[发明专利]使用具有废气处理和再循环的单一炉碳热还原的低碳铝生产方法

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求享有2007年2月16日提交的且名称为“LOWCARBON ALUMINUM PRODUCTION METHOD USING SINGLE FURNACECARBOTHERMIC REDUCTION OPERATED IN BATCH MODE(使用以分批模式操作的单一炉碳热还原的低碳铝生产方法)”的美国专利申请第11/676,017号的优先权。

发明领域

本发明涉及在以分批模式操作的单一反应器室、碳热炉中生产低碳铝的方法。

发明背景

美国铝业是世界上最大的铝业之一，其2005年生产了约250万公吨的原铝。目前，铝业依赖于三种主要的原铝生产工艺：由铝土矿提炼氧化铝、阳极生产以及通过在Hall-Heroult工艺中电解来熔炼铝。在熔炼工艺中，经由碳阳极和熔融铝阴极，Hall-Heroult电解池电化学地将氧化铝还原成金属铝。熔炼是原铝生产中最能量密集的步骤，其占美国每年用电的2％和3％之间(约15kWh/kg所生产的铝)。熔炼还产生了各种排放物、流出物、副产物和固体废弃物。温室气体是来自铝生产的主要污染物且是由化石燃料的消耗、碳阳极的消耗以及因阳极效应的全氟化碳所引起的。来自阳极生产的排放物包括微粒、氟化物、多环芳烃(PAH)和二氧化硫(SO₂)。来自铝熔炼的排放物包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、SO₂、氟化物、全氟化碳(PFC，例如CF₄、C₂F₆)和PAH。降低成本并减少废弃物以便对于外国生产商保持竞争力将是有利的。由于高能耗以及牵涉气候改变的不期望的排放物和副产物，所以熔炼步骤是进行改进的优先领域。

铝的碳热还原是可选择的铝生产工艺，其使用反应器中的化学还原反应。碳热工艺需要比Hall-Heroult电解还原工艺小得多的物理空间。作为Hall-Heroult工艺的替代工艺，铝生产的碳热还原工艺将带来降低的电消耗。长期概算表明，碳热工艺可将能量需求减少超过30％至约8.5kWh/kg。碳热铝生产工艺还将消除由碳阳极效应引起的全氟化碳排放物、危险的废电解槽系列(spent potliner)以及与焙烧可消耗的碳阳极有关的烃排放物。这种可选择的碳热铝生产工艺将比传统的铝生产厂更加能量有效且对环境影响更小。

氧化铝的直接碳热还原已经被描述在美国专利第2,974,032号(Grunert等人)和美国专利第6,440,193B1号(Johansen等人)以及由S.Seetharaman和D.Sichen编辑的Pr oceedings 6^thConference on Molten Slags，Fluxes and Salts(关于熔渣、熔剂和盐的第6次会议论文集)“Carbothermic Aluminum(碳热铝)”，K.Johansen、J.Aune、M.Bruno和A.Schei，Stockholm，Sweden-Helsinki Finland，2002年6月12日-17日中。

一直以来认为，发生如下总的铝碳热还原反应：

Al₂O₃+3C→2Al+3CO    (1)

或者通常可以分步进行，例如：

2Al₂O₃+9C→Al₄C₃+6CO(蒸气)(2)

Al₄C₃+Al₂O₃→6Al+3CO(蒸气)(3)

Al₂O₃+2C→Al₂O(蒸气)+2CO(蒸气)(4)

Al₂O₃+4Al→3Al₂O(蒸气)(5)，以及

Al→Al(蒸气)(6)。