СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОГО АЛЮМИНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАРБОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ В ОДНОЙ ПЕЧИ С ОБРАБОТКОЙ И РЕЦИКЛИРОВАНИЕМ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF LOW CARBON ALUMINIUM IMPLEMENTING CARBO-THERMAL REDUCTION IN ONE FURNACE WITH FUME PROCESSING AND RECYCLING

Перекрестные ссылки на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка на патент испрашивает приоритет заявки на патент США № 11/676017, поданной 16 февраля 2007 года и озаглавленной "LOW CARBON ALUMINUM PRODUCTION METHOD USING SINGLE FURNACE CARBOTHERMIC REDUCTION OPERATED IN BATCH MODE".
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение относится к способу получения низкоуглеродистого алюминия в карботермической печи с одной реакторной камерой, работающей в периодическом режиме.
Уровень техники
2
2
2
4
2
6
[0003] Алюминиевая промышленность США является одной из самых больших в мире, произведя в 2005 году примерно 2,5 миллиона метрических тонн первичного алюминия. В настоящее время алюминиевая промышленность основывается на трех главных процессах для получения первичного алюминия: на переработке глинозема из боксита, производстве анодов и выплавке алюминия электролизом в процессе Холла-Эру. Электролизеры Холла-Эру электрохимически восстанавливают глинозем до металлического алюминия с помощью угольных анодов и катодов из расплавленного алюминия в процессе выплавки. Выплавка представляет собой наиболее энергоемкий этап при получении первичного алюминия, который потребляет в пределах между 2% и 3% от электричества, потребляемого в США каждый год (примерно 15 кВт·ч/кг получаемого алюминия). Выплавка также приводит к множеству выбросов, отходящих потоков, побочных продуктов и твердых отходов. Тепличные газы представляют собой главные загрязнения в результате производства алюминия и вызваны расходованием ископаемого топлива, расходованием угольных анодов и перфторуглеродами от анодных эффектов. Выбросы от анодного производства содержат частицы, фториды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и диоксид серы (SO). Выбросы от выплавки алюминия содержат монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO), SO, фториды, перфторуглероды (ПФУ, например, CF, CF) и ПАУ. Было бы желательным снизить затраты и уменьшить количество отходов, чтобы оставаться конкурентоспособными с иностранными производителями. Этап выплавки является приоритетной сферой для усовершенствования из-за высокого потребления энергии и нежелательных выбросов и побочных продуктов, причастных к изменению климата.
[0004] Карботермическое восстановление алюминия представляет собой альтернативный процесс получения алюминия, использующий химическую реакцию восстановления в реакторе. Карботермические процессы требуют гораздо меньшего физического пространства, чем процесс электролитического восстановления Холла-Эру. Процесс получения алюминия карботермическим восстановлением в качестве замены процессу Холла-Эру привел бы к уменьшению потребления электричества. Долговременные оценки говорят, что карботермический процесс мог бы понизить потребность в энергии более чем на 30% до примерно 8,5 кВт·ч/кг. Карботермический процесс получения алюминия устранил бы также выбросы перфторуглеродов, происходящие в результате анодных эффектов на угольных анодах, опасную отработанную футеровку электролизных ванн и выбросы углеводородов, связанные с обжигом расходуемых угольных анодов. Этот альтернативный карботермический процесс получения алюминия был бы более энергетически эффективным и имел бы меньшее влияние на окружающую среду, чем традиционные установки для получения алюминия.
Proceedings 6
Conference on Molten Slags, Fluxes and Salts
th
[0005] Прямое карботермическое восстановление глинозема было описано в патентах США № 2974032 (Grunert et al.) и 6440193 B1 (Johansen et al.), а также в , Edited by S. Seetharaman and D. Sichen "Carbothermic Aluminum", K. Johansen, J. Aune, M. Bruno and A. Schei, Stockholm, Sweden-Helsinki Finland, June 12-17, 2002.
[0006] Давно известно, что общая реакция карботермического восстановления алюминия:
2
3
AlO+3C→2Al+3CO (1)
[0007] протекает или может быть сделана протекающей обычно за такие этапы как:
2
3
4
3
2AlO+9C→AlC+6CO (пары) (2)
4
3
2
3
AlC+AlO→6Al+3CO (пары) (3)
2
3
2
AlO+2C→AlO (пары)+2CO (пары) (4)
2
3
2
AlO+4Al→3AlO (пары) (5), и
Al→Al (пары) (6).
2
2
[0008] Реакция (2), этап получения шлака, как правило, имеет место при температурах между 1900°C и 2000°C. Реакция (3), этап получения алюминия, как правило, имеет место при температурах выше примерно 2050°C и требует значительного подвода тепла. В ходе реакций (2) и (3) образуется большое количество парообразных алюминийсодержащих веществ. В дополнение к веществам, показанным в реакциях (2) и (3), образуются летучие вещества, включая газообразный Al, реакция (6), и газообразный субоксид алюминия (AlO) в реакции (4) или (5). В общем процессе карботермического восстановления газы AlO и Al могут извлекаться посредством их реагирования с углеродом в отдельном реакторе, обычно называемом установкой улавливания паров или реактор улавливания паров (РУП).
[0009] Другие патенты, относящиеся к карботермическому восстановлению для получения алюминия, включают в себя описание патента США № 4099959 (Dewing et al.), патенты США № 4033757 и 4388107 (оба Kibby), патенты США № 4334917 и 4533386 (оба Kibby), патент США № 6440193 (Johansen and Aune) и публикацию заявки на патент США № US2006/0042413 (Fruehan).
2
3
2
3
4
3
4
3
[0010] Один из известных способов непрерывного карботермического получения алюминия предусматривает реакцию C и AlO в камере первой стадии с получением шлака, содержащего AlO+AlC, который протекает под перегородкой в камеру второй стадии, где AlC восстанавливается до Al под действием повышенной температуры. Недостатком этого процесса является то, что получаемый металлический алюминий содержит высокую концентрацию C, вплоть до насыщения карбидом алюминия (~8% C), и не вытекает легко из реактора. Другой недостаток известного многостадийного непрерывного карботермического процесса заключается в том, что этот способ требует перемещения продукта из реактора во внешнюю установку обезуглероживания. Еще один недостаток заключается в том, что может происходить обширное обратное перемешивание между частями реактора, предназначенными для получения шлака и получения металла. Кроме того, имеется дефицит карбида алюминия во время получения металла.
2
4
3
2
3
4
3
2
3
4
3
2
3
4
3
[0011] Фиг.1 представляет собой упрощенную иллюстрацию другого известного из уровня техники процесса с карботермической реакцией, который производит Al, улавливает Al, AlO и CO в отходящих газах как AlC, AlO и шлак и переносит этот материал в плавильную печь. На фиг.1 потоки газа показаны прерывистыми линиями, а потоки твердых и расплавленных веществ показаны сплошными линиями. На фиг.1 отходящие газы 3, 4 из карботермической плавильной печи улавливают во время первой стадии 1 и второй стадии 2 и направляют в закрытый реактор 5 отходящих газов. Содержащие Al компоненты отходящего газа, поступающие в реактор 5, реагируют с углеродом 7 с образованием материала шлака из одного или более веществ из AlC, AlO и AlC-AlO. AlC подают в печь во время второй стадии 2, на этап получения металла.
4
3
4
3
2
3
[0012] Один из недостатков этого способа заключается в том, что хотя AlC требуется на стадии 2 (этапе получения металла) для того, чтобы частично удовлетворять химии процесса, поступление AlC из реактора улавливания паров может также привносить другие продукты в реактор во время этапа получения металла (например, непрореагировавший углерод, шлак и AlO). Введение этих других твердых материалов из реактора улавливания паров во время этапа получения металла является нежелательным по нескольким причинам, включая то, что введение непрореагировавшего углерода будет увеличивать количество образующегося монооксида углерода (CO), вызывая избыток субоксида алюминия и испарение алюминия. Имеется также ограниченный допуск на эффективное рециклирование различных твердых продуктов улавливания паров.
Сущность изобретения
[0013] Учитывая изложенное выше, задачей настоящего изобретения в широком смысле является способствование более эффективному процессу карботермического получения алюминия.
[0014] Связанной с этим задачей является устранение или сведение к минимуму множественных реакторов.
[0015] Другой связанной с этим задачей является сведение к минимуму перемещения технологических материалов между реакторами.
[0016] Еще одной связанной с этим задачей является повышение допуска на отклонение рециклируемого материала из реактора улавливания паров.
[0017] Еще одной связанной с этим задачей является ограничение избыточного образования монооксида углерода (CO) и соответствующего субоксида алюминия и испарения алюминия.
[0018] Связанной с этим задачей является устранение дефицита карбида на этапе получения металла.
[0019] Еще одной связанной с этим задачей является обеспечение обезуглероживания сплава Al-C на месте (in situ).
2
3
[0020] При решении одной или более из этих задач автор настоящего изобретения установил, что может использоваться однокамерный карботермический реактор, в котором отходящие газы, собираемые во время работы реактора, собирают во внешнем реакторе улавливания паров, и этот внешний реактор улавливания паров осуществляет реагирование этих газов с одним или несколькими углеродистыми материалами с получением рециклируемого материала. По меньшей мере часть рециклируемого материала рециклируют (например, направляют) в однокамерный реактор во время операций получения шлака, чтобы по меньшей мере частично содействовать получению шлака, содержащего карбид алюминия. Рециклируемый материал не доставляется в однокамерный реактор во время операций получения металла. Автор изобретения установил, что рециклирование рециклируемого материала в однокамерный реактор во время операций получения шлака, а не операций получения металла, повышает допуск на отклонение рециклируемого материала из реактора улавливания паров, ограничивает избыточное образование монооксида углерода (CO), субоксида алюминия и алюминия во время операций получения металла и устраняет дефицит карбида во время операций получения металла. Автор изобретения также установил, что добавление AlO после операций получения металла может обеспечить обезуглероживание in situ посредством растворения углерода в шлак с уменьшением содержания углерода в сплаве Al-C; алюминий, который является по меньшей мере частично обезуглероженным in situ, лучше течет во время этапа выпуска металла.
2
3
4
3
[0021] В одном из аспектов предусматриваются способы получения низкоуглеродистого алюминия. Один из способов включает в себя этапы получения первой смеси в однопечном реакторе, имеющем одну единственную реакторную камеру; образования верхней фазы сплава Al-C и нижней фазы шлака из первой смеси; извлечение углерода из верхней фазы сплава Al-C в нижнюю фазу шлака; удаления по меньшей мере части верхней фазы сплава Al-C из реактора; сбора отходящего газа из однопечного реактора и внешнего реактора улавливания паров; добавления углеродистого материала во внешний реактор улавливания паров, с формированием тем самым рециклируемого материала; и подачи рециклируемого материала из реактора улавливания паров в однопечной реактор во время этапа получения, чтобы по меньшей мере содействовать получению первой смеси. Этап образования верхнего сплава Al-C и этап извлечения углерода из сплава Al-C также происходят в единственной реакторной камере. В одном из подходов первая смесь содержит шлак и карбид алюминия, причем шлак, как правило, содержит AlO-AlC.
[0022] В одном из подходов этап образования верхнего сплава Al-C происходит без использования какого-либо рециклируемого материала в печном реакторе. То есть никакого рециклируемого материала не добавляют в однопечной реактор во время операций получения металла.
[0023] В одном из подходов этап извлечения углерода включает в себя этап добавления глинозема в однопечной реактор. В одном из вариантов осуществления после этапа извлечения сплав Al-C содержит меньше чем 5 мас.% углерода, например меньше чем 3 мас.% углерода. Таким образом, облегчается обезуглероживание in situ.
2
[0024] В одном из подходов этап сбора отходящих газов обычно происходит во время по меньшей мере одного из этапа получения первой смеси и этапа образования верхней фазы сплава Al-C. В конкретном варианте осуществления этап сбора отходящих газов происходит во время обоих этих этапов получения и образования. В одном варианте осуществления этап сбора происходит во время по меньшей мере одного из этапов извлечения углерода из фазы сплава Al-C и удаления по меньшей мере части верхней фазы Al-C. В конкретном варианте осуществления этап сбора происходит во время обоих этих этапов извлечения и удаления. В одном из подходов отходящий газ содержит пары по меньшей мере одного из AlO, Al и CO. Таким образом, облегчается захват различных отходящих газов для получения рециклируемого материала.
4
3
4
3
[0025] Этап добавления углеродистого материала во внешний реактор улавливания паров обычно происходит одновременно с этапом сбора отходящих газов. Таким образом, облегчается получение рециклируемого материала. В одном из подходов рециклируемый материал содержит AlC. В одном из подходов рециклируемый материал содержит как шлак, так и AlC.
2
3
[0026] В одном из подходов подача рециклируемого материала в реактор улавливания паров происходит как часть этапа получения. В конкретном варианте осуществления этап подачи рециклируемого материала дополнительно включает в себя этап добавления по меньшей мере одного из AlO и C в однопечной реактор одновременно с этапом получения. Таким образом, облегчается использование рециклируемого материала и получение первой смеси.
Краткое описание чертежей
[0027] Фиг.1 представляет собой блок-схему, показывающую один пример известного процесса карботермического восстановления для получения алюминия.
[0028] Фиг.2 представляет собой схематический вид одного варианта осуществления процесса эксплуатации однокамерного карботермического реактора.
Подробное описание
[0029] Теперь обратимся к прилагаемым фигурам, которые по меньшей мере помогают проиллюстрировать различные, имеющие отношение к делу признаки изобретения. Фиг.2 иллюстрирует один вариант осуществления карботермического способа получения алюминия в однокамерной печи. В иллюстрируемом варианте осуществления одна единственная печь 11, имеющая боковые стенки, дно и одну полую реакторную камеру 13, используется без внутренних разделительных стенок/перегородок для протекания под ними. Печь 11 может иметь по существу прямоугольную, квадратную, круглую или овальную форму. Внутри боковых стенок печи 11 находятся погруженные электроды 16 резистивного нагрева, расположенные в стенке(ах) или в дне реактора. Электроды 16 могут изготавливаться из угля, графита или из нерасходуемых инертных керамических материалов, причем каждый из них индивидуально запитывается электричеством с помощью средств создания электрического тока (не показаны). В иллюстрируемом варианте осуществления электроды 16 резистивного нагрева являются горизонтальными и используются при получении металла, чтобы, по сравнению с верхними нагревательными электродами, уменьшить перегрев металла, уменьшить избыточное испарение и ограничить высокие скорости расходования электродов. Электроды 16 могут располагаться на уровне 22 донной фазы расплавленного шлака или вблизи него, как показано на этапах 20, 30 и 40, подробно обсуждаемых ниже.
2
3
2
3
4
3
4
3
2
4
3
2
3
2
3
4
3
2
3
[0030] На этапе 10 получения шлака глинозем (AlO) и углерод (C) добавляют в печь 11 однокамерного реактора для получения первой смеси 13, которая обычно содержит шлак (т.е. AlO-AlC, насыщенный карбидом алюминия) и избыток твердого AlC. Печь 11 обычно работает во время этого этапа 10 при примерно 1875°C-2000°C. На этапе 10 получается отходящий газ 3, который может содержать различные алюминийсодержащие вещества, включая Al (пары), субоксид алюминия (AlO, пары) и монооксид углерода (CO), и доставляется во внешний реактор 5 улавливания паров, где он обрабатывается (т.е. реагирует с) углеродистым материалом 7, создавая по меньшей мере часть рециклируемого материала 6. Углеродистый материал 7 может включать в себя одно или более веществ из древесного угля, нефтяного кокса (сырого или прокаленного), химически очищенных углей, ококсованных углеводородов и тому подобных. Полученный рециклируемый материал 6 может содержать одно или более из следующих веществ в любом сочетании: AlC, AlO, шлак AlO-AlC и непрореагировавший углерод. Рециклируемый материал 6 может использоваться в качестве сырья, чтобы содействовать этапу получения шлака (этапу 10). Необязательно по меньшей мере один верхний вертикальный вытягиваемый внешний электрод 12 может использоваться для плавления твердого AlO и C при запуске или может использоваться для получения расплавленного шлака.
4
3
2
[0031] Этап образования металла (этап 20) происходит в той же камере 13, что и этап 10 получения шлака. Этап образования металла подразумевает образование верхней фазы 21 сплава Al-C и нижней фазы 22 шлака посредством повышения температуры в одной печи 11 реактора до диапазона между примерно 2050°C и примерно 2100°C. Содержание углерода в сплаве Al-C с этапа образования металла составляет примерно 4-8 мас.% C. В течение этого этапа образования металла не требуется или не используется никакого дополнительного AlC. Во время этапа образования металла может быть получен отходящий газ 4, и этот отходящий газ 4 может содержать различные алюминийсодержащие вещества, включая Al (пары), субоксид алюминия (AlO, пары) и монооксид углерода. Отходящий газ 4 может поступать во внешний реактор 5 улавливания паров и обрабатываться углеродистым материалом 7 для создания по меньшей мере части рециклируемого материала 6. Рециклируемый материал 6 не подают в камеру 3 реактора во время получения металла (этап 20).
2
3
2
3
2
3
2
3
4
3
[0032] Этап извлечения углерода (этап 30) происходит в той же камере 13, что и этап 10 получения шлака и этап 20 получения металла. Этап извлечения углерода служит для извлечения углерода из верхней фазы 21 Al-C в нижнюю фазу 22 шлака посредством добавления AlO в печь, причем это добавление содействует получению богатого AlO шлака и помогает понижению температуры до пределов примерно 1900°C-1950°C. Сочетание добавления AlO и понижения температуры облегчает удаление по меньшей мере некоторого углерода из фазы Al-C в богатый глиноземом шлак AlO-AlC. В среднем, во время этапа извлечения углерода будет удаляться примерно 20 мас.%-65 мас.% углерода в сплаве Al-C. Следовательно, после этапа извлечения углерода сплав Al-C обычно будет содержать не больше чем 5 мас.% C, а предпочтительно - не больше чем 3 мас.% C.
[0033] Этап выпуска металла (этап 40) включает в себя удаление сплава Al-C из однопечного реактора 11. На этапе выпуска металла обезуглероженный сплав Al-C с этапа извлечения углерода (этапа 30) перемещают во внешний реактор 60 для дальнейшего обезуглероживания с получением низкоуглеродистого сплава Al-C 62 и дросса обезуглероживания 64. Низкоуглеродистый сплав Al-C 62 обычно содержит не больше чем 0,1% углерода по массе. Оставшийся шлак в реакторной камере 13 может использоваться в качестве сырья на этапе получения шлака (этапе 10) последующих циклов, необязательно, в том же однопечном реакторе.
2
[0034] На одном или более из этапов 10, 20 и 30 AlO, CO и Al выходят потоками 3 и 4 в реактор 5 улавливания паров. Эти парообразные вещества собирают в реакторе 5 улавливания паров и обрабатывают углеродистым материалом 7. Реактор улавливания паров может представлять собой, например, реактор улавливания паров, описанный Линдстадом (Lindstad) в патенте США № 6530970, который включен сюда посредством ссылки во всей его полноте. Реактор улавливания паров использует эти отходящие газы для получения по меньшей мере части рециклируемого материала 6, по меньшей мере часть которого подают в камеру 13 реактора 11 во время этапа получения шлака (этапа 10). Рециклируемый материал 7 не подают в камеру 13 реактора во время получения металла (этапа 20).
Примеры
2
3
2
3
4
3
4
3
2
[0035] Получение шлака: Для запуска процесса AlO и углерод добавляют для получения жидкого шлака с примерно 100 киломолями шлака (77 мол.% AlO и 23 мол.% AlC) и 44 молями AlC при примерно 1900°C-2000°C. Некоторое количество паров AlO и Al генерируется и собирается в реакторе улавливания паров. После того как процесс инициирован, исходная точка для следующих этапов получения шлака представляет собой шлак, остающийся после удаления металла в предыдущем цикле. Твердые материалы - продукты реактора улавливания паров также используют во время получения шлака.
4
3
2
3
[0036] Образование металла: 100 киломолей шлака с 44 киломолями избытка AlC нагревают до примерно 2050°C-2100°C. Реакция получения металла протекает до тех пор, пока в печи не останется 15 киломолей AlO и 5 молей карбида. Этот процесс дает 372 моля Al, но 62 моля испаряются, оставляя 310 молей жидкого Al, который содержит примерно 7,5 мас.% C. Испаренные алюминийсодержащие вещества захватываются в реакторе улавливания паров.
2
3
2
3
4
3
2
3
2
3
[0037] Извлечение углерода: В реактор добавляют 75 киломолей AlO, получая в результате шлак из 90 киломолей AlO и 5 киломолей AlC. Шлак обогащается AlO, а углерод переносится (например, извлекается) из металла в шлак, приводя к верхнему слою низкоуглеродистого алюминия. Некоторая электрическая энергия необходима для нагрева и плавления AlO, хотя некоторая энергия поступает от теплосодержания шлака, поскольку его температура выше, чем требуется для обезуглероживания. Системе шлак-металл позволяют охладиться до примерно 1900°C. Содержание углерода в металлическом алюминии понижается от примерно 6,0% до 2,5%. Это основывается на коэффициенте распределения углерода, равном 2 (т.е. отношении мас.% углерода в шлаке к мас.% углерода в металле), и при наличии 8904 кг металла и 9900 кг шлака в емкости.
2
3
4
3
[0038] Удаление металла: Низкоуглеродистый металлический алюминий выпускают, а оставшийся шлак, 90 киломолей AlO и 12 киломолей AlC, представляет собой исходную точку для следующей загрузки для получения алюминия. Выпущенный низкоуглеродистый алюминий затем может быть обработан, чтобы обеспечить дальнейшее обезуглероживание.
2
4
3
2
3
2
3
[0039] Сбор отходящего газа: На протяжении процесса образуются значительные количества CO и уносят газообразные вещества Al и AlO из печи. К отходящему газу в реакторе улавливания паров добавляют углеродистый материал для обработки этих алюминийсодержащих веществ. В реакторе улавливания паров алюминийсодержащий отходящий газ частично преобразуется в AlC. В реактор улавливания паров может также добавляться глинозем (AlO). Твердые продукты реактора улавливания паров могут также содержать непрореагировавший углерод, шлак и AlO. После того как из реактора удален металл, эти твердые продукты из реактора улавливания паров добавляют к оставшемуся шлаку в печи во время получения шлака.
[0040] Имея описания определенных вариантов осуществления, необходимо понимать, что изобретение может быть осуществлено иным образом в рамках объема прилагаемой формулы изобретения. В то время как выше в целях иллюстрации были описаны конкретные варианты осуществления этого изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что могут быть проделаны многочисленные изменения в подробностях настоящего изобретения без отклонения от изобретения, как оно определено в прилагаемой формуле изобретения.