[发明专利]碳热还原法

说明书

发明领域

本发明涉及有关氧化铝的碳热还原法。

发明背景

对于铝产物而言，基于碳热还原法的技术是有发展前途的，并且对于Hall-Heroult电解技术有望提供一种可替代方案。相对于现有的电解法，成功的碳热还原法将有潜力减少资本投资需要的50％至70％，以及运行成本的25％至35％。而且，碳热还原法会避免氟化物排放的问题，同时相对于铝的电解制备，产生的含碳气体量也明显较低。

采用碳热还原法制备铝的尝试已超过了100年。然而，能够成功商业化制备铝的最佳碳还原法仍有待实现。对现阶段调查的碳还原法(除了申请人的方法)需要温度高于2000℃，并且需要在不同的复杂阶段精确控制反应物和产物。这些阶段包括：

(a)在高于2000℃，氧化铝和碳反应生成碳化铝；

(b)在高于2150℃，碳化铝和氧化铝反应生成铝金属；以及

(c)将铝从残留材料中分离。

对于这样的碳热还原法面临的挑战包括成功地回收高水平的挥发铝，减少耐熔物的损耗水平，降低各阶段间材料传输的难度和产生大量一氧化碳的问题。在操作温度高达2000至2250℃时这些问题是难以避免的。

热碳还原法的主要反应是：

2Al₂O₃+9C→Al₄C₃+6CO(1)和

Al₂O₃+Al₄C₃→6Al+3CO(2)

这些反应可以得到一个总反应：

Al₂O₃+3C→2Al+3CO  (3)

采用这些反应制备铝的早期工作在下述专利中进行了说明：Barnet等人的美国专利1219797和1222593；Kruh的美国专利2090451和2255549；Rasmussen的美国专利2755518；Grunert的美国专利2776884；和Miller的美国专利2829961；和Grunert的美国专利2974032。

近期的工作主要是在具有碳化铝和氧化铝熔渣的熔池中使氧化铝和碳反应。通常熔池具有两个区进行操作，在第一个区生成碳化铝，在第二个区碳化物传送到该区与氧化铝反应，生成铝金属。这样的工作在下述专利中进行了说明：Persson的美国专利4385930；Johansen等人的美国专利6440193；LaCarmera的美国专利6475260；Lindstad的美国专利6530970；Fruehan等人的美国专利6849101；和美国专利申请公开2006/0042413。

还有下述相关的出版物：《铝的碳热还原制备(CarbothermalProduction of Aluminium)》，作者Motzfeldt等人，发表于1989年，出版社Aluminium-Verlag GmbH，杜塞尔多夫地区，德国；和基于DE-FC36-00ID13900合作协议书由MJ Bruno and Alcoa公司提交给美国能源部的《铝碳热还原工艺(Aluminium Carbothermic Technology)》，日期2004年12月31日。

发明概述

本申请人改进了他们特有的碳热还原法，该方法中碳化铝通过在氧化铝存在下初始量的铝金属与碳质材料反应而生成。这种混合形成能够加热到氧化铝和碳化铝容易反应而生成铝金属的温度的装料。在本申请人的国际专利公开WO2007012123中揭示了将氧化铝和碳注入熔融的铝金属的方法。在本申请人的国际专利申请PCT/AU2007/001986中揭示了另外的方案，利用碳氢化合物和氧化铝注入熔融的铝金属。应当理解的是，本申请人的每一个在先申请的公开内容都通过引用的方式包含在本说明书中作为本次公开的一部分。

本发明旨在提供了一种可替代方案，该方案用于替代在本说明书之前列出的“发明背景”部分中认为是第三方现有技术所采用的方法。本发明还对国际专利公开WO2007012123和国际专利申请CT/AU2007/001986中公开的本申请人的发明提供了替代方案和/或改进方案。

根据第一方面，本发明提供了一种大量制备含固态碳化铝产物的方法，该方法包括以下步骤：

(a)形成含铝材料和碳质材料的混合物，该碳质材料由碳组成，含有碳或产生碳；

(b)将步骤(a)中形成的混合物加热到足以使碳质材料的碳和含铝材料的铝发生反应而生成固态碳化铝的温度。