NO801025L - Fremgangsmaate ved fremstilling av aluminium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremstilling av aluminiummetall ved karbotermisk reduksjon av aluminiumoksyd.

Reduksjonen av aluminiumoksyd med karbon er meget endotermisk

og fremstilling av aluminiummetall (i fravær av andre redu-serbare oksyder) kan kun utføres ved temperaturer overstigende 2 050°C. Fremstillingen av aluminiummetall ved disse høye temperaturer medfølges av. dannelse av meget store volumer av karbonmonoksyd.

Mange forskjellige forslag for karbotermisk reduksjon av i

det vesentlige rent aluminiumoksyd er foreslått og en viss praktisk suksess er oppnådd.

I henhold til US-patent nr. 2.974.032 oppvarmes en reaksjons^blanding av karbon og aluminiumoksyd ovenifra ved hjelp av en åpen bue fra karbonelektroder ved en temperatur som over-stiger 2 400°C.

I US-patent nr. 3.783.167 er det foreslått å fremstille

aluminium ved karbotermisk reduksjon av aluminiumoksyd i plasma i en plasmaovn.

I norsk søknad nr. 77.1867 er det forslått å fremstille

aluminium ved karbotermisk reduksjon av aluminiumoksyd ved å omsette aluminium og karbon i en første sone til.å danne aluminiumkarbid (Al^C^) og deretter fremføre et aluminium-oksydslagg inneholdende oppløst Al^C^, til en andre sone som holdes ved en høyere temperatur, 2 050 - 2 100°C, ved hvilken Al^C-j reagerer med ytterligere aluminiumoksyd til å frigi Al-metall, karbonmonoksyd frigjøres både i den første kjøli-

gere sone og i den varmere, andre sone.

Ved alle de ovenfor nevnte fremgangsmåter og også en hvilken

som helst annen fremgangsmåte som innbefatter karbotermisk reduksjon av aluminiumoksyd, så vil.den aktuelle fremstilling av aluminiummetall innbefatte driftstemperatur i reaksjons-

sonen, eller sluttreaksjonssonen på minst 2 0.50°C og vanlig- ,

i

■ I

vis høyere. Ved slike temperaturer er partialtrykkene for Al-damp og A^O, aluminiumsuboksyd, betydelige og disse be-standdeler vil på ny reagere eksotermisk med utviklet karbonmonoksyd når gasstemperaturen senkes. En slik fornyet reaksjon er meget eksoterm og representerer meget store potensielle egérgitap. Ytterligere fører det til dannelse av av-setninger av aluminiumoksykarbid som er klebrige og har en tendens til å blokkere gasskanalene.

Det er allerede foreslått i norsk patentsøknad nr. 77.1867 å motvirke disse vanskeligheter ved å føre CO fra den høyere temperatursone inn i kontakt med innkomne matekarbon, slik at det skjer en reaksjon mellom Al-damp og A^O-innholdet i karbonmonoksydet' med karbon til å gi ikke klebrig Al^C^med en samtidig generering av varmeenergi for forvarming av karbon-tilførselen. Således ble i det minste en del av varmeener^-

gien som representeres av Al-damp og A^O-innholdet i karbon-monoksydgassen gjenvunnet ved dannelse av Al^C^ og ved for--varming av karbontilførselen. I det påtenkte system ble den røkfylte karbonmonoksyd ført gjennom et skikt av relativt store stykker som i det vesentlige var stasjonære i forhold til hverandre. Imidlertid vil det i et slikt system være en alvorlig risiko for en uønsket dannelse av aluminiumoksyd karbid med en derav følgende sementering av klumpene av kar-

bon til hverandre.

Det er en hovedhensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveie-bringe en forbedret metode for behandling av slike røkinne-holdende karbonmonoksyd for å gjenvinne eneregien i kjemisk form for dannelse av Al^C^ og som nyttig varme som kan anvendes for generering av elektrisitet eller som kan utnyttes på

en annen måte.

Det vesentlige trekk ved foreliggende oppfinnelse består i å kontakte den røkinneholdende gass med<p>ulverformig karbon i et sveveskikt som holdes ved en temperatur over den ved hvilken klebrig aluminiumoksydkarbid dannes (ca. 2 OiO°C].

l

For å kontrollere temperaturen i sveveskiktet innføre ytterligere karbon, enten varm eller kald, i nøye kontrollerte mengder til sveveskiktet. Reaksjonene

4A1 + 3C = A1.C0

4 3

og' 2A120 + 5C = A14C3+ 2C0

er eksoterme slik at normalt er det ikke nødvendig å tilføre ytterligere varme.

Varmen som utvikles ved reaksjonen anvendes (i tillegg til å gjøre opp for de uunngåelige varmetap fra reaktoren inneholdende sveveskiktet av karbon) til å varme opp tilført kaldt karbon til reaksjonstemperaturen. Temperå-turen i sveveskiktsreaktoren kan kontrolleres ved å forøke eller nedsette til-førselen av karbon til sveveskiktsreaktoren. En økning i karbontilførselen vil føre til at mere varme opptas av det kalde tilførte karbon og i de fleste tilfeller vil det finnes at et lite overskudd av karbontilførselen vil være nødvendig for å holde systemet i balanse, slik at materialet som føres ut fra sveveskiktsreaktoren i det vesentlige vil være Al^C^

med en relativt liten andel av ikke-dmsatt karbon. Tilfør-selshastigheten for karboninnmatingen til reaktoren kan kontrolleres automatisk i henhbld til forandringer i reaktor-temperaturen.

For å forhindre sammenfalning av sveveskiktet som følge av avsetning av klebrig aluminiumoksyklorid med derav følgende agglomorering av de faste partikler i sveveskiktet så er det viktig å bibeholde den normale driftstemperatur av sveveskiktsreaktoren ved en temperatur slik at reaksjonsproduktet er fast Al^C^. Imidlertid vil avsetning av mindre mengder oksykarbid, som følge av kortvarige temperaturfall, normalt brytes opp som følge av karbonpartiklenes bevegelse i sveveskiktet.

Gassen som er utarmet med hensyn til Al-^damp og A^O-innhold føres fra sveveskiktsreaktoren til et andre energigjenvinnings^trinn hvori så langt mulig gjenvinnes gassens frie varme og den energi som er dannet ved omsetningen mellom Al-damp og

i

I

A^O med CO. I dette trinn gjenvinnes energien fortrinnsvis

ved å bringe gassen i kontakt med en stor masse faststoff under betingelser slik at gassen meget raskt eller nesten umiddelbart avkjøles til en temperatur under størknetempera-turen for aluminiumoksykarbidet. Den kalde eller relativt kalde masse faststoffer som anvendes for å oppta varmen fra gass-strømmen er fortrinnsvis aluminiumoksyd eller karbon-tilf ørselsmateriale for den karbotermiske prosess.

Imidlertid vil varmen som tas opp av faststoffene være vesent-lig mere enn den mengde som er nødvendig for å oppvarme til-førselsmaterialet før dette innføres i den karbotermiske re-duks jonsovn. En større del av de således oppvarmede faststoffer føres derfor til en varmevekslekoker hvor faststoffets temperatur senkes til eksempelvis 200°C og faststoffets varme-innhold anvendes til dampgenerering.

En mindre andel av de oppvarmede faststoffer føres til reduk-sjonsovnen som. innmatning og en oppfriskningsmengde tilsettes til faststoffene som resirkulerer fra kokeren til gass/fast-stoffvarmevekslerapparatet. CO-gassen fra varmeveksleapparatet kan passende innmates direkte eller brennes i en dampgenere-ringskoker eller anvendes for kjemisk syntese.

Et eksempel på et komplett system for behandling av avgass fra

en karbotermisk reduksjonsovn av den type som er beskrevet i norsk patentsøknad nr. 77.1867 er vist i den vedlagte skje-matiske tegning..

I henhold til tegningen innføres røkladed gass fra en karbotermisk reduksjonsovn til en sveveskiktsreaktor 3 via kanalen 1.. Et sveveskikt av granulært karbon bibeholdes i reaktoren og

nytt, kaldt karbontilførselsmateriale kan tilføres kontinuerlig eller intermittent til toppen av sveveskiktet i reaktoren 3

via tilførselskanalen 2.

Gass fra sveveskiktet føres ut og inn i en primær separator 4

via kanalen 5. Hoveddelen av det faste materialet som sepa- ,

1 ■

reres i separatoren 4 returneres via kanalen 6 til sveveskiktet 1 reaktoren 3. Gassen fra separatoren 4 føres via kanalen 7 til et høytemperaturs syklonseparatorsystem 8 hvori fint faststoff oppsamles og returneres via kanalen 9 til reaktoren 3..

Materialet som i det vesentlige består av karbon og aluminiumkarbid trekkes av kontinuerlig eller intermittent fra separatoren 4bg innmates til den karbotermiske ovn via kanalen 10.'

Ved drift av reaktoren 3 er målet å bibeholde temperaturen i sveveskiktet så nær som mulig opptil 2 010°C, men uten å falle under denne temperatur. Temperaturen i sveveskiktet bør ikke overstige 2 05 0°C da mengden av aluminium som gjenvinnes i skiktet som. Al^C^ kan da.bli for liten.

Som tidligere angitt er reaksjonene mellom karbon med A^O og Al-damp i reaktoren 3 eksoterme og den dannede varme bør ut-gjøre et overskudd i forhold til varmetapene fra sveveskikt-reaktorsystemet. Kontroll av temperaturen i sveveskiktet oppnås ved å nedsette eller forøke tilførselen av karboninnmat-ning, som tilføres i en mengde overstigende den som er nød-vendig for å erstatte karbon som forbrukes i reaktoren 3 ved omdannelse av en del av A120 og Al-røkinnholdet i gassen til aluminiumkarbid, Al^C^.

Hvis den karbotermiske reduksjonsovn er av den type som er beskrevet i norsk patentsøknad nr. 77.1867 med en lavtemperatur-sone eller soner så kan gassen fra disse soner innføres i gjenvinningssystemet etter den første vasker. Når lavtem-peratursone (ne)-avgassen behandles i systemet kan dette passende oppnås ved å innføre den ved en temperatur på 1 ,950°C -

2 000°C via kanalen 28 til reaktoren 12.

Reaktoren 3's funksjon er å gjenvinne A^O og Al-damp, fra

gassen som avgis fra den karbotermiske reaktor, i form av Al^C^som deretter returneres, (sammen med overskuddskarbon)'

i en sterkt oppvarmet tilstand til den karbotermiske reduksjonsovn..

Ytterligere gjenvinning av varme fra gassene fra ovnen oppnås

. i det sekundære varmegjenvinningssystem som skal beskrives i det etterfølgende. Energien som gjenvinnes'i det sekundære varmegjenvinningssystem er delvis gassens, frie varme og del-

vis den potensielle kjemiske energi for A^O og Al-damp som forblir i gassen som avgår fra høytemperatursyklonen 8, og

hvis kanalen 28 anvendes, i gassen som innføres gjennom denne. Gassen fra syklonen 8 er fortrinnsvis ved en temperatur over 2 010°C for å forhindre vekst av klebrige oksykarbidavset-ningér i syklohseparatoren og føres via kanalen.11 til en reaktor 12 hvori gassen blandes med en stor masse av karbon/ aluminiumoksydblanding som innføres i reaktoren 12 ved en relativt lav temperatur via kanalen 14.

Gassen avkjøles raskt i reaktoren 12 ved varmeveksling med den innkomne masse av faste partikler, til tross for den eksoterme reaksjon som oppstår som følge av tilstedeværelse av gjen-

værende A120 og Al-damp i den innkomne gass-strøm. Massen av fast kjølemiddel er slik at dannelse av en mindre mengde aluminiumoksykarbid deri er for liten til å ha noen uheldig sammenklebende effekt. Massen av fast kjølemiddel er fortrinnsvis 3-4 ganger massen for gassen (innbefattende dets røkinnhold). Dette vil virke slik at gass-strømmen avkjøles eksempelvis 1 000°C. Blandingen av gass og faststoff fra reaktoren 12 føres via en kanal 15 til en separator 16 fra hvilken separert faststoff som typisk vil ha en temperatur på

1 200 - 1 300°C føres til en sveveskiktskoker 18 via kanalen

17. Dampen som genereres i kokeren 18 kan anvendes på en hvilken som helst ønsket måte.

En mindre andel av faststoffet trekkes av fra kanalen 17 og

. anvendes som tilførsel til den karbotermiske reduksjonsovn.

Denne mindre andel kan anvendes for å tilføre alt eller resten

av det behov av aluminiumoksyd eller karbonbehovet til ovnen under hensyntagen til aluminiumkarbid og karbon som allerede tilføres via kanalen 10. Imidlertid av kontrollhensyn til-

føres balansen av enten aluminiumoksyd eller karbontilførselen til den karbotermiske ovn fra separate kilder..

i

Sammensetningen av karbon/aluminiumbksydblandingen i faststoffene som tilføres reaktoren 12 er avhengig av om faststoff-strømmen anvendes for å tilføre balansen av aluminium og/eller karbonbehovene til den karbotermiske reaksjonsovn.

De avkjølte faststoffer som føres ut av kokeren 18 transpor-teres ved lufttransport opp til kanalen 19 til en syklon 20 hvor luft utføres via utløpet 21. Fra kanalen 20 resirkuleres de avkjølte faststoffer til reaktoren 12 via kanalen 14.

Make-up faststoffer (enten karbon eller aluminiumoksyd) til-føres den sirkulerende faststoffstrøm via tilførselskanalen ,22 som fører til en blander 23 hvori make-up faststoffene oppvarmes ved varmeveksling med gassen som strømmer ut fra separatoren 16, fra hvilken den føres via kanalen 24 til en separator 25 og gjennom kanalen 26 til kanalen 14. Gass-strømmen som utføres fra separatoren 25 består i det vesentlige av karbonmonoksyd, utføres gjennom kanalen 27 til konvensjonelt gass-renseutstyr.

Claims (7)

1.. Fremgangsmåte ved fremstilling av aluminium ved karbotermisk reduksjon av aluminiumoksyd, og hvor det avgis kar-bonmonoksydgass inneholdende Al-dåmp og aluminium suboksyd, A^O, karakterisert ved at gassen inneholdende aluminiumdamp og aluminiumsuboksyd bringes i kontakt med et sveveskikt av pulverformig karbon som holdes ved en temperatur over den ved hvilken klebrig aluminiumoksykarbid dannes.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at sveveskiktet av pulverisert karbon holdes ved en temperatur i området 2 010 - 2 050°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at sveveskiktets temperatur kontrolleres ved å tilføre karbontilførselsmateriale i en kon-trollert mengde til sveveskiktet.

4. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-3, karakterisert ved at strømmen av karbonmonoksyd som avgår fra det fluidiserte skikt av pulverformig karbon bringes i kontakt med en relativt kald pulverformig blanding av aluminiumoksyd og karbonf og hvor forholdet mellom massen av karbonmonoksyd til de kjølige partikler holdes slik at gassen øyeblikkelig avkjøles til en temperatur under størkningspunktet for aluminiumoksykarbid.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det avkjølte karbonmonoksyd kontinuerlig separeres fra strømmen av de faste partikler, hvoretter partiklene,fremføres til et varmeveksle-varmegjenvinningstrinn og resirkulere partikkelstrømmen for ytterligere kontakt med karbonmonoksydgass-strømmen. ■

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakt é ri-., i sert ved at meget varmt karbon, anriket med Al^ C^ reaksjonsprodukt uttrekkes fra det fluidiserte skikt for inn-føring til det karbotermiske reduksjonstrinn.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at kaldt karbon eller kaldt aluminiumoksyd tilføres den sirkulerende strøm av blandingen av faste partikler av aluminiumoksyd og karbon og at en tilsvarende mengde oppvarmede partikler uttrekkes og anvendes som tilfør-sel til det karbotermiske reduksjonstrinn før det innføres i varmeveksle-varmegjenvinningstrinnet.