CN1068062C - 从金属氧化物化合物生产铝镁硅等金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多铝或铝或金属化合物中生产铝或其它金属的热-机械方法，铝氧化物或相似的铝化合物或相似的其它金属化合物，在工艺室内，与自由水或金属化合物中能生成水的成分和供给碳、氢的物料，如油或天然气，如甲烷在一起，由旋转和/或搅拌装置的机械力产生的摩擦热加热，其方式是在反应器室中的物料像热-机械流化床那样，因而水被裂解成羟基和氢离子，使氢离子与热的和现在不稳定的铝或金属化合物中的氧反应，释出铝或金属原子，而羟基经反应返回成水，如果使用碳，则过量的氧与碳反应生成CO或CO₂。

Description

从金属氧化物化合物生产铝镁硅等金属的方法

本发明涉及通过热-机械方法生产铝、镁、硅等金属的新方法，该方法是在反应器室内，使金属氧化物或其它化合物经受强烈的搅拌和振动，因而使物料中产生热。

为了解释这种方法，在叙述中使用铝作为实例，但是正如将在本发明后面所见到的那样，这种方法对其它类型金属的氧化物和/或其它化合物也有效。

现在全世界在大规模装置中生产铝都是用各种电解方法，利用电能作为电解反应的主要能源。通过把冰晶石加到铝氧化物槽在约800℃的温度得到电解质。使用碳作为电极。

这些方法的主要优点是在固定的条件下进行了充分的开发和运转。并进一步认为是从由Al(OH)₃浓缩制得的Al₂O₃生产铝的最廉价的方法。

这些方法的缺点是高能耗。理论上电解方法的能耗为约8.5kWh/kg铝，但是由于过程中的能量损失，实际的能耗值通常为12kWh/kg铝。为提高能量效率，在世界各地进行了巨大的研究工作，由于利用的能量巨大，能耗只要稍微降低一点便可获得巨大经济利益。除了能量的费用外，铝的成本也受冰晶石的费用、碳棒的消耗和庞大的气体净化设备的影响。

本发明描述了用与现在工业已知方法不同的方法，从铝的化合物生产铝的一种方法。该方法的目的在于在低压和低温下，用比任何其它已知方法要少的能量，高效地把铝化合物裂解成铝和水，且不用冰晶石和不排放毒气。

被叫做涡轮裂化的方法的原理，是在机械建立的热流化床中处理化合物。已经发现机械流化床为实现裂解产生了下述的影响：

1．通过磨擦和流体动力供给物料热量。

2．在自由水或能产生水的化学物质(氢和氧)的存在下，可逆的蒸发速度，这种产生水的化学物质是作为导致裂解成氢和羟基的铝化合物的化学组成的一部分。

3．极高压力和极高温度微泡的产生。

4．从微泡向过程的环境温度放热的骤冷。

5．化合物颗粒在裂解区内并通过这些颗粒在机械磨擦元件表面的运动产生温点。

根据本发明的方法，反应器室可以是卧式容器，其设置有搅拌工艺室中物料的带磨擦元件(多个叶片)的轴，物料在磨擦元件和固体之间的运动产生热。

通过不同的方法可以在反应器室中建立机械流化床。一个实用的方法是应用一带圆筒形容器或有内部“台阶”的圆锥形的锤磨结构，物料可以经受锤子的不同速度，物料在一个或几个台阶被冷却，控制在反应器中发生的化学反应。另一方法是球磨结构。为建立流化床，另一种方法是使用磁性金属做床材料放入，通过围绕反应器室容器的电线圈产生的磁力使其迅速运动。

在该方法中床的机械运动是以这样一种方式进行，即建立床的能量，也提供足够的能量使床加热到理想的工艺温度，并在过程中保持该温度。这是通过建立床的机械部件相对于机械部件和流化固体，产生一压力前缘，因此传递了类似于涡轮机效果的能量。除了压力前缘外，在机械部件和单个固体之间出现的剪切力产生了最高温度。这就意味着在机械部件的附近我们已经建立了一“运动压力”和与工艺室中环境温度不同的温度条件。

在流化床建立后，铝化合物和一部分过程的水一起供入工艺室。当使用Al₂O₃时，水可以是加入铝化合物的水，当使用Al(OH)₃时，是作为该化合物的一部分化学物质产生的水。

当进入工艺室的湍动流化床时，水的所谓闪蒸发生。这意味着水的环境压力高于正常沸点温度时的那个压力，产生了过饱和蒸汽。但是由于在机械部件前缘的热和压力上述差别，发生了蒸汽的超声振动膨胀。

蒸发前，水由机械部件产生的剪切力进入固体与其混合。除了由机械部件产生的机械作用外，不同的固体颗粒也对水传递机械作用。

由水进入固体与其混合，水也经历了流化床极大表面积，因此增加了流化区域和流体自身之间的传热。

在流体蒸发前，除了振动分离外，发生在固体中的流体的极度分离，在流化床中产生了温度为几千绝对温度和压力为几千大气的微泡。微泡中释放的热量和压力参予了水分子的裂解，使水分子以极快的速度裂解成羟基和氢离子。但是由于在过程中的环境温度远低于最高温度，因此在爆裂的微泡中的极好的传热骤冷条件下，在百万分之几秒的最短时间内就达到了环境温度。

通过11kW反应器的试验已经发现，在250℃这样的温度和在磨擦元件与固体颗粒间以40-200m/s的速度相对运动，我们就能够裂解水。在相同的反应器中，中铝氧化物、碳和水时，我们发现在265℃时氧化物还原开始，并稳定上升达到工艺温度。

不希望受任何特定理论的束缚，反应机理可能是如下：

当氧化物在这些条件下进入反应器室时，被加热到上述的工艺温度。该温度与反应器内的剪切力一起降低分子结构中的拉力，并使敏感的分子与由水生成自由基进行反应，因此将发生下述反应：

氢离子将与连接氧化物的氧原子反应，因此生成水。这在上述的试验中已经证明。其余的羟基(OH^-)将反应返回水中并生成O₂。为了补充在反应中与氧化物中的氧原子反应所损失的氢，在氧化物加入工艺室前，通过把供给物料的另外的氢加到工艺室与进入的氧化物混合来补偿。供给物料的这种氢可以是油或天然气如甲烷(CH₄)。另外，可以供给碳，因此氧将与碳反应生成CO或CO₂。在上述的试验中，这两种气体都生成了。

当使用Al₂O₃时，反应可以假定表达为：

水必然是： 羟基反应返回到：

氧在进入工艺室前，通过加入焦炭被还原成CO₂或CO。

对于CO₂，所需的碳量等于1.5mol/1.5molO₂。

这样我们有：每mol Al₂O₃(分子量102)得到2mol Al(分子量27)和要求：

6mol水(分子量18.02)。

1.5mol C(分子量12)。

因此为生产一公斤铝我们需要

Mol Al：    1000/27=37.04

Mol Al₂O₃：   =37.04/2    =18.52

Mol H₂O：        =18.52*6    =111

Mol C：    =18.52*1.5      =27.78

按kg给出：

Al₂O₃：  =18.52*102/1000 =1.89/kgAl

H₂O：      =111*18.02/1000 =2kg

C:          =27.,78*12/1000 =0.33kg

当达到工艺温度时，氧化物与水和油或焦炭自动地加到达到温度的反应器室。温度用企图冷却工艺过程的冷物料维持，而输入的能量加热冷物料。这样输入的能量与输入的物料平衡，这样工艺过程被输入的能量控制，该工艺过程的温度如下：

当达到要求的温度时，经旋转阀、泵或其它适用的装置的排放装置排放铝。然后由于驱动源的负载下降，因此冷物料自动地加入工艺室。然后温度下降，直到温度再次达到后排放停止。当工艺过程平衡时，排放和加料或多或少地自动进行。

调节也可以相反的方式进行，在本方法所示出的方案中将是这种情况。当达到工艺温度时，冷物料加入反应器室将其冷却。如果没有建立如图2所示的固定床，这将增加驱动力的负载，然后它激励排放装置以降低负载。通过所示出的方案，人们可选择产品的自动排放，或通过主驱动源的负荷所激励的排放。

工艺过程中所产生的气体如水蒸汽、CO₂和CO，经一管从反应器室排放到冷凝器，过饱和蒸汽在冷凝器中冷凝成水。非凝性气体排到大气。

过饱和水蒸汽可被用来预热物料以减少能耗。

全部能耗等于把氧化物加热到工艺温度和蒸发在同温度下的水所需要的能量。当重新生成水的反应发生时，用于裂解水的能量由发生的放热反应回收。

从排放装置将所生产的铝可以铝粉末排入中性气氛，或以融熔铝排放。这样工艺温度大允为625℃。

生产液体铝时，在不裂解铝化合物和液体铝的反应器中有一混合区。通过连续地加入物料，在反应室中自动地平衡。

用液体铝关闭装置，这是由增加物料的进料来完成，直到工艺过程在600℃下冷却铝变成铝粉末为止。

如上所述，当我们用下述混合物生产一公斤铝时，在625℃操作该工艺方法必须的能量要求是：

Al₂O₃    =1.89kg    =44.8％

H₂O        =2.00kg    =46.4％

C            =O.33kg    =7.8％

合计     =4.22kg    =100％

Q=1.89*dt*C_s+0.38*dt’C_c+2*dH

C₃=Al₂O₃的比热=1kJ/kg℃。

dt=温度差=约525℃

C_c=碳的比热=约1kJ/kg℃。

dH=水的焓差=3200kJ/kg℃。

Q=1.89*525*1+0.33*1*525+2*3200=7565.5kJ/kg Al

Q=2.1k Wh/kg Al

这就表明，能量要求实质上低于铝的电解生产方法的。

当使用Al(OH)₃时，主反应为：

这样我们有：

1mol Al(OH)₃(分子量77.99)得到1mol Al(分子量27)。因此16molAl(OH)₃得到16mol Al，要求12mol C(分子量12)。

这样对1kg Al，我们有：

Mol Al：      1000/27  =37.04mol。

Mol Al(OH)₃：        =37.04/l     =37.94mol。

Mol C：                =37.04/16*12 =27.79mol。

按kg计算为：

Al(OH)₃：    =37.04*77.99/1000    =2.98kg/kgAl

C：            =27.79*12/1000       =O.33kg

能量通过任何的旋转源例如电动机、汽轮机、柴油机等供给在工艺室上的轴。如果利用汽轮机的热能源，那么从工艺室的蒸汽回收的大量的热可被利用，因此全面地降低能量效率。

图1示出了本方法的工艺流程图的一个实例，主要部件如下：

a)是有内部混合器的料斗，用于接收铝化合物、碳和水。在料斗的底部有一螺旋运输机，b)是由变速电机c)驱动的，把物料供给反应器室d)。在反应器中，转子e)设置用电动机f)驱动的磨擦元件(没示出)。在反应器室上，设置阀件g)排放铝和排放蒸汽和CO或CO₂的管h)。蒸汽在冷凝器i)中冷凝，冷凝水在此排出，冷却的CO₂排放至大气，或产生CO时，被燃烧(没示出)。虚线j)表示通过把蒸汽和热CO₂通入位于料斗的换热器可以回收热量的另一种方法。换热器可以是旋转的管件或位于料斗底部的空心的螺旋输送机。由于是密封料斗结构因此物料可预热达约150℃，由此料斗内的压力将是约5巴，这等于在该温度下的饱和蒸汽压。管s)是在流化床总长度的部分长度内，流化床的部分冷却的内冷却管。水中积聚的热量用换热器t)除去。

图2表示有转子e)和磨擦元件k)的反应器室d)。在室的每端设置旋转密封件和轴承1)。M)表示物料的进入口，n)是铝的排放口和o)是蒸汽和CO₂或CO的排放口。在室圆环的锥形部分上，p)是设置的环形板，q)从圆环p延伸距离x。利用这个距离在每个圆环的内部建立流化床的固定深度。这样电动机的负荷就由伸入流化床的磨擦元件的数量和转子e)的数量建立。当如零件图A所示的在n)处允许过排放(overdrain)时，在主驱动源上将有一稳定的负载，排放从口n)出来的产品。另一方面，如果不用A所示的过排放，由于产品在C区域的累积，负荷将增加，因此由主驱动部件负荷的变化将激励这种排放。

由于使用的不同宽度，磨擦元件k)因此有可能对每一个圆环和在同一圆筒形环内得到以W/元件表示的不同的比负荷。由于对用不同环p)的每个阶段磨擦元件的尖端速度向外逐渐增加，因此比负荷也增加。

为了控制进行的化学反应，对某些情况必须在产品排放前降低流化床的温度。这由经口s)的在环形r中的循环水完成。用这种装置就可以提高第一阶段的温度至远高于在冷却的环区之上由冷却该床达到的排放温度。通过这种装置，在冷却区域内的磨擦元件被设计成将尽可能少的能量供给流化床，只起将物料输送到下一阶段的输送装置的作用。通过一个或几个冷却和加热步骤，就可以建立工艺室中各种各样的条件，有利于每一铝化合物最佳地进行反应。

图3、4、5和6示出了设计的试验装置，部件如下：

d)是工艺室，其中带磨擦件的轴e)，经V形皮带轮v)由电动机u)驱动。物料进入料斗a)用内部螺旋w)与水和碳混合。除了物料混合外，螺旋w)当制成空心时，还通过通入的蒸汽用作预热物料的换热器。

来自料斗的物料用螺旋输送机b)或其它的可能性的加料装置加入工艺室d)。

物料被处理时，物料从螺旋输送机的方向对着由旋转阀g)组成的排料装置流动。生产的铝粉或液体铝的收集装置没有示出。

当本方法在约625℃的温度操作时，为液体金属设计的排料装置由阀件组成。

所产生的过饱和蒸汽经管和旋风分离器x)离开工艺室，其中蒸汽所夹带的固体在旋风分离器中与蒸汽和CO或CO₂物流分离。

来自旋风分离器的蒸汽进入由折流板冷凝器y)和冷却器z)组成的冷凝装置。不凝性气体从折流板冷凝器排放到气体洗涤器æ)或过滤器中。冷却器用泵φ)泵送的水冷却，折流板冷凝器则通过冷凝液从折流板冷凝器，经冷却器z)和泵

)再回到折流板冷凝器进行循环冷却。折流板式冷凝器中的冲洗水经阀aa)从折流板式冷凝器自动地排放。

整个装置由控制装置bb)控制。

必须理解，这种排列只是许多设计中的一种，根据本发明的原理生产铝或其它金属的装置还可以进行改变。图7和8示出了反应器室供选择的布置。图7示出的反应器室与图2的相似，但是锥形部分被产生流化床流化步骤的圆筒形取代。

图8示出一立式反应器室，产品在锥形部分n)处排出。铝化合物在m)处加入反应器，蒸汽和CO或CO₂在口o)处排出。字母表示的和前图相同的部件。

Claims (3)

1．从铝或金属化合物生产铝或其它金属的热-机械方法，其特征是铝氧化物或相似的铝化合物或类似的其它金属化合物，在工艺室内与自由水或铝或金属化合物中能形成水的成分和传递氢碳的物料一起，由旋转和/或搅拌装置的机械力产生的磨擦热加热，其方式是在反应器室中的物料像一热机械流化床那样，因而水被裂解成羟基和氢离子，使氢离子与在热的和现在不稳定的铝或金属化合物中的氧反应，因此释出铝或金属原子，而羟基经反应返回成水。

2．按权利要求1的方法，其特征是反应器室可以是卧式容器，其设置有搅拌工艺室中物料的带磨擦元件的轴，物料在磨擦元件和固体之间的运动产生热。

3．按权利要求1的方法，其特征是反应器室含有不同的流化床的圆锥，一个或几个流化床可以用水或其它冷却剂冷却。

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