DE2900649C2 - Process for the thermal reduction of metal oxides - Google Patents
Process for the thermal reduction of metal oxidesInfo
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- C22B5/12—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by gases
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Reduktion von Metalioxiden und Gewinnung der dabei gebildeten Metalle, insbesondere zur Reduktion von Aluminiumoxid zu Aluminium, in einem Reaktor bei einer Temperatur über der Reaktionstemperatur der Oxide, d. h. im Falle von Aluminiumoxid über 2000°C: das die Metalldämpfe enthaltende Abgas des Reaktors wird kondensiert und die Schmelze zur weiteren Verarbeitung geführt. Der Anteil von nicht umgesetztem Kohlenstoff oder Metalloxid im Abgas dient als Meßgröße für die Einspeisung der Ausgangsmaterialien.The invention relates to a method for the thermal reduction of metal oxides and the extraction thereof formed metals, in particular for the reduction of aluminum oxide to aluminum, in a reactor at a Temperature above the reaction temperature of the oxides, d. H. in the case of aluminum oxide above 2000 ° C: that The exhaust gas from the reactor, which contains metal vapors, is condensed and the melt for further processing guided. The proportion of unreacted carbon or metal oxide in the exhaust gas is used as a measured variable for feeding in the starting materials.
Aluminiuni wird in großem Umfang durch Schmelzfluß-Elektrolyse von Aluminiumoxid in Kryolith hergestellt. Dazu benötigt man eine große Anzahl von Elektrolysezellen, in denen mit Kohleanoden gearbeitet wird. Die für die Elektrolyse benötigte Wärmeenergie wird durch Widerstandsheizung aufgebracht. Die Schmelzflußelektrolyse ist in apparativer und operativer Hinsicht recht aufwendig und die fluorhaltigen Abgase stellen oft einen beträchtlichen Kostenfaktor weAluminum is produced to a large extent by melt flow electrolysis made of alumina in cryolite. This requires a large number of electrolysis cells, in which carbon anodes are used. The thermal energy required for electrolysis is applied by resistance heating. The melt flow electrolysis is in terms of apparatus and operation Considerable costly and the fluorine-containing exhaust gases are often a considerable cost factor
gen der Notwendigkeit der Gaswäsche dar.the need for gas scrubbing.
Man ist daher bestrebt. Aluminium durch Reduktion von Aluminiumoxid mit Kohlenstoff unter Bildung von Aluminiumtrichlorid zu gewinnen, welch letzteres in einer geschlossenen Elektrolysezelle zu Aluminium zersetzt werden kann.One is therefore striving. Aluminum by reducing aluminum oxide with carbon to form To obtain aluminum trichloride, which decomposes the latter to aluminum in a closed electrolysis cell can be.
Es sind auch schon Verfahren bekannt geworden, bei denen feine Erze zur Reduktion in eine Reakt-onszone eingebracht und die nötige Temperatur durch elektrisehe Widerstandsbeheizung oder einen Lichtbogen erzeugt wird (US-PS 33 65 185,35 63 726 und 37 65 870).Processes have also become known in which fine ores are placed in a reaction zone for reduction introduced and the necessary temperature generated by electrical resistance heating or an electric arc (US-PS 33 65 185,35 63 726 and 37 65 870).
Aus der US-PS 32 32 746 ist ein Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden bekannt, bei dem die erforderliche Wärmeenergie durch Verbrennen üblicher Brennstoffe aufgebracht wird. Aus der DE-OS 26 50 324 ist ein Verfahren zum Reduzieren von Metalloxiden in einem zwischen Kathode und Anode eines Plasmabrenners erzeugten Lichtbogen in Gegenwart eines Reduktionsmittels bekannt. Zur Stabilisierung der Plasmalanze dient ein längs der Elektroden geführter Gasstrom. Dieses Stabilisierungsgas ist das plasmabildende Gas Wasserstoff oder Erdgas. Geschmolzenes Erz fließt die Kammerwand abwärts und in dieser Schmelzschicht an der Ofenwand erfolgt die Reduktion.From US-PS 32 32 746 a method for the reduction of metal oxides is known in which the required Thermal energy is applied by burning common fuels. From DE-OS 26 50 324 is a Process for reducing metal oxides in a plasma torch produced between the cathode and anode Arc in the presence of a reducing agent known. Serves to stabilize the plasma lance a gas flow guided along the electrodes. This stabilization gas is the plasma-forming gas hydrogen or natural gas. Molten ore flows down the chamber wall and in this layer of melt on the The reduction takes place in the furnace wall.
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden, insbesondere Aluminiumoxid, in einem vollständig geschlossenen System bereitzustellen, so daß alle mit Luftverunreinigung verbundenen Probleme, die bei offenen Zellen auftreten, eliminiert sind.The application is based on the object of a method for reducing metal oxides, in particular Alumina to provide in a completely closed system so that all with air pollution related problems associated with open cells are eliminated.
Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs I.The problem posed is achieved by a method with the characterizing features of the claim I.
Die Ansprüche 2 — 5 betreffen Ausbildungen des Ver-Claims 2 - 5 relate to training courses
J5 fahrens nach Anspruch 1.J5 driving according to claim 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird anstelle eines Lichtbogens nach dem Stand der Technik eine Streu-Entladung angewandt, die mit einer hohen Spannung arbeitet und dementsprechend geringere Stromstärke benötigt als dies bei einen: Lichtbogen für die gleiche Leistung erforderlich wäre. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man mit üblichen Drei-Phasen-Wechselstrom arbeiten und benötigt nicht die Gleichrichtung und den damit verbundenen Aufwand.In the method according to the invention, instead of an arc according to the prior art, a Stray discharge applied, which works with a high voltage and accordingly lower amperage required than this with one: arc would be required for the same performance. In the inventive You can work with the usual three-phase alternating current and do not need that Rectification and the associated effort.
Die Dimensionen der Elektroden sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich kleiner ais bei den mit Lichtbogen arbeitenden Systemen, der Elektrodenverbrauch ist minimal. Das Ausgangsmaterial läßt sich einfach in die Reaktionszone hoher Temperatur einführen und der Elektrodenabstand ist kein kritischer Faktor. In the method according to the invention, the dimensions of the electrodes are significantly smaller than in the case of the electrodes with arc working systems, electrode consumption is minimal. The starting material can simply introduce it into the high temperature reaction zone and the electrode spacing is not a critical factor.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine lange Verweilzeit der Reaktionspartner in der Reaktionszone gewährleistet, so daß eine vollständige Reduktion
der Oxide zu dem Metalldampf gewährleistet ist. Schließlich ist auch zu beachten, daß bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Funktion eines Fliehkraftscheiders in das Reduktionsverfahren integriert ist. so
daß dieses insgesamt einen hohen Wirkungsgrad besitzt; das erhaltene Metall ist besonders rein, weil mit
dem Reduktionsmittel keine Verunreinigungen eingebracht werden; schließlich werden die Metalldämpfe
kondensiert.
Die Einspeisung des Ausgangsmaterials wird geregelt über die vom Abgas emitierten Strahlung als Meßgröße.
Diese Regelung ist eng verbunden mit der Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionspartner oder der Sauerstoffzuführung
in den Reaktor, so daß eine hohe Rein-In the process according to the invention, a long residence time of the reactants in the reaction zone is ensured, so that a complete reduction of the oxides to the metal vapor is ensured. Finally, it should also be noted that the function of a centrifugal separator is integrated into the reduction process in the method according to the invention. so that this has a high overall efficiency; the metal obtained is particularly pure because no impurities are introduced with the reducing agent; eventually the metal vapors are condensed.
The feed of the starting material is regulated via the radiation emitted by the exhaust gas as a measured variable. This regulation is closely related to the flow rate of the reactants or the oxygen supply into the reactor, so that a high purity
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heit des Produkts gewährleistet wird. Durch Aufrechterhaltung von hohen Temperaturen im Bereich der Entladung durch die Streu-Entladung als Wärmequelle bilden sich keine Carbide (insbesondere Aluminiumcarbid) oder andere unerwünschte Nebenprodukte, die mit dem Abgas ausgetragen werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere zur Gewinnung von Aluminium, wird die Reduktion in einem Reaktor vorgenommen, wobei in einer Reaktionszone hoher Temperatur eine Streu-Entladung in Gegenwart des Metalldampfes (Aluminiumdampfs) aufrechterhalten wird. Das Oxidpulver (Aluminiumoxidpulver) und ein Reduktionsmittel wie Erdgas, Kohle oder Kohlenstoff, in einem gasförmigen Medium werden in die Reaktionszone mit tangentialer Bewegungskomponente eingeführt, um eine wirbelnde Bewegung hervorzurufen. Diese kreisende Bewegung wird über einer minimalen Turbulenz aufrechterhalten, so daß die Feststoffteilchen in Suspension gehalten und die Streu-Entladung aufrechterhalten werden. Das Oxidpulver wird zu Metalldampf reduziert und dieser mit dem Reduktionsgas aus der Reakt'onszcne ausgetragen und schließlich kondensiertthe product is guaranteed. By maintaining of high temperatures in the area of the discharge due to the scatter discharge as a heat source no carbides (especially aluminum carbide) or other undesirable by-products associated with the Exhaust gas are discharged. According to the method according to the invention, in particular for the extraction of aluminum, the reduction is carried out in a reactor, with a high temperature reaction zone a stray discharge is maintained in the presence of the metal vapor (aluminum vapor). That Oxide powder (aluminum oxide powder) and a reducing agent such as natural gas, coal or carbon in one gaseous medium are introduced into the reaction zone with tangential movement component to a causing swirling motion. This circular motion is maintained over a minimal amount of turbulence, so that the solid particles are kept in suspension and the stray discharge is maintained. The oxide powder is reduced to metal vapor and this is removed from the reaction scene with the reducing gas discharged and finally condensed
Wie erwähnt wird für das erfindungsgemäße Verfahren zur thermischen Reduktion von Metalioxiden eine elektrische Streu-Entladung zur Beheizung angewandt Im Gegensatz zu einem elektrischen Lichtbogen erfolgt die Entladung bei hoher Leistung im allgemeinen mit hohen Spannungen und mäßiger Stromstärke (etwa 300 bis 5000 V). Als Reduktionsmittel kann man — wie bereits erwähnt — Erdgas verwenden; es eignen sich aber auch andere Kohlenwasserstoffe oder auch Kohle oder Kohlenstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in erster Linie angewandt zur Reduktion von Aluminiumoxid zu Aluminium, eignet sich jedoch auch zur Gewinnung anderer Metalle, wie Magnesium.As mentioned, for the process according to the invention for the thermal reduction of metal oxides a electrical stray discharge applied for heating in contrast to an electrical arc takes place the discharge at high power generally with high voltages and moderate amperage (about 300 up to 5000 V). As already mentioned, natural gas can be used as the reducing agent; but they are suitable also other hydrocarbons or coal or carbon. The method according to the invention is described in Primarily used to reduce aluminum oxide to aluminum, but is also suitable for extraction other metals such as magnesium.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen weiter erläutert; in diesen zeigtThe invention is further explained with reference to the drawings; in these shows
F i g. 1 einen vertikalen Schnitt durch den Reduktionsofen zr- Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.F i g. 1 shows a vertical section through the reduction furnace zr- carrying out the method according to the invention.
F i g. 2 einen horizontalen Schnitt durch den Ofen nach der Fig. 1.F i g. 2 shows a horizontal section through the furnace according to FIG. 1.
F i g. 3 ist ein Diagramm, in dem das Sauerstoffpotential für Aluminiumoxid in Abhängigkeit von der Temperatur gezeipt ist.F i g. 3 is a diagram showing the oxygen potential for aluminum oxide as a function of the temperature.
Nach F i g. I und 2 weist der Reduktionsofen 10 eine Reaktionskammer 14 innerhalb des zylindrischen feuerfesten Ofengefäßes 12 mii gewölbtem Boden 15 und gewölbter Decke 13 auf. Die Breite der Reaktionszone ist wesentlich größer als die axiale Höhe durch diese Konstruktion.According to FIG. I and 2, the reduction furnace 10 has a reaction chamber 14 within the cylindrical refractory Oven vessel 12 with a curved bottom 15 and a curved top 13. The width of the reaction zone is much greater than the axial height due to this construction.
Eine Anzahl von Elektroden 16 (in Fig. 2 sind sechs gezeigt) durchdringen die Decke 13 und reichen in die Reaktionszone 14. Sie bestehen im allgemeinen aus Kohlenstoff oder Graphit und sind mit einer entsprechenden Isolierung 18 versehen. In die Reaktionszone führen die Düsen 20 zur Einspeisung des Ausgangsmatenals. Sie sind so im Ofengefäß 12 angeordnet, daß das Ausgangsmaterial im wesentlichen in der Mitte zwischen zwei benachbarten Elektroden 16 in die Reaktionskammer 14 eintritt. Ihre Lage in dem Ofen wird so gewählt, daß das Ausgangsmateria! eine mäßige Tangentialgeschwindigkeit erhält.A number of electrodes 16 (six are shown in Fig. 2) penetrate the ceiling 13 and reach into it Reaction zone 14. They generally consist of carbon or graphite and are provided with a corresponding Insulation 18 provided. The nozzles 20 feed the starting material into the reaction zone. They are arranged in the furnace vessel 12 that the starting material is substantially in the middle between two adjacent electrodes 16 enters the reaction chamber 14. Your position in the oven will be like this chosen that the starting material! gets a moderate tangential velocity.
Die Reaktionsprodukte treten aus der Kammer 14 durch den Austragstutzen 24 im Boden 15 in der vertikalen
Achse des Ofens aus Mod gelangen in den Kondensator
22. Der Kondensator^ ist im allgemeinen ein Oberflächenkühler,
welcher eine Vielzahl von Kühlrohren 28 enthält, denen über 26 Kühlmedium zugeführt und bei
36 abgezogen wird. Im unteren Bereich des Kondensators befindet sich der Abscheider 30, aus dem die
Schmelze bei 32 und die Abgase bei 34 ausgetragen werden. Die Abwärme aus dem Kondensator 22 kann
mit einem Wärmeträger, wie Wasserstoff oder Helium, gewonnen werden, wenn dieser in einem geschlossenen
Kreislauf umläuft.
Die Bedingungen bei der thermischen Reduktion vonThe reaction products exit the chamber 14 through the discharge nozzle 24 in the bottom 15 in the vertical axis of the furnace from Mod enter the condenser 22. The condenser ^ is generally a surface cooler which contains a plurality of cooling tubes 28, to which cooling medium is supplied via 26 and is deducted at 36. The separator 30, from which the melt is discharged at 32 and the exhaust gases at 34, is located in the lower area of the condenser. The waste heat from the condenser 22 can be obtained with a heat transfer medium such as hydrogen or helium if it circulates in a closed circuit.
The conditions for the thermal reduction of
to Al2O3 sind in dem Diagramm der F i g. 3 gezeigt. Die Geraden entsprechen der Oxidation von Al zu Al2O3 und von C zu CO; sie kreuzen sich bei 2000°C. Ober dieser Temperatur nimmt Kohlenstoff den Sauerstoff aus dem Metalloxid unter Bildung von CO auf. Für hohe Reaktionsgeschwindigkeit und für die Zersetzung unerwünschter Nebenprodukte, wie Al2O3, AlO, Al4C3 und Al2OC, sollte die Temperatur im Reaktor über 20000C. vorzugsweise über 2200° C, liegen. Bei den folgenden Beispielen wird eine Gastemperatur von 2400° C in der Reaktionszone angenommen. Bei diev . Temperatur erreicht der Dampfdruck des Aluminiums di" in der Tabelle 1 zusammengestellten Werte.to Al 2 O 3 are in the diagram of FIG. 3 shown. The straight lines correspond to the oxidation of Al to Al 2 O 3 and of C to CO; they cross at 2000 ° C. Above this temperature, carbon absorbs the oxygen from the metal oxide with the formation of CO. For high reaction rate and for the decomposition of unwanted by-products, such as Al 2 O 3, AlO, Al 4 C 3 and Al 2 OC, the temperature in the reactor over 2000 0 C. should preferably be over 2200 ° C, are. In the following examples, a gas temperature of 2400 ° C. is assumed in the reaction zone. At diev. Temperature reaches the vapor pressure of the aluminum di "values compiled in Table 1.
Der Aluminiumdampf verläßt zusammen mit dem Reaktionsgas den Reaktor und wird dann kondensier;.The aluminum vapor leaves the reactor together with the reaction gas and is then condensed.
Dem Verfahren liegt folgende Gesamtgleichung zugründe: The process is based on the following overall equation:
1 Al2O3 + 3 CH4 = 2 Al + 3 CO + 6 H2 1 Al 2 O 3 + 3 CH 4 = 2 Al + 3 CO + 6 H 2
Für die Reaktion benötigt man 0.1243 mVkg Erdgas, wobei sich 1,698 m3 CO + H2 als Nebenprodukt bilden. Bezogen auf 1 g-Mol Aluminium beträgt die Reaktionswärme bei 298 K 1575 kj und der Wärmeinhalt der Reaktionsprodukte bei 2700 K 1420 kj. Der Gesamtwärmebedarf beträgt somit 2995 kj. In großen Anlagen werden die Wärmeverluste und der Energiebedarf des Kompressors in etwa kompensiert durch Vorwärmen des Ausgangsmaterials auf etwa 300° C.0.1243 mVkg natural gas is required for the reaction, 1.698 m 3 CO + H 2 being formed as a by-product. Based on 1 g-mol of aluminum, the heat of reaction at 298 K is 1575 kJ and the heat content of the reaction products at 2700 K is 1420 kJ. The total heat demand is thus 2995 kJ. In large systems, the heat losses and the energy requirements of the compressor are roughly compensated for by preheating the raw material to around 300 ° C.
Bei.jg;n auf 0,45 kg Aluminium benötigt man insgesamt an elektrischer Energie 7 kWh; die Abwärme aus dem Kondensator von über 600°C macht belogen auf g-Mol Aluminium 1235 kj aus. so daß sich bei einem 35°/oigen Wirkungsgrad 1 kWh ergibt. Der Nettobedarf an elektrischer Energie ohne Verwertung des als Nebenprodukt anfallenden Gases ist somit 6 kWh. Aus dem Nebenprodukt laßt sich bei einem 35%igen Wirkungsgrad ein Energiegewinn von 1,85 kWh erreichen, so daß der gesamte Energiebedarf 4,15 kW η beträgt.For a total of 0.45 kg aluminum you need of electrical energy 7 kWh; the waste heat from the condenser of over 600 ° C makes you lied to g-mole aluminum 1235 kj. so that with a 35% efficiency 1 kWh results. The net requirement of electrical energy without utilization of the gas produced as a by-product is therefore 6 kWh. the end the by-product can achieve an energy gain of 1.85 kWh with a 35% efficiency, so that the total energy requirement is 4.15 kW η.
Es ist wirtschaftlicher, das Abgas zur Herstellung von Brennstoffen oder chemische Produkte zu verwerten. In diesem Fall kann der Energiebedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens auf 6 kWh herabgedrückt werden.It is more economical to use the exhaust gas to manufacture fuels or chemical products. In In this case, the energy requirement of the method according to the invention can be reduced to 6 kWh.
Energiereiche Entladungsströme konzentrieren sich nicht in einem schmalen Lichtbogen, wenn unter Einhai-High-energy discharge currents do not concentrate in a narrow arc if
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tung folgender Kriterien ein turbulentes Mischen stattfindet. turbulent mixing takes place according to the following criteria.
(άΝΛ( άΝ Λ
VJTJVJTJ
0,24 0.24 Ekr P-C1, Ek r PC 1 ,
E2>2E 2 > 2
Ne T u' LN e T u 'L
Anzahl der Elektronen je cm3 Number of electrons per cm 3
Gastemperatur, KGas temperature, K
Intensität der Turbulenz in cm/sIntensity of the turbulence in cm / s
—r charakteristische Zeit der Turbulenz in s—R characteristic time of turbulence in s
elektrische Ladung des Elektrons 1,59
Gasdichte in g/cm3
Ausmaß der Turbulenz in cmelectric charge of the electron 1.59
Gas density in g / cm 3
Degree of turbulence in cm
Mobilität der ElektronenMobility of electrons
1019Cb10 19 Cb
V/cmV / cm
Cp spezifische Wärme des Gases 4,2 J/g · K Cp specific heat of the gas 4.2 J / g · K
^aI1IiUIi6J6, ^ aI 1 IiUIi 6 J 6 ,
Das !onisationspotential von Aluminium ist gering und beträgt nur 5,984 V. Die Ionen/Elektronen-Konzentration im Reaktionsgas, enthaltend 181 mbar Aluminium, 266 mbar Kohlenmonoxid und 532 mbar Wasserstoff infolge der thermischen Ionisation des Aluminiumdampfes ist in der Tabelle 2 in Abhängigkeit von der Gastemperatur angegeben.The onization potential of aluminum is low and is only 5.984 V. The ion / electron concentration in the reaction gas containing 181 mbar aluminum, 266 mbar carbon monoxide and 532 mbar hydrogen due to the thermal ionization of the aluminum vapor is shown in Table 2 as a function of the Gas temperature specified.
Die Turbulenz mit einer charakteristichen Zeit von etwa 10"' s oder darunter wird durch den in den Reaktor eintretenden Gasstrahl aufrechterhalten. Bei dieser charakteristischen Zeit der Turbulenz errechnet sich der kritische Spannungsgradient für die Streuung der Entladung mit 31,6 V/cm bei einer Gastemperatur von 2500 K. Wie anhand des folgenden Beispiels bei einem 30 000 kW Reduktionsofen gezeigt wird, ist der Konstruktion zuzumessende Anteil des Spannungsgradienten nur ein Teil dieses kritischen Werts. Die Konstruktion des Reduktionsofens wird durch die angestrebte Verweilzeit und nicht durch den zulässigen Spannungsgradienten bestimmt The turbulence with a characteristic time of about 10 "'s or less is caused by the in the reactor Maintain incoming gas jet. At this characteristic time of turbulence is calculated the critical voltage gradient for the scattering of the discharge with 31.6 V / cm at a gas temperature of 2500 K. As shown in the following example for a 30,000 kW reduction furnace, the construction is the proportion of the stress gradient to be measured is only part of this critical value. The construction of the reduction furnace is determined by the desired dwell time and not by the permissible stress gradient
Die Möglichkeit der Konzentrierung des Entladungsstroms zu einem Lichtbogenfaden wird durch die bei der Reaktion benötigte Wärme, welche die Temperatur stabilisiert und durch dauernde Dehnung der Strömungslinien infolge kreisender Bewegung der Gase im Ofen weiter herabgesetztThe possibility of concentrating the discharge current to form an arc thread is made possible by the Reaction required heat, which stabilizes the temperature and through constant stretching of the flow lines further reduced as a result of the circular movement of the gases in the furnace
Im Gegesatz zu einem Lichtbogen wird mit Hilfe einer Streuentladung die Wärmeenergie über die ganze Reaktionszone hoher Temperatur im Inneren des Reaktors verteilt. Dadurch kann kein Anteil des Ausgangsmaterials ohne zu reagieren den Ofen verlassen und das Reaktionsprodukt verunreinigen.In contrast to an electric arc, the thermal energy is spread over the whole with the help of a stray discharge High temperature reaction zone distributed inside the reactor. As a result, no part of the starting material can be used leave the furnace without reacting and contaminate the reaction product.
In einen 30 000-kW-Reduktionsofen wurde Aluminiumoxidpulver mit Erdgas oder rückgeleitetem Rnak-S tionsgas eingeführt, und zwar mit einer mäßigen tangentialen Geschwindigkeitskomponente. Die in den Ofen eintretenden Gasströme führen zu einer heftigen Turbulenz, wodurch Feststoffteilchen in Schwebe gehalten und die Entladungsströme auseinandergezogen werden, so daß sie sich nicht zu einem Lichtbogen vereinigen können.In a 30,000 kW reduction furnace, alumina powder was mixed with natural gas or recycled Rnak-S tion gas introduced with a moderate tangential velocity component. The ones in the oven Incoming gas flows lead to violent turbulence, as a result of which solid particles are held in suspension and the discharge currents are drawn apart so that they do not combine into an arc can.
Die mit Pulver beladenen Gase rotieren um die vertikale Achse des Ofens und bewegen sich langsam nach innen. Sie werden in der äußeren Zone des Ofens durch die Wärmestrahlung aus der heißen Innenzone des Ofens vorgewärmt Erdgas bzw. andere Kohlenwasserstoffe werden in dieser Vorwärmzone in Wasserstoff und feine Kohlcnstofftcüchcr! zersetzt. Al^O, und die Kohlenstoffteilchen verbleiben im Ofen durch die Zentrifugalkraft in wirbelnder Bewegung, bis sie vollkommen reagiert haben. Somit ist die Verweilzeit der Gase in der heißen Zone in der Größenordnung von 1 s, während die der Teilchen wesentlich länger ist, abhängig von deren Größe. Die Reaktionsgase verlassen den Ofen 10 über 24 und gelangen in den Kondensator 22, in dem etwa 97% des Aluminiumdampfs kondensiert werden, vt ihrend die Temperatur des Gases von 2000 auf 1600°C sinkt. Im Abscheider 30 trennt sich die Aluminiumschmelze vom Abgas und wird kontinuierlich ausgetragen. Die Abwärme aus dem Kondensator 22 wird auf einem Wärmeträger, wie Wasserstoff oder Helium, der im geschlossenen Kreislauf zirkuliert, übertragen. Ein wesentlicher Teil dieser Abwärme läßt sich in einer Gasturbine als elektrischer Strom gewinnen.The powder-laden gases rotate around the vertical axis of the furnace and slowly move along Inside. They are placed in the outer zone of the furnace due to thermal radiation from the hot inner zone of the Oven preheated Natural gas or other hydrocarbons are converted into hydrogen in this preheating zone and fine carbon cakes! decomposed. Al ^ O, and the Carbon particles remain in the furnace in a whirling motion by centrifugal force until they are complete have reacted. Thus, the residence time of the gases in the hot zone is of the order of 1 s while that of the particles is much longer, depending on their size. The reaction gases leave the Furnace 10 through 24 and enter the condenser 22, in which about 97% of the aluminum vapor is condensed, As a result, the temperature of the gas drops from 2000 to 1600 ° C. The aluminum melt separates in the separator 30 from the exhaust gas and is continuously discharged. The waste heat from the condenser 22 is on a heat transfer medium such as hydrogen or helium that circulates in a closed circuit. A A substantial part of this waste heat can be obtained as electrical power in a gas turbine.
Das Abgas gelangt in einen (nicht gezeigten) zweiten Kondensator, in dem der Rest des Metalls zusätzlich mit den Verunreinigungen kondensiert wird. Das Abgas wird nun durch einen Kühler und einen Zyklonabscheider geführt, damit die Feststoffe aus der gegenläufigen Reaktion als feiner Staub entfernt werden. Dieser besteht in der Hauptsache als AI2O3, AI4C3 und AI2OC und wird mit dem Ausgangsmaterial in den Ofen zurückgeleitet. Die hohe Oberflächenspannung des geschmolzenen Aluminiums verhindert im Kondensator 22 und Abscheider 30 den Eintritt der feinen Oxide und Carbide in die Schmelze.The exhaust gas passes into a (not shown) second condenser, in which the rest of the metal is also included the impurities is condensed. The exhaust gas is now passed through a cooler and a cyclone separator guided so that the solids are removed from the opposing reaction as fine dust. This exists mainly as AI2O3, AI4C3 and AI2OC and is returned to the furnace with the starting material. The high surface tension of the molten Aluminum prevents the fine oxides and carbides from entering into the condenser 22 and separator 30 the melt.
Dem Reduktionsofen 10 wird über die Kohleelektroden 16 elektrischer Strom, z. B. 3-Phasen-Wechselstrom mit 60 Hz, zugeführt Der Strom verläßt die Elektroden 16 in Form eines Lichtbogens, der die kühlen Auuenzonen durchdringt und in der heißen Reaktionszone sich zu einer Streu-Entladung aufteiltThe reduction furnace 10 is via the carbon electrodes 16 electrical current, for. B. 3-phase alternating current at 60 Hz, supplied The current leaves the electrodes 16 in the form of an arc, which the cool outside zones penetrates and splits into a scatter discharge in the hot reaction zone
Die Wärmestrahlung aus der heißen Reaktionszone wirkt auf die Wolken aus AI2O3 und Kohlenstoffteilchen, die sich im Gas in dem äußeren Ofenbereich befinden. Die Ofenwände sind dadurch vor hoher Wärmestrahlung geschützt und die Wärmeverluste aus dem Ofen werden gering gehalten. Die Strahlungswärme wird von den Feststoffen aufgenommen, welche damit vorgewärmt werden.The thermal radiation from the hot reaction zone acts on the clouds of AI2O3 and carbon particles, which are in the gas in the outer furnace area. This means that the furnace walls are protected from high levels of heat radiation protected and the heat losses from the furnace are kept low. The radiant heat is absorbed by the solids, which are preheated with it.
Es zeigte sich, daß kein Zusammenlaufen von Tröpfchen in größerem Ausmaß stattfindet, solange das Gasvolumen, in dem sich die Tröpfchen befinden, mehr als das 50 000fache Gesamtvolumen der Tröpfchen ausmacht Bei Temperaturen, bei denen sich die Oxidteilchen zu erweichen beginnen, ist das Verhältnis von Gasvolumen zu Feststoffvolumen sehr viel größer als obiger Grenzwert Es ist also eine merkliche KoagulationIt was found that no larger droplets converge as long as the gas volume in which the droplets are located, is more than 50,000 times the total volume of the droplets At temperatures at which the oxide particles begin to soften, the ratio of gas volume is To solid volume much larger than the above limit value. So there is a noticeable coagulation
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der Oxidteilchen im Ofen nicht zu erwarten.of the oxide particles in the furnace are not to be expected.
In dem 30 000-kW-Reduktionsofen bei einem Energieverbrauch von 7 kWh — bezogen auf 0,45 kg Aluminium — errechnet sich eine Aluminiumproduktion von etwa 2 l/h oder 16 000 t/j. Die 30 000 kW, die für den Reduktionsofen benötigt werden, stammen zu 4300 kW aus der Abwärme-Turbine, zu 8000 kW aus der Abgasturbine und zu 17 700 kW von einer äußeren Stromversorgung. In the 30,000 kW reduction furnace at an energy consumption 7 kWh - based on 0.45 kg aluminum - results in aluminum production of about 2 l / h or 16,000 t / y. The 30,000 kW required for the reduction furnace come to 4,300 kW from the waste heat turbine, 8000 kW from the exhaust gas turbine and 17 700 kW from an external power supply.
Nimmt man eine Verweilzeit der Gase in der Hochtemperatur-Reaktionszone von 1 s an, so errechnen sich folgende Ofendimensionen:If one takes a residence time of the gases in the high temperature reaction zone from 1 s onwards, the following furnace dimensions are calculated:
Strahlungsverlust am Ausgang 200 kWRadiation loss at the output 200 kW
Strahlungsverlust durch die Wände 300 kWRadiation loss through the walls 300 kW
Kondensator für Altiminiumdampf:Altiminium vapor condenser:
Unter 20000C wird Aluminium durch Kohlenmonoxid wieder rückoxidiert. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist nicht bekannt Der größte Anteil des Metalls wird jedoch kondensiert innerhalb der Zeit, die erforderlich ist, daß das Reaktionsgas durch die Kondensatorrohre strömt, d. h. in einem Bruchteil einer Millisekunde. Die Abschreckzeit der Aluminiumdämpfe ist sehr wesentlich und so!! so kurz wie möglich sein. Dre Zeit für ein Abschrecken von 2000 auf 1600"C kann weiter herabgesetzt werden durch Anwendung von sehr engen Kühlrohren größerer Länge unter Inkaufnahme eines höheren Druckabfalls im Kondensator. Der Kondensator kann auch eine andere geometrische Konfiguration besitzen, um die Verweilzcit innerhalb des kritischen Tcmperaturbereichs zu verringern. So kann man /. B. Rohrbündel oder Rippenrohre anwenden, die von den heißen Reaktionsgasen umströmt werden.Below 2000 ° C., aluminum is reoxidized again by carbon monoxide. The reaction rate is not known. Most of the metal, however, is condensed within the time required for the reaction gas to flow through the condenser tubes, ie in a fraction of a millisecond. The quenching time of the aluminum fumes is very essential and such !! be as short as possible. The quenching time from 2000 to 1600 "C can be further reduced by using very narrow cooling tubes of greater length at the expense of a higher pressure drop in the condenser. The condenser can also have a different geometric configuration in order to reduce the residence time within the critical temperature range For example, tube bundles or finned tubes can be used around which the hot reaction gases flow.
Die Bedingungen für die Existenz einer Streu-Entladung in dem Ofen werden eingestellt durch ErwärmenThe conditions for the existence of a stray discharge in the furnace are adjusted by heating
ίο des Ofens und des Gasstroms mit Hilfe von Erdgas/Sauerstoff-Fiammen oder elektrischen Lichtbögen und Verdampfen von etwa Aluminium in dem Ofen. Hat sich einmal die Entladung eingestellt, so wird die erforderliche Ionisation aufrechterhalten durch lange Verweilzei· ten der umlaufenden heißen Gase.ίο the furnace and the gas flow with the help of natural gas / oxygen flames or electric arcing and evaporation of some aluminum in the furnace. Has once the discharge has ceased, the required ionization is maintained by a long dwell time. the circulating hot gases.
Die Temperatur im Reduktionsofen am Austrittsstutzen liegt beträchtlich über der Zersetzungstemperatur von Aluminiumcarbid (22000C). Nach dem Ofen stehen Aluminium und Kohlenstoff nicht mehr miteinander in Berührung. Es ist daher eine Aluminiumcarbidbindung nicht zu erwarten.The temperature in the reduction furnace at the outlet connection is considerably higher than the decomposition temperature of aluminum carbide (2200 ° C.). After the furnace, aluminum and carbon are no longer in contact with one another. An aluminum carbide bond is therefore not to be expected.
Die Feststoffteilchen, nämlich AI2O1 und Kohlenstoff, werden in dem Ofen länger gehalten als die Gase. Der momentane Kohlenstoffgehalt weicht daher manchmal ab von dem Anteil, der für eine vollständige Reaktion erforderlich ist. Überschüssiger Kohlenstoff wird mit den Reaktionsgasen aus dem Ofen ausgetragen. Die charakteristische Strahlung des Kohlenstoffs im Reaktionsgas läßt sich für die automatische Regelung der Zuspeisung von Erdgas und der Energiezuführung in den Ofen heranziehen. Sobald beispielsweise strahlende Kohlenstoffteilchen festgestellt werden, kann man die Methanzuführung etwas drosseln oder etwas Sauerstoff in den Reaktor einleiten, um den überschüssigen Kohlenstoff zu CO zu verbrennen. Diese Regelungsmöglichkeit gewährleistet die hohe Reinheit des erhaltenen AIu-The solid particles, namely AI2O1 and carbon, are kept in the furnace longer than the gases. The current carbon content therefore sometimes gives way from the proportion that is required for a complete reaction. Excess carbon is used with the reaction gases discharged from the furnace. The characteristic radiation of the carbon in the reaction gas can be used for the automatic control of the supply of natural gas and the energy supply in pull up the stove. As soon as, for example, radiating carbon particles are detected, the Throttle the methane supply somewhat or introduce some oxygen into the reactor to remove the excess carbon to burn to CO. This control option ensures the high purity of the aluminum
denspannung geregelt.
Das erfindungsgemäße kontinuierliche Verfahren eignet sich für großtechnische Anlagen mit automatischer
Regelung. Die Metallschmelze sammelt sich an einer Stelle und wird kontinuierlich ausgetragen. Der
Stromverbrauch liegt wesentlich günstiger als bei den besten Anlagen, die nach dem Hall-Verfahren arbeiten.regulated voltage.
The continuous process according to the invention is suitable for large-scale systems with automatic control. The molten metal collects in one place and is continuously discharged. The power consumption is much cheaper than with the best systems that work according to the Hall process.
und läßt sich vergleichen mit der letztlich zu erwartenden Stromaufnahme des neuen Chlorverfahrens. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich 3-Phasen-Wechselstrom anwenden, so daß keine Gleichrichtung erforderlich ist. Eine abschaltbare Stromzufuhr ist zulässig, da mit Ausnahme von Aluminium kein geschmolzenes Material in größeren Mengen gehandhabt werden muß. Die Reinheit des Metalls ist ungewöhnlich hoch, da mit dem Reduktionsmittel keine Verunreinigungen eingeführt werden und das flüssige Metall durch Kondensation erhalten wird. Der Elektrodenverbrauch ist minimal. Das System ist vollständig geschlossen und es kommt zu keiner schädlichen Emmission. Die Produktionsleistung von 2 oder 3 Ofeneinheiten entspricht der der größten Anlagen nach dem Hall-Verfahren; der Flächenbedarf und Kapitalbedarf einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind jedoch wesentlich geringer. Die Anwendung einer unterbrechbaren Stromversorgung, einer kleineren Anlage und die Vermeidung einer Luftverschmutzung ergeben eine größere Freiheit hinsichtlich der Platzwahl für die Anlagen. Damit lassen sich weiter Kosten für den Transport der Tonerde und des Aluminiums ersparen.and can be compared with the power consumption to be ultimately expected from the new chlorine process. at 3-phase alternating current can be used with the method according to the invention, so that no rectification is required is required. A power supply that can be switched off is permissible because, with the exception of aluminum, there is no molten material Material has to be handled in large quantities. The purity of the metal is unusual high, since no impurities are introduced with the reducing agent and the liquid metal passes through Condensation is obtained. The consumption of electrodes is minimal. The system is completely closed and there is no harmful emission. The production output of 2 or 3 furnace units corresponds that of the largest systems based on the Hall process; the space requirements and capital requirements of a system for However, implementation of the method according to the invention are significantly less. The application of an interruptible Power supply, a smaller system and the avoidance of air pollution greater freedom with regard to the choice of location for the systems. This can further reduce costs for the Avoid transporting the clay and aluminum.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792900649 DE2900649C2 (en) | 1979-01-09 | 1979-01-09 | Process for the thermal reduction of metal oxides |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792900649 DE2900649C2 (en) | 1979-01-09 | 1979-01-09 | Process for the thermal reduction of metal oxides |
Publications (2)
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DE2900649A1 DE2900649A1 (en) | 1980-07-10 |
DE2900649C2 true DE2900649C2 (en) | 1985-07-04 |
Family
ID=6060240
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19792900649 Expired DE2900649C2 (en) | 1979-01-09 | 1979-01-09 | Process for the thermal reduction of metal oxides |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2900649C2 (en) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3232746A (en) * | 1959-05-19 | 1966-02-01 | Northern Natural Gas Co | Method for reduction of metal oxide |
US4002466A (en) * | 1975-11-03 | 1977-01-11 | Bethlehem Steel Corporation | Method of reducing ores |
-
1979
- 1979-01-09 DE DE19792900649 patent/DE2900649C2/en not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2900649A1 (en) | 1980-07-10 |
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