лаков или полимерных материалов, содержащихся в алюминиевом скрапе 35), указанные химические соединения выделяют дополнительную тепловую энергию и повышают энергоэкономичность.
В соответствии с изобретением во вращающуюся печь 40 вместе с алюминиевым скрапом 35 могут быть введены соли, содержащие хлор, такие как NaCl или KCl . Было обнаружено, что добавление солей, содержащих хлор, может повысить качество вторичного алюминия 50, производимого во вращающейся печи 40. Имеются основания полагать, что этот результат связан с накоплением в дроссе, образующемся во вращающейся печи 40, повышенного количества интерметаллических соединений с высокой температурой плавления благодаря добавкам солей хлора.
Согласно изобретению во вращающуюся печь 40 вместе с алюминиевым скрапом 35, при необходимости, может быть также введен материал 25 ванны, содержащий фтор. Считается, что фтор, присутствующий в составе материала 25 ванны, уменьшает действие сил поверхностного натяжения в каплях алюминия, образующихся во время плавления во вращающейся печи 40, в результате чего объем образующихся капель увеличивается. Чем больше капли, тем в меньшей степени происходит окисление на поверхности капель в соответствии с отношением величины поверхности к величине объема. Кроме того, фтор может способствовать поддерживанию чистоты стенок вращающейся печи 40. Следует отметить, что материал 25 ванны, содержащий фтор, согласно настоящему изобретению не является отработанной футеровкой, а отбирается из внутреннего объема электролизной ячейки.
2
3
6
В качестве варианта, в дополнение к материалу 25 ванны или вместо этого материала, во вращающуюся печь 40 вместе с алюминиевым скрапом 35 могут быть введены соли фтора, такие как CaF и/или NaAlFили другие соли.
Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает способы, которые обеспечивают эффективное производство вторичного алюминия 50 за счет использования отходов производства первичного алюминия 15 в электролизной ячейке 10, что позволяет уменьшить потребление энергии и количество отходов, подлежащих утилизации в местах их хранения.