JP2013543059A - Method and system for reducing solid feedstock by electrolysis - Google Patents
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Abstract
【課題】固体供給原料、例えば固体金属酸化物供給原料を電解で還元する方法において、電極モジュール(10)は、供給原料が装填されることになる第1の位置に位置決めされる。装填されたモジュールは、次いで、第1の位置から移送され、溶融塩を収容する電解チャンバ(220)と係合させられる。固体供給原料を還元するために電極モジュールに電圧が印加される。装填されたモジュールは、移送モジュール内に移送されてもよい。
【選択図】図7In a method of electrolytically reducing a solid feedstock, such as a solid metal oxide feedstock, an electrode module (10) is positioned at a first position where the feedstock will be loaded. The loaded module is then transferred from the first position and engaged with an electrolysis chamber (220) containing molten salt. A voltage is applied to the electrode module to reduce the solid feedstock. The loaded module may be transferred into the transfer module.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、金属酸化物のような1つ又は複数の金属化合物を含む固体供給原料を還元して、還元された生成物を生成するための方法に関係する。従来技術から公知のように、電解プロセスは、例えば、金属化合物又は半金属化合物を金属、半金属、又は部分的に還元された化合物に還元する、又は金属化合物の混合物を還元して合金を生成するのに用いられる場合がある。繰り返しを避けるために、金属という用語は、この文書では金属、半金属、合金、金属間化合物、及び部分的に還元された生成物のようなすべてのこうした生成物を包含するのに用いられることになる。 The present invention relates to a method for reducing a solid feed comprising one or more metal compounds such as metal oxides to produce a reduced product. As is known from the prior art, the electrolysis process can, for example, reduce a metal compound or metalloid compound to a metal, metalloid, or partially reduced compound, or reduce a mixture of metal compounds to form an alloy. It may be used to To avoid repetition, the term metal is used in this document to encompass all such products, such as metals, metalloids, alloys, intermetallics, and partially reduced products. become.
本発明は、金属酸化物のような1つ又は複数の金属化合物を含む固体供給原料を還元して、還元された生成物を生成するための方法に関係する。従来技術から公知のように、電解プロセスは、例えば、金属化合物又は半金属化合物を金属、半金属、又は部分的に還元された化合物に還元する、又は金属化合物の混合物を還元して合金を生成するのに用いられる場合がある。繰り返しを避けるために、金属という用語は、この文書では金属、半金属、合金、金属間化合物、及び部分的に還元された生成物のようなすべてのこうした生成物を包含するのに用いられることになる。 The present invention relates to a method for reducing a solid feed comprising one or more metal compounds such as metal oxides to produce a reduced product. As is known from the prior art, the electrolysis process can, for example, reduce a metal compound or metalloid compound to a metal, metalloid, or partially reduced compound, or reduce a mixture of metal compounds to form an alloy. It may be used to To avoid repetition, the term metal is used in this document to encompass all such products, such as metals, metalloids, alloys, intermetallics, and partially reduced products. become.
近年、固体供給原料、例えば、固体金属酸化物供給原料の還元による金属の直接生産に大きな関心が寄せられている。1つのこうした直接還元プロセスは、Cambridge FFC電気分解プロセスである(WO99/64638で説明される)。FFCプロセスでは、固体化合物、例えば、固体金属酸化物は、融解塩を含む電解セルにおけるカソードと接触する状態で配置される。化合物が還元されるようにセルのカソードとアノードとの間に電位が印加される。FFCプロセスでは、固体化合物をもたらす電位は、融解塩からのカチオンに関する析出電位よりも低い。例えば、融解塩が塩化カルシウムである場合、固体化合物が還元されるカソードの電位は、塩からの金属カルシウムの析出に関する析出電位よりも低い。 In recent years, there has been great interest in the direct production of metals by reduction of solid feedstocks, such as solid metal oxide feedstocks. One such direct reduction process is a Cambridge FFC electrolysis process (described in WO 99/64638). In the FFC process, a solid compound, such as a solid metal oxide, is placed in contact with the cathode in an electrolysis cell containing a molten salt. A potential is applied between the cathode and anode of the cell so that the compound is reduced. In the FFC process, the potential resulting in a solid compound is lower than the deposition potential for cations from the molten salt. For example, when the molten salt is calcium chloride, the cathode potential at which the solid compound is reduced is lower than the deposition potential for the deposition of metallic calcium from the salt.
カソードに接続される固体金属化合物の形態の供給原料を還元するための、WO03/076690で説明された極プロセス(polar process)及びWO03/048399で説明されたプロセスのような他の還元プロセスが提案されている。 Other reduction processes have been proposed to reduce the feedstock in the form of a solid metal compound connected to the cathode, such as the polar process described in WO 03/076690 and the process described in WO 03/048399 Has been.
FFCプロセス及び他の電解還元プロセスの従来の実施は、典型的に、還元されるべき固体化合物の粉末から製作されるプリフォーム又は前駆体の形態の供給原料の生産を含む。このプリフォームは、次いで、還元が起こることを可能にするためにカソードに慎重に結合される。多数のプリフォームがカソードに結合されると、カソードを溶融塩の中に下ろすことができ、プリフォームを還元することができる。プリフォームを生産し、それらをカソードに取り付けるのは非常に労働集約的である可能性がある。この方法体系は、実験室規模で良好に働くが、工業規模での金属の大量生産には向いていない。 Conventional implementations of the FFC process and other electroreduction processes typically involve the production of a feedstock in the form of a preform or precursor made from a solid compound powder to be reduced. This preform is then carefully coupled to the cathode to allow reduction to occur. When multiple preforms are coupled to the cathode, the cathode can be lowered into the molten salt and the preform can be reduced. Producing preforms and attaching them to the cathode can be very labor intensive. This system works well on a laboratory scale but is not suitable for mass production of metals on an industrial scale.
本発明の目的は、工業規模での固体供給原料の還元により適した電解方法を提供することである。 The object of the present invention is to provide an electrolysis process more suitable for the reduction of solid feedstock on an industrial scale.
本発明は、ここで参照がなされるべき添付の独立請求項において定義される場合の固体供給原料を電解で還元する方法を提供する。本発明の好ましい又は有利な特徴は、種々の従属する従属請求項に記載される。 The present invention provides a method for the electrolytic reduction of a solid feedstock as defined in the appended independent claims to which reference should now be made. Preferred or advantageous features of the invention are set out in the various dependent dependent claims.
したがって、固体供給原料を電解で還元する方法は、少なくとも1つの電極を備える電極モジュールを、供給原料を装填するための第1の位置に位置決めするステップと、固体供給原料を電極モジュール上に装填するステップと、電極モジュールを第1の位置から動かし、供給原料が電解チャンバ内の溶融塩と接触するように電極モジュールを電解チャンバと係合させるステップと、固体供給原料が還元されるように電極モジュールに電圧を印加するステップとを含んでもよい。 Accordingly, a method for reducing a solid feedstock by electrolysis includes positioning an electrode module comprising at least one electrode in a first position for loading the feedstock, and loading the solid feedstock onto the electrode module. Moving the electrode module from the first position to engage the electrode module with the electrolysis chamber such that the feedstock contacts the molten salt in the electrolysis chamber; and the electrode module such that the solid feedstock is reduced Applying a voltage to.
好ましくは、電極モジュールは、少なくとも、アノードとカソードとの間に電位を発生させることができるように電源に結合可能なカソード及びアノードを備える。電極モジュールは、1つ又は複数のバイポーラ電極を備えてもよい。 Preferably, the electrode module comprises at least a cathode and an anode that can be coupled to a power source so that a potential can be generated between the anode and the cathode. The electrode module may comprise one or more bipolar electrodes.
好ましくは、固体供給原料は、カソード又はバイポーラ電極のカソード面と接触するように装填される。 Preferably, the solid feed is loaded in contact with the cathode or the cathode surface of the bipolar electrode.
電極モジュールが移送モジュール内で第1の位置から移送されることが有利な場合がある。移送モジュールは、その中に電極モジュールが上昇させられてもよいチャンバを画定するハウジングの形態をとってもよい。好ましくは、移送モジュールは、電極モジュールが制御された状態で、例えば不活性雰囲気の下で移送されてもよいようにシール可能である。 It may be advantageous for the electrode module to be transferred from the first position in the transfer module. The transfer module may take the form of a housing that defines a chamber in which the electrode module may be raised. Preferably, the transfer module is sealable so that the electrode module may be transferred in a controlled manner, for example under an inert atmosphere.
電極モジュールは、電解チャンバと係合する前に所定の温度に加熱されることが特に好ましい場合がある。好ましい実施形態では、電解チャンバは、電極モジュールが係合させられるときに溶融塩を収容する。電極モジュールが適切な温度ではない場合、電極モジュールの構成部品の熱的歪み又は熱衝撃が起こる可能性があり、結果的に電極モジュールの構成部品の故障が起こる可能性がある。したがって、電極モジュールは、溶融塩の温度に近い温度に加熱されることが好ましい。所定の温度は、したがって、溶融塩の温度に応じて約500℃から1200℃までの範囲内であってもよい。特に好ましくは、温度は700℃〜1000℃の範囲内、例えば約800℃又は850℃である。 It may be particularly preferred that the electrode module is heated to a predetermined temperature before engaging the electrolysis chamber. In a preferred embodiment, the electrolysis chamber contains the molten salt when the electrode module is engaged. If the electrode module is not at the proper temperature, thermal distortion or thermal shock of the electrode module components may occur, resulting in failure of the electrode module components. Therefore, the electrode module is preferably heated to a temperature close to the temperature of the molten salt. The predetermined temperature may therefore be in the range of about 500 ° C. to 1200 ° C. depending on the temperature of the molten salt. Particularly preferably, the temperature is in the range of 700 ° C to 1000 ° C, for example about 800 ° C or 850 ° C.
有利には、電極モジュールは、移送モジュール内の不活性雰囲気の下で加熱されてもよい。移送モジュールは、電極モジュールを加熱するためにモジュール内の温度を所定の温度に上昇させる加熱要素を備えてもよい。代替的に、移送モジュールは、電極モジュールを加熱するために加熱されたガスが移送モジュールの中に導入されることを可能にするための手段を備えてもよい。 Advantageously, the electrode module may be heated under an inert atmosphere in the transfer module. The transfer module may comprise a heating element that raises the temperature in the module to a predetermined temperature in order to heat the electrode module. Alternatively, the transfer module may comprise means for allowing heated gas to be introduced into the transfer module to heat the electrode module.
電極モジュールは、所定の温度に加熱するために移送モジュールから加熱ステーションに移送されることが好ましい場合がある。例えば、移送モジュールは、電極モジュールが加熱されることを可能にするために、加熱ステーションと係合し、電極モジュールを別個の加熱ステーションの中に移送してもよい。この実施形態では、移送モジュールは、加熱要素を自身で備える必要はない。 It may be preferred that the electrode module is transferred from the transfer module to a heating station for heating to a predetermined temperature. For example, the transfer module may engage the heating station and transfer the electrode module into a separate heating station to allow the electrode module to be heated. In this embodiment, the transfer module does not have to comprise the heating element itself.
したがって、電極モジュールは、移送モジュール内で装填ステーションから移送され、加熱ステーションの中に下ろされ、所定の温度に加熱され、移送モジュールの中に戻るように上昇させられて電解チャンバに移送されることが好ましい場合がある。 Thus, the electrode module is transferred from the loading station within the transfer module, lowered into the heating station, heated to a predetermined temperature, raised back into the transfer module and transferred to the electrolysis chamber. May be preferred.
電極モジュールは、好ましくは、閉鎖体の閉鎖によって移送モジュールの移送チャンバ内に封止される。好ましくは、閉鎖体はゲート弁であり、ゲートは、移送チャンバを移送モジュール内に封止するためにスライド可能である。 The electrode module is preferably sealed in the transfer chamber of the transfer module by closing the closure. Preferably, the closure is a gate valve and the gate is slidable to seal the transfer chamber within the transfer module.
電解チャンバの開口部、すなわち、それを通して電極モジュールが電解チャンバと係合するために送り出されてもよい開口部は、好ましくは、開放可能な閉鎖体によって閉じられる。特に好ましくは、閉鎖体は、電極モジュールが電解チャンバに送り出されることを可能にするために開放可能なゲート弁である。 The opening of the electrolysis chamber, ie the opening through which the electrode module may be delivered for engaging the electrolysis chamber, is preferably closed by an openable closure. Particularly preferably, the closure is a gate valve that can be opened to allow the electrode module to be delivered to the electrolysis chamber.
還元された供給原料を回収するために電解後に電解チャンバから電極モジュールを取り外すことが望ましい場合がある。好ましくは、電極モジュールの取り外しは、電解チャンバの作動温度で又はこの付近で、且つ電解チャンバ内に収容された溶融塩が依然として溶融状態にある条件の下で行われる。 It may be desirable to remove the electrode module from the electrolysis chamber after electrolysis to recover the reduced feedstock. Preferably, the electrode module is removed at or near the operating temperature of the electrolysis chamber and under conditions where the molten salt contained in the electrolysis chamber is still in a molten state.
好ましくは、電極モジュールは、電解チャンバから移送モジュールの中に吊り上げられる。 Preferably, the electrode module is lifted from the electrolysis chamber into the transfer module.
電極モジュールは、電解チャンバから除去された後で移送モジュール内の不活性雰囲気の下で冷却されることが有利な場合がある。電極モジュールが高温である、例えば800℃である場合、電極モジュールのあらゆる炭素部品の自己発火又は電極モジュール上に位置するあらゆる還元された供給原料の急速な酸化を避けるのに十分なだけ温度が低下するまで、モジュールは酸素又は空気と接触しないことが重要である。 It may be advantageous for the electrode module to be cooled under an inert atmosphere in the transfer module after removal from the electrolysis chamber. If the electrode module is hot, for example at 800 ° C., the temperature drops enough to avoid auto-ignition of any carbon parts of the electrode module or rapid oxidation of any reduced feed located on the electrode module Until then, it is important that the module is not in contact with oxygen or air.
電極モジュールは、電解チャンバから除去された後で移送モジュール内の不活性雰囲気の下で冷却されてもよい。したがって、移送モジュールは、電極モジュールの温度を低下させるために、水冷却管のような冷却手段を備えてもよく、又は移送モジュールを通して冷却ガスを流すための手段を備えてもよい。 The electrode module may be cooled under an inert atmosphere in the transfer module after being removed from the electrolysis chamber. Thus, the transfer module may be provided with cooling means, such as a water cooling tube, to reduce the temperature of the electrode module, or with means for flowing a cooling gas through the transfer module.
代替的に、電極モジュールは、移送モジュール内で別個の冷却ステーションに移送されて不活性雰囲気の下で所定の温度に冷却されてもよい。 Alternatively, the electrode module may be transferred to a separate cooling station within the transfer module and cooled to a predetermined temperature under an inert atmosphere.
冷却ステーションは、冷却をもたらすためにその内部に電極モジュールが係合させられてもよい冷却チャンバを備えることが好ましい。方法は、したがって、電極モジュールを移送モジュール内で冷却ステーションに移送するステップと、電極モジュールを冷却ステーションの中に下ろすステップと、電極モジュールを所定の温度に冷却するステップと、電極モジュールを移送モジュールの中に戻るように上昇させて冷却ステーションを離れて移送するステップとを含んでもよい。 The cooling station preferably comprises a cooling chamber in which an electrode module may be engaged to provide cooling. The method thus transfers the electrode module in the transfer module to the cooling station, lowers the electrode module into the cooling station, cools the electrode module to a predetermined temperature, and transfers the electrode module to the transfer module. And moving it back away from the cooling station.
電極モジュール上に残る溶融塩は、電極モジュールが冷却される際に固化することになる。したがって、電極モジュールは、冷却されると、固化した塩のフィルムで被覆されることになる。したがって、電極モジュールは還元された供給原料から塩を洗浄するための洗浄ステーションに移送されることが有利な場合がある。洗浄ステーションは、供給原料から塩を洗浄するために水のジェットを電極モジュールの方に誘導するのに適した洗浄装置を備えてもよい。洗浄ステーションは、洗浄プロセスから使用済みの水を収集するための手段をさらに備えてもよい。 The molten salt remaining on the electrode module will solidify when the electrode module is cooled. Therefore, when the electrode module is cooled, it is coated with a solidified salt film. Thus, it may be advantageous to transfer the electrode module from a reduced feed to a washing station for washing salt. The cleaning station may comprise a cleaning device suitable for directing a jet of water towards the electrode module to clean the salt from the feedstock. The cleaning station may further comprise means for collecting spent water from the cleaning process.
電極モジュールは、還元された供給原料を取り出すための電極モジュールへのアクセスを容易にするために別個の取り出しステーションに移送されることが有利な場合がある。電極モジュールは、電極モジュールから結合解除することができる取り外し可能なトレイを有することが特に好ましい。したがって、固体供給原料が電極モジュールとは別個の取り外し可能なトレイ上に装填され、電極モジュール上に供給原料を装填するために取り外し可能なトレイが電極モジュールに結合されることが好ましい場合がある。還元された供給原料の取り出しを容易にするために、トレイが電極モジュールから取り外されてもよいことも有利である可能性がある。 It may be advantageous to transfer the electrode module to a separate extraction station to facilitate access to the electrode module for removing reduced feedstock. It is particularly preferred that the electrode module has a removable tray that can be uncoupled from the electrode module. Thus, it may be preferred that the solid feed is loaded on a removable tray that is separate from the electrode module, and the removable tray is coupled to the electrode module for loading the feed on the electrode module. It may also be advantageous that the tray may be removed from the electrode module in order to facilitate removal of the reduced feedstock.
好ましくは、供給原料は、電極モジュールのカソード構造体、例えば、カソード又はバイポーラ電極のカソード面の表面と接触するように装填される。これは供給原料を還元する反応がFFCプロセスを用いて起こされる場合には必須である。しかしながら他の還元プロセスが用いられてもよい。 Preferably, the feed is loaded in contact with the cathode structure of the electrode module, eg, the surface of the cathode surface of the cathode or bipolar electrode. This is essential when the reaction to reduce the feedstock is initiated using the FFC process. However, other reduction processes may be used.
この方法における電解反応は、固体供給原料の電解脱酸、例えばFFCプロセスによる電解脱酸によって進むことが特に好ましい。 It is particularly preferred that the electrolytic reaction in this process proceeds by electrolytic deoxidation of the solid feedstock, for example by electrolytic deoxidation by the FFC process.
この方法は、供給原料を装填し、供給原料の電解のために電解チャンバ内に係合させることができるあらゆる電極モジュールと共に用いるために適用可能であってもよい。この方法で用いられることが好ましい場合がある電極モジュールの多数の具体的な実施形態が存在する可能性がある。 This method may be applicable for use with any electrode module that can be loaded with feedstock and engaged in an electrolysis chamber for electrolysis of the feedstock. There may be numerous specific embodiments of electrode modules that may be preferred to be used in this manner.
本発明の好ましい実施形態では、電極モジュールが電解チャンバと係合するための取り外し可能な電極モジュールであり、取り外し可能な電極モジュールが、第1の電極、第2の電極、及び好ましくはロッドの一方の端で第1の電極に結合される懸垂ロッドを備える懸垂構造体を備え、第2の電極が懸垂構造体によって懸垂され又は支持され、懸垂構造体が第2の電極を第1の電極から空間的に分離した状態で保持するための少なくとも1つの電気絶縁性スペーサ要素を備えることが有利な場合がある。 In a preferred embodiment of the invention, the electrode module is a removable electrode module for engaging the electrolysis chamber, the removable electrode module being one of the first electrode, the second electrode, and preferably the rod. A suspension structure comprising a suspension rod coupled to the first electrode at the end of the first electrode, wherein the second electrode is suspended or supported by the suspension structure, and the suspension structure removes the second electrode from the first electrode. It may be advantageous to provide at least one electrically insulating spacer element for holding in a spatially separated state.
本発明のさらに好ましい実施形態では、電極モジュールが、電解チャンバと係合するための取り外し可能な電極モジュールであり、取り外し可能な電極モジュールが、アノードと、溶融塩電解質における電解による還元のために固体供給原料の一部を支持するためのカソードとを備え、供給原料がカソードと接触する状態で保持されることが有利な場合がある。 In a further preferred embodiment of the present invention, the electrode module is a removable electrode module for engaging the electrolysis chamber, the removable electrode module being solid for reduction by electrolysis in the anode and the molten salt electrolyte. It may be advantageous to provide a cathode for supporting a portion of the feedstock and to keep the feedstock in contact with the cathode.
本発明のさらに好ましい実施形態では、電極モジュールが電解チャンバと係合するための取り外し可能な電極モジュールであり、取り外し可能な電極モジュールが、第1の電極とカバーとを備え、取り外し可能な電極が電解装置と係合するときに、第1の電極は、電解のために用いられてもよいように電解チャンバ内に位置し、カバーは電解チャンバの開口部にわたることが有利な場合がある。 In a further preferred embodiment of the invention, the electrode module is a removable electrode module for engaging the electrolysis chamber, the removable electrode module comprising a first electrode and a cover, wherein the removable electrode is When engaged with the electrolyzer, the first electrode may be advantageously located in the electrolysis chamber so that it may be used for electrolysis and the cover spans the opening of the electrolysis chamber.
本発明のさらに好ましい実施形態では、電極モジュールが電解チャンバと係合するための取り外し可能な電極モジュールであり、取り外し可能な電極モジュールは、該モジュールが吊り上げられることを可能にするために吊り上げ要素を備え、第1の電極は懸垂ロッドの下端に結合され、吊り上げ要素と懸垂ロッドの上端との間に弾性手段が配置されることが有利な場合がある。 In a further preferred embodiment of the invention, the electrode module is a removable electrode module for engaging the electrolysis chamber, the removable electrode module having a lifting element to allow the module to be lifted. It may be advantageous that the first electrode is coupled to the lower end of the suspension rod and that elastic means is arranged between the lifting element and the upper end of the suspension rod.
本明細書に記載の本発明の種々の態様及び実施形態は、商業規模での固体供給原料の大きいバッチの還元に特によく向いている可能性がある。特に、バイポーラ電極の垂直配置を含む取り外し可能な電極モジュールの実施形態は、多数のバイポーラ要素を小さいプラント専有面積内に配置できるようにし、加工プラントの単位面積あたりに得ることができる還元された生成物の量を効果的に増加させる可能性がある。 The various aspects and embodiments of the invention described herein may be particularly well suited for the reduction of large batches of solid feedstock on a commercial scale. In particular, embodiments of removable electrode modules that include a vertical arrangement of bipolar electrodes allow multiple bipolar elements to be placed within a small plant footprint and reduced production that can be obtained per unit area of the processing plant. It can effectively increase the amount of objects.
本明細書に記載の本発明の種々の態様及び実施形態は、固体金属酸化物を含む固体供給原料の還元による金属の生産に特に適する。純金属酸化物を還元することによって純金属が生成される可能性があり、混合された金属酸化物又は純金属酸化物の混合物を含む供給原料を還元することによって合金及び金属間化合物が生成される可能性がある。 The various aspects and embodiments of the invention described herein are particularly suitable for the production of metals by reduction of a solid feedstock comprising solid metal oxides. Reduction of pure metal oxide can produce pure metal, and reduction of feedstock containing mixed metal oxide or a mixture of pure metal oxides produces alloys and intermetallic compounds. There is a possibility.
幾つかの還元プロセスは、プロセスで用いられる溶融塩又は電解質が、還元される金属酸化物又は化合物よりも安定な酸化物を形成する金属種(反応性金属)を含むときにのみ動作する可能性がある。こうした情報は、熱力学データ、特にギブスの自由エネルギーデータの形態で容易に入手可能であり、標準エリンガム図又はプリドミナンス図又はギブスの自由エネルギー図から便利に求められる場合がある。酸化物安定性に対する熱力学データ及びエリンガム図は、電気化学者及び製錬学者によって入手可能であり、及び理解される(この場合の当業者はこうしたデータ及び情報に習熟しているであろう)。 Some reduction processes may only work when the molten salt or electrolyte used in the process contains a metal species (reactive metal) that forms a more stable oxide than the metal oxide or compound being reduced. There is. Such information is readily available in the form of thermodynamic data, particularly Gibbs free energy data, and may be conveniently obtained from a standard Ellingham diagram or predominance diagram or Gibbs free energy diagram. Thermodynamic data and Ellingham diagrams for oxide stability are available and understood by electrochemists and smelters (in this case, those skilled in the art will be familiar with such data and information) .
したがって、還元プロセスのための好ましい電解質は、カルシウム塩を含む可能性がある。カルシウムは、ほとんどの他の金属よりも安定な酸化物を形成し、したがって、酸化カルシウムよりも安定ではないあらゆる金属酸化物の還元を容易にするように作用する可能性がある。他の場合、他の反応性金属を含有する塩が用いられてもよい。例えば、本明細書に記載の本発明のあらゆる態様に係る還元プロセスは、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はイットリウムを含む塩を用いて行われてもよい。塩化物又は他の塩の混合物を含む塩化物又は他の塩が用いられてもよい。 Accordingly, preferred electrolytes for the reduction process may include calcium salts. Calcium forms an oxide that is more stable than most other metals, and therefore may act to facilitate the reduction of any metal oxide that is less stable than calcium oxide. In other cases, salts containing other reactive metals may be used. For example, the reduction process according to any aspect of the invention described herein may be performed using a salt comprising lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, or yttrium. . Chloride or other salts may be used, including chlorides or mixtures of other salts.
適切な電解質を選択することによって、ほとんどあらゆる金属酸化物を、本明細書に記載の方法及び装置を用いて還元することができる可能性がある。特に、ベリリウム、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、並びにランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウムを含むランタニド、並びにアクチニウム、トリウム、プロトアクチニウム、ウラニウム、ネプツニウム、及びプルトニウムを含むアクチニドの酸化物は、好ましくは塩化カルシウムを含む溶融塩を用いて還元される可能性がある。 By selecting the appropriate electrolyte, almost any metal oxide may be able to be reduced using the methods and apparatus described herein. In particular, beryllium, boron, magnesium, aluminum, silicon, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, germanium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, and lanthanum Lanthanides, including cerium, praseodymium, neodymium, samarium, and oxides of actinides, including actinium, thorium, protoactinium, uranium, neptunium, and plutonium, may be reduced using molten salts, preferably containing calcium chloride There is.
当業者はその中で特定の金属酸化物を還元するのに適切な電解質を選択することができ、多くの場合、塩化カルシウムを含む電解質が適するであろう。 One skilled in the art can select an appropriate electrolyte to reduce a particular metal oxide therein, and in many cases, an electrolyte containing calcium chloride will be suitable.
本発明の具体的な実施形態をここで図面を参照しながら説明する。 Specific embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings.
本発明の第1の実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールを、ここで、図1〜図4を参照しながら説明する。電極モジュール10は、末端アノード20と、末端カソード30と、末端カソード30よりも上に及び末端アノード20よりも下に互いから空間的に分離した状態で分布した7つのバイポーラ電極40、41、42、43、44、45、46を備える。末端カソード30、末端アノード20、及び中間のバイポーラ電極40、41、42、43、44、45、46のそれぞれは、実質的に円形の形状であり、約550mmの直径を有する。
A removable electrode module according to a first embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS. The
末端カソード30は、下側部分と上側部分とからなる複合構造を有する。下側部分は、実質的に、550mmの直径及び60mmの厚さを有するグレード310ステンレス鋼のディスクから形成されたカソードベース要素30aである。上側部分は、ベース要素30aの上面上に設置される取り外し可能なトレイ組立体30bによって提供される。取り外し可能なトレイ組立体30bは、図9、図10、及び図11で例証され、以下でより詳細に説明される。組み立てられたトレイ組立体30bの中央部を通して約130mmの直径を有する中央穴が画定される。
The
7つのバイポーラ電極40、41、42、43、44、45、46のそれぞれは、下側部分40a、41a、42a、43a、44a、45a、46aと、上側の、すなわちトレイ組立体の部分40b、41b、42b、43b、44b、45b、46bとを含む複合構造を有する。バイポーラ電極のそれぞれの上側の、トレイ組立体の部分は、末端カソード30の上側の、トレイ組立体の部分30bと同一である。
Each of the seven
バイポーラ電極のそれぞれの下側部分40a、41a、42a、43a、44a、45a、46aは、550mmの直径及び60mmの厚さを有する炭素、例えば黒鉛のディスクから形成される。バイポーラ電極40、41、42、43、44、45、46のそれぞれの中央部を通して約130mmの直径を有する穴が画定される。
Each
各バイポーラ電極の下面上で発生したガスを各バイポーラ電極の外周部に導くのを助けるために、各バイポーラ電極の下面におよそ10mmの幅の複数のチャネル50が画定される。
To help guide the gas generated on the lower surface of each bipolar electrode to the outer periphery of each bipolar electrode, a plurality of
第1のバイポーラ電極40は、第1の電気絶縁性スペーサ要素60によって末端カソード30の真上に支持される。第1の電気絶縁性スペーサ要素60はアルミナから形成された管状スペーサである。第1の電気絶縁性スペーサ要素は、代替的にイットリア又は窒化ホウ素のような他の電気絶縁性セラミック材料から形成されてもよい。
The first
幾つかの実施形態では、第1の電気絶縁性スペーサ要素60はカソードベース要素30aの真上に設置される。他の実施形態では、セル作動条件の下で還元しないであろうセラミック材料から形成されたセラミックインサート70が、末端カソードベース要素30aと第1の電気絶縁性スペーサ要素60との間に配置される。
In some embodiments, the first electrically insulating
第1のバイポーラ電極40の下側部分40aの下面は、第1のバイポーラ電極40が末端カソードベース要素30aによって第1の電気絶縁性スペーサ要素60を通じて支持されるように第1の電気絶縁性スペーサ要素60上に設置される。
The lower surface of the
第2のバイポーラ電極41は、第2の電気絶縁性スペーサ要素61を介して第1のバイポーラ電極40の真上に支持される。第2の電気絶縁性スペーサ要素61は、第1の電気絶縁性スペーサ要素60と実質的に同一の管状アルミナ要素である。第2の電気絶縁性スペーサ要素は、第1のバイポーラ電極40の下側部分40aの上面上に設置される。第2のバイポーラ電極の下側部分41aの下面は、次に、第2のバイポーラ電極41が第1のバイポーラ電極によって第2の電気絶縁性スペーサ要素61を介して支持されるように第2の電気絶縁性スペーサ要素上に設置される。
The second
この支持構造はバイポーラ電極のそれぞれに関して繰り返される。したがって、第3のバイポーラ電極42は、第3の電気絶縁性スペーサ要素62を介して第2のバイポーラ電極41によって支持される。第4のバイポーラ電極43は、第4の電気絶縁性スペーサ要素63を介して第3のバイポーラ電極42によって支持される。第5のバイポーラ電極44は、第5の電気絶縁性スペーサ要素64を介して第4のバイポーラ電極43によって支持される。第6のバイポーラ電極45は、第6の電気絶縁性スペーサ要素65を介して第5のバイポーラ電極44によって支持される。第7のバイポーラ電極46は、第7の電気絶縁性スペーサ要素46を介して第6のバイポーラ電極45によって支持される。
This support structure is repeated for each of the bipolar electrodes. Accordingly, the third
末端アノード20は、550mmの直径及び60mmの厚さを有する黒鉛のディスクから形成される。バイポーラ電極に関連して上記で定義されたのと同じ方法でアノードの下面上にチャネルが画定される。これらのチャネルの1つの目的は、末端アノード20の下面で発生したガスの除去を支援することである。末端アノード20の中央部を通して約130mmの直径を有する穴が画定される。末端アノードは、第8の電気絶縁性スペーサ要素67を介して第7のバイポーラ電極46の真上に支持される。
The
取り外し可能な電極モジュール10は、末端アノード20の真上に配置される断熱性セラミックカバー100をさらに備える。カバー100は、アルミナから形成されるが、あらゆる断熱性セラミック材料を用いることができる可能性があり、電解反応中に電解装置の電解チャンバを覆うように設計される。カバー100は、第9の電気絶縁性支持要素68を介して末端アノード20の上面によって支持される。第9の電気絶縁性支持要素68は、前述の電気絶縁性支持要素と類似しているが、より大きい長さを有する。
The
カバー100を通して中央穴が画定される。したがって、カバー100の上面101から、管状電気絶縁性スペーサ68、アノードの中央、及びバイポーラ電極のそれぞれ並びにそれらの関連するスペーサ要素を通して、取り外し可能な電極モジュールを通して下向きに延びる穴又はキャビティが画定される。懸垂ロッド110が、この穴又はキャビティを通して延び、カソードベース要素30aに画定されたねじ溝付き穴と係合するねじ山によって末端カソード30のカソードベース要素30aに結合される。懸垂ロッド110は如何なる他の電極又はスペーシング要素とも接触しない。懸垂ロッド110がカバー100を通して画定された中央穴を通る地点に、黒鉛グランド・パッキン、例えば、編組黒鉛ロープ又は他の類似のグランド・パッキン材料120によってシールが形成される。
A central hole is defined through the
その上側部分で、懸垂ロッド110は、jスロット型コネクタ130に結合される。jスロットコネクタは、石油産業におけるパイプの切断面の結合に関して周知のバヨネットコネクタである。懸垂ロッドとjスロットコネクタとの間の結合は、座金及びナット111によって達成される。
At its upper portion, the
懸垂ロッド110は、例えば電極モジュールを上げる又は下ろすときに、取り外し可能な電極モジュール10全体を吊り上げるのに用いられてもよい。使用時に、懸垂ロッドは高温で機能する必要がある可能性がある。したがって、ロッド110とロッド110をjスロットコネクタ130に結合する関連するナット及び座金111は、高温での作動に適した高ニッケル合金から形成される。
The
アノード20は、電源(図示せず)と末端アノード20との間に電気接続がなされることを可能にするために2つの黒鉛ライザ21、22に結合される。黒鉛ライザ21、22は、黒鉛スタッド23、24によって末端アノード20に結合される。黒鉛ライザ21、22は、取り外し可能な電極モジュールが電解装置の電解チャンバと係合する状態にあるときにライザの最上部と電気接続をなすことができるように、カバー100に画定された穴を通して末端アノード20よりも上に垂直に延びる。ライザ21、22とライザを通すためのカバー100を通して画定された関連する穴との間のギャップが、編組黒鉛ロープ又は他の類似のグランド・パッキン材料25によってシールされる。
The
取り外し可能な電極モジュール10は、3つの装填状態又は支持状態を有するように設計される。
The
これらの3つの状態のうちの第1の状態では、取り外し可能な電極モジュールは、カソードベース要素30aの下面上に設置される。この状態では、バイポーラ要素、アノード、及びカバーのすべての重量がカソードベース要素30aを通して伝達され、懸垂ロッド110には張力がかかっていない。
In the first of these three states, the removable electrode module is placed on the lower surface of the
第2の装填状態では、jスロットコネクタ130が吊り上げ機構に結合され、モジュールの全重量が、カソードベース要素30aに結合される懸垂ロッド110を通じて支持される。
In the second loaded state, the j-
第3の装填状態では、取り外し可能な電極モジュール10は、カバー100の下面102上の複数の点で支持されてもよい。この状態では、モジュールの重量は、カバー100によって支持され、カソードベース要素30aに結合される懸垂ロッド110を通じて伝達される。
In the third loaded state, the
したがって、モジュールは、そのカソードベース要素30a上で自立していてもよく、懸垂ロッドの上端110でjスロット連結器130によって懸垂されてもよく、又はカバー100の下側102によって懸垂されてもよい。
Thus, the module may be free-standing on its
懸垂ロッド110は、カソードベース要素30aへの結合点から懸垂ロッド110がカバー100を通る際の編組黒鉛ロープ120との封止点までのその長さの全体を通して電気絶縁性材料115で被覆され又はクラッディングされる。この電気絶縁性材料は、アルミナコーティング115であるが、あらゆる高温電気絶縁性材料であってもよい。例えば、コーティング115は窒化ホウ素であってもよい。コーティングは、あらゆる公知の方法、例えば、浸漬コーティング又はスプレーコーティングによって適用されてもよい。
The
末端カソード30及び7つのバイポーラ電極40、41、42、43、44、45、46のそれぞれの一部を形成する取り外し可能なトレイ組立体が図9、図10、及び図11で例証される。トレイ組立体30b、40b、41b、42b、43b、44b、45b、46bは2つの結合可能な部分151、152で形成される。一緒に結合されたときに、トレイ組立体の全体は実質的に円形であり、室温で約542mmの直径を有する。トレイ組立体は金属製であり、そのため直径は、取り外し可能な電極モジュールの作動温度(溶融塩における電解反応で用いられるときに普通は約500℃から1200℃までの間)で熱膨張に起因して約550mmに増加する可能性がある。
A removable tray assembly forming part of each of the
トレイ組立体の部分151、152のそれぞれのベース153、156は、固体供給原料を支持するのに適したメッシュから形成される。組み立てられたトレイ組立体の周縁部の周りで、周方向リップが、メッシュ153、156の高さよりも上に約30mm立ち上がって延びる。複数の下向きに延びる脚部155が、メッシュ153、156の高さよりも下に約10mmの距離だけ周方向リップ154から下向きに延びる。
The
トレイ組立体の全体は、電極モジュールの電極を形成するために関連する電極部分の上面上に設置されてもよい。例えば、トレイ組立体30bは、末端カソード30を形成するために末端カソードベースプレート30aの上面上に設置されてもよく、又はトレイ組立体40b、41b、42b、43b、44b、45b、46bは、バイポーラ電極を形成するためにバイポーラ電極40a、41a、42a、43a、44a、45a、又は46aの下側部分の上面上に設置されてもよい。下向きに延びる脚部155を通してトレイ組立体とその関連する電極部分との間で電気接触がなされる。
The entire tray assembly may be placed on the top surface of the associated electrode portion to form the electrodes of the electrode module. For example, the
取り外し可能なトレイ組立体30b、40b、41b、42b、43b、44b、45b、46bを備える取り外し可能な電極モジュールが溶融塩を収容する電解チャンバの中におかれるときに、溶融塩は、その上にトレイ組立体が設置される電極部分の上面とメッシュベース153、156との間に生じたギャップに流入することができる。溶融塩は、したがって、トレイ組立体のメッシュベース153、156を通して上向きに、したがってベース153、156上に支持されるあらゆる固体供給原料にわたって流れることができる。
When the removable electrode module comprising the
トレイ組立体は、電気絶縁性スペーサ要素、例えば、第1のバイポーラ電極40を支持する電気絶縁性スペーサ要素60を取り囲むための中央穴を有するように形成される。
The tray assembly is formed with a central hole for surrounding an electrically insulating spacer element, for example, an electrically insulating
トレイ組立体は、2つの結合可能な部分、すなわち第1の部分151と第2の部分152で形成され、各部分は実質的に半円形である。2つの部分151、152は、スタッド及びスロット構成によって結合可能である。スタッド160は、第2の部分の嵌合面又は嵌合縁162から延び、第1の部分151の対応する嵌合面163にスタッド160を受け入れるためのスロット161が画定される。
The tray assembly is formed of two connectable parts, a
使用時に、トレイ組立体の各半分又は各部分151、152は、供給原料を装填する又は還元された生成物を取り出すために、取り外し可能な電極モジュール10から別々に取り外されてもよい。
In use, each half or
取り外し可能なトレイ組立体は、末端カソード及びバイポーラ電極のそれぞれの最上部を形成する。それぞれの電極のこれらの部分は、取り外し可能な電極モジュールが電解のために用いられるときにカソードとなる。 A removable tray assembly forms the top of each of the terminal cathode and bipolar electrodes. These parts of each electrode become the cathode when the removable electrode module is used for electrolysis.
取り外し可能なトレイ組立体30b、40b、41b、42b、43b、44b、45b、46bは、310グレードステンレス鋼から製造される。取り外し可能なトレイ組立体は、多くの他の材料から作製されてもよく、材料の選択は、還元されるべき供給原料の性質に依存する可能性がある。例えば、還元された生成物を汚染しないであろう金属から形成されたトレイ組立体を用いることが望ましい場合がある。例えば、タンタル又はタンタル被覆金属からカソードトレイ組立体を形成することが望ましい場合があり、この場合、取り外し可能な電極モジュールは、酸化タンタルを金属タンタルに還元するのに用いられることになる。
The
上記で説明された第1の具体的な実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールは、溶融塩電解質における固体供給原料の還元に用いられるときに特に有利となる場合がある。取り外し可能なトレイ組立体は、固体供給原料が各別個の取り外し可能なトレイ組立体の部分151、152上に便利に装填され、且つ装填されたトレイ組立体の部分を電極モジュールにおける適切な位置に設置することによって取り外し可能な電極モジュールの中に装填されることを可能にする。
The removable electrode module according to the first specific embodiment described above may be particularly advantageous when used for the reduction of a solid feedstock in a molten salt electrolyte. The removable tray assembly is conveniently loaded with solid feedstock on each separate removable
室温で、取り外し可能な電極モジュール10は、カソードベースプレート30aの下面からカバー100の下面までの1645mmの全高を有する。カソードベースプレート30aの下面からjスロットコネクタ130の頂部までの高さは2097mmである。上述のように、電極30、40〜46の直径は550mmである。カバー100の最大直径は830mmである。これらの寸法の幾らかは、温度が変化する際に変化することがある。特に、高さの値は、電極モジュールの作動温度で5〜10mm増加する場合がある。
At room temperature, the
上記で説明された本発明の第1の実施形態に係る取り外し可能な電極モジュール10は、モジュール10を係合した状態で受け入れるのに適した電解チャンバを有するあらゆる電解装置と共に有利に用いられる可能性がある。こうした電解装置200の略図が図5によって提供される。
The
電解装置200は、黒鉛るつぼ230内に画定された電解チャンバ220を収容するハウジング210を備え、黒鉛るつぼ230の上側リム231は電解チャンバ220への開口部を画定する。リム231の上面は、取り外し可能な電極モジュール10のカバー100の下側に対してリム231をシールするために、厚さ15mmの弾性黒鉛材料の区域で被覆される。上側リム231上に設置される封止材料は、変形され及びその形状を回復してもよい編組黒鉛グランド・パッキン材料である。
The
ハウジング210はさらに、黒鉛るつぼ230の温度を維持するための炉加熱要素240、電解チャンバ220を通して溶融塩が流れることを可能にするための溶融塩入口250及び溶融塩出口260を収容する。電解チャンバ内で起こるあらゆる電解反応の間に発生したガスが逃げることを可能にするために、電解チャンバ220の上側部分の方にガス通気ライン270が提供される。DC供給カソード・バスバー280が、黒鉛るつぼ230に結合され、黒鉛るつぼ230全体が黒鉛るつぼを電源に直接結合することを可能にする。
The
黒鉛るつぼ230は、アルミナライナ290で裏打ちされる。アルミナライナ290は、黒鉛るつぼ230の側壁と電解チャンバ220内に係合されるあらゆる取り外し可能な電極モジュール10との間に電気絶縁を提供する。ライナは、アルミナから作製されるが、電解チャンバ内220の処理条件の下で実質的に不活性なあらゆる適切な電気絶縁性セラミック材料から作製されてもよい。
The
電解装置の上側部分は、電解チャンバ220への外部アクセスが提供されることを可能にするゲート弁型閉鎖体300を備える。ゲート弁閉鎖体300は、熱障壁材料、例えば、セラミック材料から形成されたゲート310を備える。作動デバイス320は、ゲート310が前後にスライドしてゲート弁300を開閉することを可能にし、これにより、電解装置200内の電解チャンバ220へのアクセスを可能にする。
The upper part of the electrolyzer comprises a gate
図6は、図5で例証されたタイプの電解装置と係合した、図1〜図4に関連して上記で説明された第1の実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールを例証する。 FIG. 6 illustrates a removable electrode module according to the first embodiment described above in connection with FIGS. 1-4, engaged with an electrolyzer of the type illustrated in FIG.
黒鉛るつぼ230の下側の内面は、隆起して台座232を形成する。電解チャンバ220と係合するときに、取り外し可能な電極モジュール10は、黒鉛るつぼ230内のこの隆起した台座232上に設置される。したがって、取り外し可能な電極モジュールの末端カソード30の下面は、黒鉛るつぼ230の内面と物理的に及び電気的に接触する。
The lower inner surface of the
取り外し可能な電極モジュール10のバイポーラ電極40〜46及びアノード20は、セラミックライナ290によってるつぼ230の側壁から電気的に絶縁される電解チャンバの一部の中に位置する。取り外し可能な電極モジュール10のカバー100の下面102は、黒鉛るつぼ230の上側リム231との接触をなす。カバーがリム231と接触する際に、上側リム上に設置された可撓性黒鉛封止材料が変形してシールがなされることを可能にする。黒鉛封止材料は、代替的に又は付加的にカバー100の下面102上に配置できる可能性があることに注目される。
The bipolar electrodes 40-46 and the
使用時に、電解チャンバ内の温度はかなり変化する可能性がある。したがって、取り外し可能な電極モジュールの幾つかの構成部品、例えば、懸垂ロッド110の寸法は、数ミリメートル変化する可能性がある。黒鉛るつぼ230の上側リム上に設置される弾性材料は、好ましくは、あらゆるこうした熱的歪みに適応し且つカバー100の下側102との存続できるシールを維持するのに十分な弾力性及び変形性を有する。
In use, the temperature in the electrolysis chamber can vary considerably. Accordingly, the dimensions of some components of the removable electrode module, such as the
取り外し可能な電極モジュールのアノードライザ21、22は、カバー100を通して上向きに延びる。アノードライザと接触するように作動され、したがってアノードと電源との間に電気接続を提供してもよい作動可能なDCアノード・バスバー250によって、これらのライザとの電気接触がなされてもよい。
The removable electrode
使用時に、電解チャンバ220に溶融塩が充填され、還元可能な供給原料が装填された取り外し可能な電極モジュールが電解チャンバと係合する。アノード・バスバーは、アノードライザ21、22と接触するように作動され、アノード20(アノードライザ及び作動可能なアノード・バスバー250を介して)と末端カソード30(黒鉛るつぼ230及びカソードDCバスバー280を介して)との間に電位が印加される。印加される電位は、供給原料を還元するのに十分なものである。必要とされる電位は、供給原料のタイプ及び溶融塩の組成に応じて変化する可能性がある。
In use, a removable electrode module loaded with molten salt in the
多くの状況では、特に、溶融塩電解質における固体供給原料の還元に関して、その作動温度で又は作動温度付近で取り外し可能な電極モジュールが電解装置の電解チャンバと係合できることが有利な場合がある。多くの溶融塩電解質に関して、これは、電解チャンバが500℃から1200℃までの間の温度で溶融塩を収容することを意味する。室温の取り外し可能な電極モジュールが、例えば1000℃の温度で溶融塩を収容する電解チャンバの中に挿入された場合、取り外し可能な電極モジュールの構成部品は、厳しい且つ急速な熱的歪みを経験する可能性がある。特に、取り外し可能な電極モジュールのセラミック部品は、厳しい熱衝撃を経験する可能性があり、したがって故障する可能性がある。厄介な問題として、取り外し可能な電極モジュールの第1の実施形態に関連して上記で説明されたような取り外し可能な電極モジュールが空気中で1000℃の温度に予熱された場合、取り外し可能な電極モジュールの黒鉛部品は燃える可能性がある。 In many situations, particularly with regard to the reduction of the solid feedstock in the molten salt electrolyte, it may be advantageous that a removable electrode module at or near its operating temperature can engage the electrolysis chamber of the electrolyzer. For many molten salt electrolytes, this means that the electrolysis chamber contains the molten salt at a temperature between 500 ° C and 1200 ° C. When a room temperature removable electrode module is inserted into an electrolysis chamber containing molten salt, for example at a temperature of 1000 ° C., the components of the removable electrode module experience severe and rapid thermal strain. there is a possibility. In particular, the ceramic components of the removable electrode module can experience severe thermal shock and can therefore fail. As a complication, if the removable electrode module as described above in connection with the first embodiment of the removable electrode module is preheated to a temperature of 1000 ° C. in air, the removable electrode The graphite part of the module can burn.
電解が起こった直後に、及び電解チャンバが冷えるのを待たずに、電解装置の電解チャンバから取り外し可能な電極モジュールを取り外せることが特に望ましい場合がある。空気のような酸素を含有する雰囲気が高温の取り外し可能な電極モジュールと接触しなかったことを保証するために注意を払う必要があるであろう。これに対する安全装置の故障の結果として、電極モジュールの黒鉛部品が燃焼し、取り外し可能な電極モジュール内におかれた還元された金属生成物が燃焼し又は酸化し、モジュールの急速冷却に起因して厳しい熱変形及び故障が起こる可能性がある。 It may be particularly desirable to be able to remove the removable electrode module from the electrolysis chamber of the electrolyzer immediately after electrolysis occurs and without waiting for the electrolysis chamber to cool. Care will need to be taken to ensure that an oxygen-containing atmosphere, such as air, has not contacted the hot removable electrode module. As a result of the failure of the safety device against this, the graphite parts of the electrode module burn, the reduced metal product placed in the removable electrode module burns or oxidizes, due to the rapid cooling of the module Severe thermal deformation and failure can occur.
取り外し可能な電極モジュールが作動温度に近い温度で電解装置の電解チャンバと係合することを可能にするために、及び取り外し可能な電極モジュールが作動温度に近い温度で電解チャンバから係合解除されることを可能にするために、取り外し可能な電極モジュールは、電解装置に移送又は輸送される前に移送モジュールの中に引き込むことができることが望ましい。移送モジュールは、加熱要素及び/又は冷却要素を含んでもよい。移送モジュールは、単純に、その内部に不活性雰囲気を維持することができるシュラウドであってもよく、これは、電解チャンバの中に装填する前に予熱された電極モジュールを断熱する、又は制御された冷却のために別個の場所に輸送される前に電解チャンバから今しがた係合解除された電極モジュールを断熱する。 In order to allow the removable electrode module to engage the electrolysis chamber of the electrolyzer at a temperature close to the operating temperature, and the removable electrode module is disengaged from the electrolysis chamber at a temperature close to the operating temperature. In order to make this possible, it is desirable that the removable electrode module can be retracted into the transfer module before being transferred or transported to the electrolyzer. The transfer module may include a heating element and / or a cooling element. The transfer module may simply be a shroud that can maintain an inert atmosphere within it, which insulates or is controlled by the preheated electrode module prior to loading into the electrolysis chamber. Insulate the now disengaged electrode module from the electrolysis chamber before being transported to a separate location for cooling.
図7は、取り外し可能な移送モジュール400の実施形態内に配置された、図1〜図4に関連して上記で説明されたような取り外し可能な電極モジュールを例証する。取り外し可能な移送モジュール400は、310グレードステンレス鋼から形成されたハウジング410を備え、耐火性ライニングで裏打ちされる。耐火性ライニングは、移送モジュールの内部を断熱するセラミックレンガライニング又はファイバーボードのようなあらゆる他の適切な材料であってもよい。移送モジュールの内部は、その中に取り外し可能な電極モジュール10が配置されてもよい移送キャビティ420を備える。
FIG. 7 illustrates a removable electrode module as described above in connection with FIGS. 1-4 disposed within an embodiment of the
移送モジュールは、取り外し可能な移送モジュールの頂部でjスロットコネクタに結合するための手段及び取り外し可能な移送モジュールを移送チャンバ420の中に引き込むための手段を備えてもよい。例えば、移送モジュール400は、取り外し可能な電極モジュールを吊り上げるためのウィンチを備えてもよい。
The transfer module may comprise means for coupling to the j-slot connector at the top of the removable transfer module and means for retracting the removable transfer module into the
移送モジュール400の上側部分は、1つ又は複数のホック430のような移送モジュールを吊り上げるための手段を備える。こうした吊り上げ手段は、移送モジュール全体が吊り上げられ、電解装置200との間で動かされることを可能にする。
The upper portion of the
移送モジュール400の下側部分はゲート弁440によって閉鎖される。このゲート弁は、移送モジュールチャンバ420への開口部を開閉するように作動可能な耐熱性ゲート450を備える。ゲート弁を含む移送モジュールは、図5に関連して上記で説明されたように電解装置200のゲート弁の上に便利に設置される可能性がある。移送モジュールと電解装置200との両方に関連したゲート弁440を開くことによって、電解チャンバの開口部220へのアクセスを提供することができる。次いで、電極モジュールを電解チャンバ220内に配置することを可能にするために、移送モジュールに関連したゲート弁と電解装置に関連したゲート弁との両方の開放を通じて、取り外し可能な電極モジュール10を移送チャンバ420から下ろすことができる。次いで、それぞれのゲート弁を図8で例証されるように閉じることができ、次いで、移送モジュール400を取り外してもよい。
The lower part of the
上記で説明され図1〜図4で例証される場合の取り外し可能な移送モジュールの第1の実施形態は、その上で固体供給原料を還元できる可能性がある8つの実効作用電極(すなわち、末端カソード30の上側部分及びバイポーラ電極40〜46のそれぞれの上側部分)からなるものであった。幾つかの反応に関して、より低体積の固体供給原料を還元することが望ましい場合がある。こうした目的のために、取り外し可能な電極モジュールはより低いカソード電極表面積を有することが望ましい場合がある。本発明の1つ又は複数の態様に係る取り外し可能な電極モジュールの第2の実施形態が図12によって例証される。
The first embodiment of the removable transfer module, as described above and illustrated in FIGS. 1-4, has eight working electrodes (ie, end terminals) on which the solid feedstock may be reduced. The upper part of the
図12で例証される場合の取り外し可能な電極モジュールの全寸は、図1〜図4で例証される取り外し可能な電極モジュールと同じであり、したがって、取り外し可能な電極モジュールのこの第2の実施形態は、第1の実施形態と同じ電解装置と併せて用いられてもよい。しかしながら、本発明の第2の実施形態の取り外し可能な電極モジュール1200は、末端カソード1230及び末端アノード1220を備え、末端アノード1220と末端カソード1230との間にただ1つのバイポーラ電極1240が配置される。末端アノード、末端カソード、及びバイポーラ電極は、本発明の第1の実施形態に関連して上記で説明された等価な構造と構成が同一である。末端アノード1220と末端カソード1230との間に配置される、より少ないバイポーラ電極が存在するので、黒鉛電極ライザ1221及び1222は、本発明の第1の態様に関連して上記で説明されたものよりも実質的に長い。必要であれば、黒鉛ライザの幾つかの断面は、雌ねじ付きスタッド1226によって接合されてもよい。カバー1201は、複数の電気絶縁性セラミックスペーサ1268を介してアノード1220の上面の真上に支持される。
The full size of the removable electrode module as illustrated in FIG. 12 is the same as the removable electrode module illustrated in FIGS. 1-4, and thus this second implementation of the removable electrode module. The form may be used in combination with the same electrolysis apparatus as in the first embodiment. However, the
この取り外し可能な電極モジュールの外寸が本発明の第1の実施形態のモジュールの寸法と同じであることを保証するのに必要とされるこれらの具体的な適応以外は、本発明の第2の実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールのすべての他の要素は、上記で説明された要素と同じである。 Except for these specific adaptations required to ensure that the outer dimensions of this removable electrode module are the same as the dimensions of the module of the first embodiment of the present invention, the second of the present invention. All other elements of the removable electrode module according to this embodiment are the same as those described above.
本発明の或る態様によれば、取り外し可能な電極モジュールがバイポーラ電極を備えることは必須ではない。図13は、本発明の1つ又は複数の態様に係る取り外し可能な電極モジュールの第3の具体的な実施形態を例証する。この第3の実施形態は、末端アノード1320及び末端カソード1330を備えるが、バイポーラ電極を備えない。末端カソード1330及び末端アノード1320は、本発明の第1の実施形態に関連して上記で説明された末端アノード20及び末端カソード30と同じ方法で構築される。第3の実施形態の取り外し可能な電極モジュール1300の外寸は取り外し可能な電極モジュールの第1及び第2の実施形態の寸法と同じである。図13で例証される場合の取り外し可能な電極モジュールの第3の実施形態のすべての他の詳細は、取り外し可能な電極モジュールの第1の実施形態又は第2の実施形態に関連して上記で説明されたものと同様である。
In accordance with certain aspects of the invention, it is not essential that the removable electrode module comprises a bipolar electrode. FIG. 13 illustrates a third specific embodiment of a removable electrode module according to one or more aspects of the present invention. This third embodiment includes a
上記で説明された実施形態では、懸垂ロッド110は、座金及びボルト111によりロッド110の端をコネクタ130に留めることによってjスロットコネクタ130に結合される。カバー100の下側と電解チャンバ220への開口部を形成するるつぼ230のリム231との間にシールを形成するのに必要なあらゆる公差は、リム上に弾性封止材料を用いることによって達成される。図14は、取り外し可能な電極モジュールの一実施形態で用いられてもよい代替的な結合器を例証する。参照を容易にするために、上記で説明された第1の実施形態に存在する構成部品と同一の構成部品に同じ参照番号が与えられている。
In the embodiment described above, the
図14で例証される代替的な実施形態では、電極モジュールの懸垂ロッド110は、一組の皿ばね1400を通してjスロットコネクタ上に荷重を伝達するフランジ1410によってjスロットコネクタ130に結合される。フランジ1410は、ナット1420によってばね1400に対して固定される。
In the alternative embodiment illustrated in FIG. 14, the
モジュールが吊り上げられるときに、モジュールの重量は、懸垂ロッド110を通して伝達され、ばね1400を圧縮する。ばねは、フランジ1410の下面に対して上向きに付勢する。ばね1400は、あらゆる適切なばね手段であってもよい。例えば、ばねは、つる巻きばねを含んでもよい。
As the module is lifted, the weight of the module is transmitted through the
間に弾性ばねが配置された状態で電極モジュールをjスロットコネクタのような吊り上げ手段に結合することは、使用時に利点を提供する可能性がある。例えば、電極モジュールが上記で説明されたように電解チャンバの中に下ろされる際に、シールを形成するためにチャンバの開口部を取り囲むリムとカバー100の下面102との間で接触がなされる。上記で説明された実施形態では、モジュールのベースプレート30aは、カソード接続を提供するためにるつぼの内壁と物理的に接触する状態で設置されなければならない。吊り上げ手段と懸垂ロッドとの間に配置される皿ばね1400のような弾性手段の使用は、カバー100によってシールが形成された後で電極モジュールが付加的に移動することを許す可能性がある。さらに、こうした弾性手段は、熱揺らぎによって引き起こされる懸垂ロッドにおける寸法変化に有利に適応する可能性がある。
Coupling the electrode module to a lifting means such as a j-slot connector with an elastic spring in between may provide advantages in use. For example, when the electrode module is lowered into the electrolysis chamber as described above, contact is made between the rim surrounding the chamber opening and the
電極を支持する1つ又は複数の懸垂ロッドの間に配置される弾性手段と吊り上げ手段とを含む取り外し可能な電極モジュールの一実施形態は、電解チャンバの開口部を取り囲む弾性封止材料を用いることへの代替として又はこれに加えて採用されてもよい。 One embodiment of a removable electrode module comprising elastic means and lifting means disposed between one or more suspension rods supporting the electrode uses an elastic sealing material surrounding the opening of the electrolysis chamber It may be adopted as an alternative to or in addition to the above.
本発明の具体的な実施形態に係る固体供給原料を電解で還元するための方法の以下の説明は、上記で説明されたような取り外し可能な電極モジュール10を用いる。処理方法は、多数のステップに分解することができる。
The following description of the method for electrolytically reducing a solid feedstock according to a specific embodiment of the present invention uses a
ステップ1−取り外し可能な電極モジュール10は、カソード電極の8つの層(すなわち、1つのカソードと、アノードとカソードとの両方として作用する7つのバイポーラ電極)とアノードを備える。作用電極のそれぞれの上面は、2つの結合可能な部分151、152で形成された取り外し可能なトレイ組立体自体を備える。プロセスにおける第1のステップとして、複数の固体酸化物プリフォームからなる供給原料が、取り外し可能なトレイ組立体要素151、152のそれぞれの表面上に装填される。
Step 1—
ステップ2−装填されたトレイ組立体が、電極モジュール装填ステーションに位置する取り外し可能な電極モジュールに移送される。装填されたトレイ組立体は、取り外し可能な電極モジュール10上に設置され、トレイ組立体の部分151、152の各対は、カソード電極(例えば、30、40、41、42、43、44、45、46で参照される電極)のカソード部分を形成する。
ステップ3−装填された取り外し可能な電極モジュール10が、移送モジュール400の移送チャンバ420の中に上昇させられる。取り外し可能な電極モジュール10を移送チャンバ420の中に上昇させるために、移送モジュール400は、ワーキングステーションの垂直上方に位置決めされる。移送モジュール400のゲート弁440は、ゲート450をスライドさせて開くように作動され、移送チャンバ420へのアクセスを可能にする。移送モジュール400上に位置するウィンチ465によってバヨネット連結器(図示せず)が下ろされる。バヨネット取付具は、取り外し可能な電極モジュール10上のjスロットコネクタ130に結合し、これにより、取り外し可能な電極モジュール10が移送モジュールチャンバ420の中に上昇させられることを可能にする。
Step 3—The loaded
ステップ4−取り外し可能な電極モジュール10を収容する移送モジュール400全体が、複数のホック430によって吊り上げられ、動かされてもよい。ステップ4で、電極モジュールを収容する移送モジュール全体が加熱ステーションの垂直上方の位置に動かされる。これは図16で例証される。移送モジュール400は、加熱チャンバ510の真上に位置決めされた取り外し可能な電極モジュール10と共に加熱ステーション500に結合される。加熱ステーションは、複数の加熱要素520によって取り囲まれる加熱チャンバ510を収容するハウジング501を備える。
Step 4-The
ステップ6−電極モジュールが、カバー100の下面102が加熱チャンバ510のリム502上に設置されるまでウィンチ465によって下ろされる。jスロットコネクタ130からバヨネット連結器が除去され、ゲート450が閉じられる。取り外し可能な電極モジュール10は、ここで、加熱ステーションと係合し、カバー100の下面を通じてモジュールの全重量が支持される。この構成は図17で例証される。
Step 6—The electrode module is lowered by the
ステップ7−電極モジュール10が、加熱ステーション500の加熱チャンバ510内で所定の温度に加熱される。溶融塩における電解に関して、この所定の温度は、おそらく500℃から1200℃までの間のどこかである。例えば、温度は、700℃又は800℃に上げられてもよい。モジュールの加熱速度は、電極モジュールのセラミック部品が熱衝撃を経験しないように制御される。したがって、加熱は、1分間につき1℃から1分間につき10℃又は20℃までの間の速度で行われてもよい。例えば、加熱は、1分間につき約5℃の速度で行われてもよい。加熱は、不活性雰囲気、例えばアルゴン雰囲気又は窒素雰囲気の下で行われる。
Step 7—The
ステップ8−電極モジュールが所定の温度に加熱されると、電極モジュール10は、もう一度、移送モジュール400の移送チャンバ420の中に上昇させられる。
Step 8—When the electrode module is heated to a predetermined temperature, the
ステップ9−ゲート弁が閉じられ、これにより、移送チャンバ420が封止される。不活性雰囲気、例えばアルゴン又は窒素雰囲気が移送モジュール内に維持される。
Step 9—The gate valve is closed, thereby sealing the
移送モジュールの壁が断熱されるので、熱損失速度は低い。したがって、電極モジュール10が所定の温度に加熱され、移送モジュール400内に封止されると、モジュール10の温度はゆっくりと低下する。
The heat loss rate is low because the walls of the transfer module are insulated. Therefore, when the
ステップ10−所定の温度で電極モジュール10を収容する移送モジュール400が、電解チャンバの真上の位置に動かされる。電解チャンバの上に設置されるゲート弁300の存在によって電解チャンバ220へのアクセスが制約される。これは図7で例証される。
Step 10-The
ステップ11−移送モジュール400が電解チャンバ220を収容する電解装置200に結合される。移送モジュールに関連したゲート弁440は、両方のゲート弁が開かれるときに電極モジュール10が電解チャンバ220へのアクセスを達成することができるように、電解装置に関連したゲート弁300と位置合わせされる。
Step 11-The
ステップ12−移送モジュール上のゲート弁440が開かれる。
Step 12-The
ステップ13−電解装置200上のゲート弁が開かれる。
Step 13-The gate valve on the
ステップ14−電極モジュール10が、電解チャンバと係合する状態に下ろされる。電解チャンバは、その所望の作動温度又はこれに近い温度の溶融塩を収容する。予熱された電極モジュール10はまた、作動温度又はこれに近い温度である。この作動温度は、例えば約800℃であってもよい。電極モジュールは、電解モジュール10のカソード端30の下面が電解チャンバ220を画定する黒鉛るつぼ230と物理的接触をなすように電解チャンバ220内に設置される。これは上記で説明されており、図8で例証される。
Step 14-The
ステップ15−アノード・バスバー250が取り外し可能な電極モジュール10のアノードライザ21、22と接触する状態に動かされる。
Step 15-The
電極モジュール10のアノード20とカソード30との間に電位が印加される。この電位は、カソード及びバイポーラ電極のそれぞれのカソード面と接触している供給原料を還元するのに十分なものである。供給原料を還元するのに必要とされる電位はシステムの性質に依存するであろう。したがって、溶融塩ベースの塩化カルシウム中での酸化チタン供給原料の還元に関して、電極モジュール10の各カソード面での電位電圧は、2から3ボルトまでの間であってもよい。
A potential is applied between the
固体供給原料を還元するのに十分な時間にわたって電位が印加される。 The potential is applied for a time sufficient to reduce the solid feedstock.
供給原料を還元するための電解後に、電極モジュール10から還元された生成物を回収するために多数のさらなる処理ステップが存在していてもよい。したがって、電解後に還元された供給原料を回収するために、以下のさらなるステップが本発明の具体的な実施形態で用いられる。
There may be a number of further processing steps to recover the reduced product from the
ステップ17−電解セル電流がオフに切り換えられ、したがって、各電極の表面での電圧が除去される。 Step 17-The electrolysis cell current is switched off, thus removing the voltage at the surface of each electrode.
ステップ18−アノード・バスバーが黒鉛アノードライザ21、22との接触から引き離される。
Step 18-The anode busbar is pulled away from contact with the
ステップ19−電極モジュールが溶融塩の外に及び移送モジュール400の中に上昇させられる。溶融塩が電極モジュール10から自由に滴下する時間を許すために、電極モジュールがゆっくりと上昇させられる。
Step 19-The electrode module is raised out of the molten salt and into the
ステップ20−電解装置200上のゲート弁300が閉じられる。
Step 20-The
ステップ21−移送モジュール上のゲート弁440が閉じられる。
Step 21-The
ステップ22−電極モジュール10を収容する移送モジュールが、次いで、電解装置200から係合解除され、冷却ステーション600のすぐ上の位置に動かされる。これは図18で例証される。
Step 22-The transfer module containing the
ステップ23−移送モジュール400が冷却ステーション600に結合される。
Step 23-The
ステップ24−取り外し可能な電極モジュール10が冷却チャンバ610の中にアクセスできるようにするために、ゲート弁440が開かれる。
Step 24-The
ステップ25−カバー100の下面102が冷却チャンバ610の上側リムの上に載るまで電極モジュール10が冷却チャンバの中に下ろされる。カバー100は、冷却チャンバ610へのシールを効果的に形成する。これは図19で例証される。
Step 25-The
ステップ26−冷却チャンバは、熱伝導性の高い材料、例えば、ステンレス鋼のような金属材料の壁620を備える。壁は、水ジャケット625を収容し、それを通して冷水の一定の供給が入口630及び出口631によって提供される。水ジャケットは、熱モジュール10から熱が効率よく除去されることを可能にする。冷却速度は、水が冷却ジャケット625を通過する速度を変化させることによって制御されてもよい。
Step 26-The cooling chamber comprises a
ステップ27−電極モジュール10が所定の温度に冷却されると、これは移送モジュール400の中に上昇させられる。
Step 27-When the
ステップ28−移送モジュール400内の冷却された電極モジュール10が洗浄ステーションの真上の位置に動かされる。
Step 28-The cooled
ステップ29−冷却された電極モジュールが洗浄ステーションの中に下ろされ、そのカソードベースプレート30a上に設置される。
Step 29-The cooled electrode module is lowered into the cleaning station and placed on its
ステップ30−配管710に接続されたノズル705から水のジェット700が放出される。水のジェット700は、電極モジュール10に誘導され、特に、還元された供給原料を収容するトレイ組立体に誘導される。水のジェットは、好ましくは、それらが電極モジュールを覆うあらゆる残留塩及び還元された供給原料を洗浄して除去するように誘導される。
Step 30-A jet of
ステップ31−洗浄後に、電極モジュール10が移送モジュール400の中に上昇させられる。
Step 31-After cleaning, the
ステップ32−洗浄された電極モジュールと移送モジュールが取り出しステーションの上の位置に動かされる。 Step 32-The cleaned electrode module and transfer module are moved to a position above the pick-up station.
ステップ33−洗浄された電極モジュールが取り出しステーションの位置に下ろされる。 Step 33-The cleaned electrode module is lowered to the position of the removal station.
ステップ34−還元された生成物を収容する電極トレイ組立体が電極モジュール10から除去される。
Step 34-The electrode tray assembly containing the reduced product is removed from the
ステップ35−還元された生成物がトレイ組立体から除去され、さらなる処理のためにパッケージされる。 Step 35-Reduced product is removed from the tray assembly and packaged for further processing.
上記で説明された方法の具体的な実施形態は、すべての場合において用いられなくてもよい。例えば、異なるステップが用いられてもよく、又は幾つかのステップは省略されてもよい。 The specific embodiments of the method described above may not be used in all cases. For example, different steps may be used, or some steps may be omitted.
固体供給原料の還元は、FFCプロセスのような電解脱酸反応によって進むことが好ましい。 The reduction of the solid feedstock preferably proceeds by an electrolytic deoxidation reaction such as an FFC process.
Claims (22)
少なくとも1つの電極を備える電極モジュールを、供給原料を装填するための第1の位置に位置決めするステップと、
固体供給原料を前記電極モジュール上に装填するステップと、
前記電極モジュールを前記第1の位置から動かし、前記供給原料が電解チャンバ内で溶融塩と接触するように前記電極モジュールを電解チャンバと係合させるステップと、
前記固体供給原料が還元されるように前記電極モジュールに電圧を印加するステップと、
を含む方法。 A method of reducing solid feedstock by electrolysis, comprising:
Positioning an electrode module comprising at least one electrode in a first position for loading a feedstock;
Loading a solid feedstock onto the electrode module;
Moving the electrode module from the first position and engaging the electrode module with the electrolysis chamber such that the feedstock contacts molten salt in the electrolysis chamber;
Applying a voltage to the electrode module such that the solid feedstock is reduced;
Including methods.
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