DK202200048U1 - Optimeret halvtør proces til sintring af aluminiumsilikater i aluminiumoxidfremstilling - Google Patents

Abstract

Frembringelsen angår et apparat til behandling af aluminium, hvilket apparat omfatter mindst én indretning til blanding (20, 22, 30, 40) af aluminiummalm med kalksten og natrium- og/eller kaliumcarbonat til opnåelse af en blanding, og en calcineringsreaktor (60) til fremstilling af calcinet. En cirkulerende fluid bed-reaktor (50) er anbragt mellem blandeindretningen (20, 22, 30, 40) og calcineringsreaktoren (60), og i hvilken blandingen forcalcineres.

Description

DK 2022 00048 U1 —1— Optimeret halvtør proces til sintring af aluminiumsilikater i aluminiumoxid- fremstilling Den foreliggende frembringelse beskriver et apparat til behandling af aluminium, hvilket apparat omfatter mindst én indretning til blanding af aluminiummalm med kalksten og natrium- og/eller kaliumcarbonat til opnåelse af en blanding, og en calcineringsreaktor til fremstilling af calcinet. Frembringelsen angår også den til- hørende proces.

Fremstilling af metaller og deres salte afhænger ofte af termisk behandling af de udvundne malme, hvor de naturligt forekommende metalsalte omdannes til de tilsvarende oxider, som efter behov udsættes for yderligere processer, der giver målproduktet.

Aluminiumoxid (Al20s) fremstilles overvejende af bauxit i Bayer-processen. Den udvundne og formalede malm behandles med natriumhydroxid ved forhøjede temperaturer på 150 til 200 °C og danner opløseligt natriumaluminat (NaAlO2), der udfældes som aluminiumhydroxid (AI(OH)s) fra den opnåede overmeettede opløsning. | det følgende calcineringstrin dannes AlzZOs ved temperaturer på >1000 °C.

For at Bayer-processen skal være økonomisk rentabel, skal malmens silica- indhold være på under 10 %. Højere silicaniveauer resulterer i samtidig opløs- ning af aluminiumoxid og silica, under hvilken proces der dannes uopløselige na- triumaluminiumsilicater, hvilket markant øger mængden af natriumhydroxid pr. ton fremstillet Al2O3 og dermed det samlede udbytte.

Tilsætningen af kalksten (CaCOs3) til råmalmen på en måde, så CaO/SiO2-molfor- holdet er lig med 1 under sintringsproceduren, samtidig med at det kaustiske for- hold M20/Al2Os (M' = K+ eller Nat) holdes på?2, tillader behandlingen af

DK 2022 00048 U1 —D- aluminiumsilikaterne. Det typiske temperaturområde i sintringsprocessen på fra 1200 til 1350 °C resulterer i dannelsen af uopløselige calciumsilikatfa- ser (CaSiO3).

Sintringsprocessen klassificeres som våd, halvåd eller tør sintring, afhængigt af tilførselsmaterialets vandindhold. Den industrielt anvendte våde sintringsproces anvender et opslæmningslignende tilførselsmateriale med et omtrentligt vandind- hold på 30 vægtprocent. Den halvtørre sintring kræver granulering af tilførsels- materialet med et resterende vandindhold på 10-15 vægtprocent. En tør sintrings- metode er mulig, hvis det kaustiske forhold er lig med 2, og hvis der kun skal tilsættes calcineret kalksten for at justere CaO/SiO2-forholdet i overensstemmelse hermed.

Den våde sintring sikrer agglomerater og derfor en nem håndtering. Den lider imidlertid også under sit tilførselsmateriales klæbrige konsistens, hvilket medfører et højt energibehov på grund af yderligere fordampningsenergi. Der skal anven- des ovne med lange opholdstider til tørring, calcinering og efterfølgende sintring, hvilket resulterer i et højt specifikt energiforbrug på 1200-1300 kcal/kg (sinter).

På den anden side er den tørre sintringsproces til sintring af nephelin til fremstil- ling af aluminiumoxid den mest effektive metode hvad angår energiforbrug (650- 700 kcal/kg (sinter)). Den største fordel ved (det meste af) den tørre proces er forcalcineringen af kalkstenen i en lyn-forcalcinator inden sintring i roterovnen. Dette giver mulighed for meget højere gennemløb og kortere roterovne, fordi stør- stedelen af calcineringen ikke finder sted i ovnen. Den tørre sintringsproces er imidlertid begrænset til malme med et kaustisk forhold på 2. En tilsætning af de lavtsmeltende carbonater (Na2CQOs: 857 °C, K2CO3: 891 °C) får materiale til at klæbe til ovnvæggen under sintringsprocessen, hvilket gør denne proces umulig, hvis det kaustiske forhold skal justeres.

DK 2022 00048 U1 —3— En halvtør sintringsproces er fx beskrevet i CN 105 540 627. Deri blandes Bayer- basen rødt mudderpulver, kalk, bauxit, natriumcarbonat og pulveriseret kul ensartet med henblik på at blive til råmaterialepellets, og råmaterialepelletsene sintres til dannelse af slaggerne af aluminiumoxidet, som frembringes ved sintringsprocessen under anvendelse af to roterovne. En sådan halvtør sintringsmetode kombinerer fordelene ved en våd og en tør sint- ring. Dette resulterer i ovne af mindre størrelse og dermed et lavere energiforbrug på 800-900 kcal/kg (sinter) sammenlignet med den våde sintringsmetode. En yderligere reduktion af energiforbruget, lavere opholdstider og håndtering af lavt- smeltende baser er imidlertid nødvendig for yderligere at reducere processens energiforbrug.

Derfor er det underliggende formål med den foreliggende frembringelse at tilveje- bringe et anlæg til håndtering af aluminiumsilikatmalme med højt siliciumindhold som en økonomisk økologisk gennemførlig proces.

Et anlæg med trækkene ifølge krav 1 løser denne opgave.

Ifølge frembringelsen består anlæggets opsætning af mindst én indretning til blan- ding af aluminiumråmalm med kalksten og natrium- og/eller kaliumcarbonat. Det omfatter endvidere en calcineringsreaktor til fremstilling af calcinet. Den grund- læggende idé bag frembringelsen er, at der mellem blanding og calcinering er forudset en cirkulerende fluid bed-reaktor til forcalcinering af blandingen.

På grund af den bemærkelsesværdige varme- og masseoverførsel i en cirkule- rende fluid bed (CFB) er det muligt at anvende baser med lave smeltepunkter. Derudover kan der indstilles skræddersyede opholdstider. Derfor kan det samlede energiforbrug sænkes. Dette muliggør især håndtering af malm med et højt silici- umindhold på over 5,5 vægtprocent.

DK 2022 00048 U1 —4— I blandingstrinnet blandes aluminiumsilikatråmalm, kalksten og genanvendte fast- stoffer med en vandig M2COs (M* = Na* eller K')-opløsning, hvorved det kaustiske forhold justeres til 2, samtidig med at der tilføres tilstrækkelig fugt til at binde alle bestanddelene med henblik på den efterfølgende granulering. Det er også muligt at kombinere blandings- og granuleringstrinnet i mindst én granulator. Det er også muligt, at blandingen foregår under en tørring eller en forvarmning. Et energiin- tensivt tørringstrin for de respektive carbonater er unødvendigt, eftersom de tilfø- res som en saltopløsning.

I en foretrukken udførelsesform granuleres den opnåede blanding i to seriefor- bundne granulatorer. Dannelsen af granulater indkapsler Na2CO3/K2COs3-additi- vet i kornene.

Disse små pellets letter betydeligt etableringen af en cirkulerende fluid bed. Der- udover er støvgenereringen mindre, hvis materialet er granuleret. Dette blev vist i sintringstest i pilotskala, der sammenlignede halvtør og tør proces. Desuden omfatter granulering ikke kun en reduktion af vandindholdet, men en genintegre- ring af støv fra nedstrøms trin, hvilket gør processen mere ressourceeffektiv.

Na2CO3/K2CO3-opløsningen, der tilsættes i granuleringsprocessen, tilfører ikke alene de krævede baser til den faste blanding, men fungerer også som et binde- middel og forbedrer på afgørende vis granuleringsprocessen. Dette blev vist i en række laboratoriegranuleringstest.

Kornstørrelsen er typisk på mellem 5-20 mm, hvilket er mest foretrukket til fluid bed-systemer.

DK 2022 00048 U1 —5- Det foretrækkes især at anvende mindst to granulatorer med henblik på omhyg- gelig styring af det endelige fugtindhold (fortrinsvis 10-13 vægtprocent vandind- hold).

Med hensyn til det endelige calcineringstrin kan den anvendte reaktortype være en ovn. Dette har den fordel, at roterovne er en relativt billig og meget velkendt teknologi. Det er dog også muligt at bruge enhver type fluid bed-reaktor til at for- bedre varme- og masseoverførslen.

I en foretrukken udførelsesform er et forhold R for (Na20+Kz20)/Al20s på 0,95<R<1,05 for at sikre en høj produktkvalitet. Derfor anvendes en styreenhed til at styre eller regulere de mængder af malm og base, der blandes i granulerin- gen.

Desuden foretrækkes det især, at natrium- og/eller kaliumcarbonatet er en salt- opløsning, der opbevares i granuleringsvæsketanke. Det er muligt at iblande vand for at styre opløsningens koncentration. Derfor er det også muligt at arbejde med en lav- eller overmæsttet opløsning. Yderligere energibesparelser kan opnås ved at tilføre granuleringstankene en (overmeettet) saltopløsning fra raffinaderiets saltanlæg. Dette sparer yderligere fordampningsenergi i saltanlægget, hvilket svarer til ca. 30 kcal pr. kg fremstillet sinter (afhængigt af saltopløsningens kon- centration).

I en anden udførelsesform er der tilvejebragt mindst ét, fortrinsvis 2 til 3 forvarm- ningstrin for blandingen og/eller granulaene. Materialet opvarmes typisk fra om- givelsestemperatur til ca. 200 °C. Dermed er det muligt at forbedre energieffekti- viteten yderligere, især ved hjælp af et hvilket som helst varmegenvindingskon- cept.

DK 2022 00048 U1 —6— Derudover eller alternativt er der forudset en tørrer til blandingen eller granulaene før den cirkulerende fluid bed-reaktor.

Derfor er det muligt at reducere vandind- holdet, fortrinsvis til en værdi på under 1 vægtprocent, og følgelig også energifor- bruget.

Granulaene har en meget god tørreadfærd, der holder den roterende tør- rer forholdsvis kort.

Den opnåede blanding forcalcineres fortrinsvis i den cirkulerende fluid bed-reak- tor ved 700 til 900 °C, fortrinsvis ved 800 til 850 °C til opnåelse af en tilstrækkelig forcalcineringshastighed.

Det sidste calcineringstrin i calcineringsreaktoren finder typisk sted ved 800 til 1400 °C, fortrinsvis ved 1000 til 1300 °C.

Den gennemsnitlige opholdstid i den cirkulerende fluid bed-reaktor er på mel- lem 15 og 25 minutter, fortrinsvis 20 +/- 2 minutter, og/eller den gennemsnitlige opholdstid i calcineringsreaktoren er på mellem 30 og 200 minutter.

Disse op- holdstider, især hvis de er korrelerede, sænker driftstemperaturerne og undgår flydende basefraktioner.

Med henblik på en yderligere reduktion af anlæggets energibehov er der tilveje- bragt en første genvindingsledning til recirkulering af varme udstødningsgasser fra calcineringsreaktoren i den cirkulerende fluid bed-reaktor og/eller i mindst ét forvarmningstrin.

Alternativt eller supplerende er der tilvejebragt en anden gen- vindingsledning til recirkulering af varme udstødningsgasser fra den cirkulerende fluid bed-reaktor i mindst ét forvarmningstrin.

Med henblik på at opnå en endnu højere grad af optimering af den samlede ener- gibalance er der tilvejebragt mindst én køler til afkøling af det calcin, der dannes i calcineringsreaktoren.

Fortrinsvis er der tilvejebragt en tredje genvindingsled- ning til recirkulering af varme udstødningsgasser fra køleren i calcineringsreakto- ren og/eller i den cirkulerende fluid bed-reaktor og/eller i mindst ét forvarmnings- trin.

DK 2022 00048 U1 —7-— Desuden tilfører en kanal en gas med et oxygenindhold på mellem 15 og 25 vægt- procent som fluidiseringsgas ind i den cirkulerende fluid bed-reaktor. Derved an- vendes fluidiseringsgassen samtidigt som en Oz-kilde til kemiske reaktioner. An- vendelsen af luft eller oxygenberiget luft som en billig oxygenkilde foretrækkes. Med hensyn til den cirkulerende fluid bed foretrækkes det også, at den cirkule- rende fluid bed-reaktor er konfigureret således, at mindst 70 vægtprocent af det carbon, der er indeholdt i malmen, fjernes. Derved opnås en reduktion af den samlede massestrøm i calcineringstrinnet. Desuden tilvejebringer carbonfor- brændingen i det mindste dele af den energi, der kræves til den endoterme calci- nering, og som optimalt transporteres inden for den cirkulerende fluid bed. Derfor løses frembringelsens formål ved de præsenterede foranstaltninger, såle- des at håndtering af aluminiumsilikatmalm med højt siliciumindhold baseret på en halvtør sintringsproces er mulig. Kombinationen af de kendte fordele ved den halvtørre basisproces på tværs af de etablerede metoder opnås ved et rimeligt energiforbrug.

Desuden er beskrevet heri en proces. . En sådan proces indeholder trinnene til (a) blanding af aluminiummalm med kalksten og natrium- og/eller kaliumcarbonat til dannelse af en blanding, og (b) calcinering af blandingen til calcin. Som det væsentlige trin forcalcineres blandingen mellem trin (a) og trin (b) i en cirkule- rende fluid bed.

Fortrinsvis er fugtindholdet i den blanding eller de granula, der indføres i forcalci- neringen, 10 til 15 vægtprocent, hvilket giver granulaene en god stabilitet.

DK 2022 00048 U1 —8- Desuden gælder det i en foretrukken udførelsesform, at mindst 70 vægtprocent af det carbon, der er indeholdt i malmen, fjernes under forcalcineringern med hen- blik på at reducere den samlede massestrøm.

Yderligere træk, fordele og mulige anvendelser af frembringelsen kan tages fra følgende beskrivelse af figurerne og eksemplerne på udførelsesformer. Alle be- skrevne og/eller illustrerede træk udgør frembringelsens genstand i sig selv eller i en hvilken som helst kombination, uafhængigt af deres inddragelse i kravene eller deres henvisning.

I figurerne gælder det, at: Fig. 1 viser anlægget ifølge frembringelsen skematisk.

Figur 1 viser hovedstrukturen for et anlæg ifølge frembringelsen. Via kanal 10 fø- res aluminiumoxidmalm ind i en homogeniseringssilo 11, hvor den blandes med genanvendte faststoffer og/eller kalksten fra tilførsel via kanal 13 og 14 til dan- nelse af en blanding.

Kanal 15 tilfører mindst én granuleringsvæsketank en saltopløsning, der består af natrium- og kaliumcarbonater, som om nødvendigt kan fortyndes med vand, der injiceres via kanal 16.

Blandingen såvel som den sammensatte saltopløsning doseres derefter via ka- nal 17 og 18 til en første granulator 17, hvor den udfører tre opgaver: tilsætning af den nødvendige mængde baser til den faste blanding af kalksten, nephelin og støv (og eventuelt nogle genanvendte materialer fra processen), tilvejebringelse af fugt til granulering og funktion som bindemiddel. | denne udførelsesform fun- gerer granulatoren 20 også som en blandeindretning. Det er imidlertid også muligt at forudse en tilsætningsblander før granulatoren 20. Det er meget tilrådeligt, men

DK 2022 00048 U1 —9— ikke nødvendigt at have en anden granulator 22, fortrinsvis serieforbundet via ka- nal 21, for at opnå den nødvendige granuleringstid, men også for at have en god styring over den endelige fugtighed. I denne forbindelse er det muligt at tilsætte yderligere vand via kanal 24.

Nedstrøms for granulatorerne 20, 22 tilføres de fremstillede granula via kanal 23 til en tørrer 30. Deri tørres de våde granula, ofte med varme røggasser fra ka- nal 63. Fortrinsvis er tørreren 30 udformet som en roterende tørrer.

Spildgasserne føres via ledning 32 ind i et elektrostatisk filter 33 og derfra via kanal 35 ind i en ikke-vist spildgasbehandling. Via kanal 34 føres små partikler, der filtreres ud i det elektrostatiske filter 33, ind i kanal 45 til genanvendelse.

De tørrede granula føres via kanal 31 ind i en forvarmningssektion 40. Det fore- trækkes, at forvarmningssektion 40 omfatter 2 eller 3 trin. Endvidere fører på hin- anden følgende venture-/cyklontrin til særligt gode resultater. Med henblik på et forbedret energikoncept kan der anvendes varme gasser, der tilføres via kanal 53, fortrinsvis modstrøms.

Via kanal 42 føres spildgasserne fra forvarmningssektionen 40 ind i et elektrosta- tisk filter 43. Derfra udtrækkes fortrinsvis dele af spildgasserne som udstødnings- gas via kanal 46 og 48, mens den anden del føres via kanal 46 og 47 som en gas til carbonisering. Filtrerede partikler kan føres via kanal 44 og 45 ind i den første granulator 20.

Efter forvarmning føres granulaene via kanal 41 ind i en cirkulerende fluid bed- reaktor 50 til forcalcinering, hvilket er i overensstemmelse med frembringelsen for at sikre den nødvendige meget gode varme- og masseoverførsel. Deri decarbo- niseres granulaene til en grad på mindst 80 vægtprocent. De forcalcinerede par- tikler føres via kanal 51 ind i en calcineringsreaktor 60. Via kanal 78 og/eller 52

DK 2022 00048 U1 —10— injiceres fluidiseringsgas over bunddysegitteret.

Det foretrækkes, at ca. 20 volu- menprocent af fluidiseringsgassen er friskluft, hvorved denne procentdel af frisk- luft kan afvige, afhængigt af den cirkulerende fluid beds udformning.

Fortrinsvis er den største del af fluidiseringsgassen luft fra en nedstrøms indretning, der over- føres til forcalcineringsreaktoren via kanalerne 76, 78, en såkaldt tertiær luftkanal.

Desuden er det muligt at føre varme spildgasser fra den cirkulerende fluid bed med dens store mængde spildgasser ind i forvarmningstrin 40 via kanal 53. Deri kan det anvendes som et direkte og/eller indirekte varmeoverførselsmedium.

Der- med er der heller ikke behov for nogen separat håndtering af spildgas.

Den endelige sintring finder sted i calcineringsreaktoren 60, der fortrinsvis er ud- formet som en roterovn med henblik på at reducere mængden af varme gasser sammenlignet med fluid bed-teknologi.

Friskluft føres ind i calcineringsreaktoren via ledning 62, mens det også er muligt at indføre varm gas fra den nedstrøms køler via kanal 76 og 77 for at reducere den mængde energi, der skal tilføres.

Den resulterende varme sinter føres via kanal 61 ind i en køler 70, hvor den for- trinsvis luftkøles af en ristekøler.

Køleren 70 afkøles fortrinsvis med luft, der ind- føres via kanal 73. Denne luft udtrækkes og anvendes i det mindste delvist som varmeoverførselsmedium i forcalcineringsreaktoren 50 og calcineringsreakto- ren 60. Endvidere kan luft udtrækkes via ledning 74 ind i et elektrostatisk filter 75 og derfra via kanal 75 ind i en ikke-vist spildgasbehandling.

Afkølet produkt udtrækkes via kanal 71, 72, hvorved det er muligt at iblande små partikler, der er udfiltreret i det elektrostatiske filter 75.

DK 2022 00048 U1 —-11-— Referencenumre kanal

11 homogeniseringssilo 12 granuleringsvæsketank 13-18 kanal 20 granulator

10 21 kanal 22 granulator 23, 24 kanal 30 tørrer 31, 32 kanal

33 elektrostatisk filter 34, 35 kanal 40 forvarmningssektion 41, 42 kanal 43 elektrostatisk filter

44-48 kanal 50 cirkulerende fluid bed-reaktor 51 kanal 60 calcineringsreaktor 61, 62 kanal

70 køler 71-74 kanal 75 elektrostatisk filter 76, 77 kanal

Claims (12)

DK 2022 00048 U1 —-12- Brugsmodelkrav

1. Apparat til behandling af aluminium, hvilket apparat omfatter mindst én ind- retning til blanding (20, 22, 30, 40) af aluminiummalm med kalksten og na- trium- og/eller kaliumcarbonat til dannelse af en blanding, og en calcine- ringsreaktor (60) til fremstilling af calcinet, hvor en cirkulerende fluid bed- reaktor (50) er anbragt mellem blandeindretningen (20, 22, 30, 40) og cal- cineringsreaktoren (60), og i hvilken blandingen forcalcineres, som er ny ved, at der er tilvejebragt en første genvindingsledning (63) til recirkulering af varme udstødningsgasser fra calcineringsreaktoren (60) i den cirkule- rende fluid bed-reaktor (50) og/eller i mindst ét forvarmningstrin (40) og/el- ler tørreren (30), ved, at en anden genvindingsledning (53) til recirkulering af varme udstødningsgasser er tilvejebragt fra den cirkulerende fluid bed- reaktor (50) i mindst ét forvarmningstrin (40) og/eller tørreren (30), ved, at der er tilvejebragt en køler (70) til afkøling af det calcin, der dannes i calci- neringsreaktoren (60), og ved, at der er tilvejebragt en tredje genvindings- ledning (76, 77, 78) til recirkulering af varme udstødningsgasser fra køle- ren (70) i calcineringsreaktoren (60) og/eller i den cirkulerende fluid bed- reaktor (50) og/eller i mindst ét forvarmningstrin (40) og/eller en tørrer (30), hvor det mindst ene forvarmningstrin (40) og/eller en tørrer (30) og/eller en granulator (20/22) anvendes som blandeindretningen.

2. Apparat ifølge krav 1, som er ny ved, at mindst én granulator (20, 22) er forudset til at danne granula af blandingen, der føres ind i den cirkulerende fluid bed-reaktor (50).

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, som er ny ved, at mindst to granulato- rer (20, 22) danner granula af blandingen, der føres ind i den cirkulerende fluid bed-reaktor (50).

DK 2022 00048 U1 —13-

4. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at calcineringsreaktoren (60) er en roterovn.

5. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at en styreenhed sikrer, at forholdet R mellem (Na20+K20)/Al203 er på 0,95<R<1,05.

6. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at natrium- og/eller kaliumcarbonatet er en saltopløsning, der opbevares i granuleringsvæsketanke (12).

7. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at der er tilvejebragt mindst ét forvarmningstrin (40) til blandingen og/eller granulaene.

8. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at der er forudset en tørrer (30) til blandingen eller granulaene før den cir- kulerende fluid bed-reaktor (50).

9. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at den cirkulerende fluid bed-reaktor (50) er konstrueret til en driftstempe- ratur på mellem 700 og 900 °C.

10. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at den cirkulerende fluid bed-reaktor (50) er konstrueret til en gennemsnit- lig opholdstid på mellem 15 og 25 minutter, og/eller calcineringsreakto- ren (60) er konstrueret til en gennemsnitlig opholdstid på mellem 30 og 200 minutter.

DK 2022 00048 U1 — 14 —

11. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at en kanal (52) tilfører en gas med et oxygenindhold på mellem 15 og 25 vægtprocent som fluidiseringsgas ind i den cirkulerende fluid bed-reak- tor (50).

12. Apparat ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er ny ved, at den cirkulerende fluid bed-reaktor (50) er konfigureret således, at mindst 70 vægtprocent af det carbon, der er indeholdt i malmen, fjernes.