NO310979B1

NO310979B1 - Process and reactor for carbothermal production of aluminum

Info

Publication number: NO310979B1
Application number: NO20001622A
Authority: NO
Inventors: Jan Arthur Aune; Kai Johansen
Original assignee: Alcoa Inc
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-09-24
Also published as: NO20001622A; NO20001622D0

Description

Teknisk område Technical area

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av aluminium ved karbotermisk reduksjon av alumina og en reaktor for fremstilling av aluminium ved karbotermisk reduksjon av alumina. The present invention relates to a method for the production of aluminum by carbothermic reduction of alumina and a reactor for the production of aluminum by carbothermic reduction of alumina.

Teknikkens stilling The position of the technique

Direkte karbotermisk reduksjon av alumina er beskrevet i US patent nr. 2,974,032 og det har lenge vært anerkjent at reaksjonen Direct carbothermic reduction of alumina is described in US patent no. 2,974,032 and it has long been recognized that the reaction

finner sted, eller kan bringes til å finne sted i to trinn: takes place, or can be made to take place, in two stages:

Reaksjon (2) finner sted ved temperaturer under 2000°C og generelt mellom 1900 og 2000°C. Reaksjon (3) som er den aluminiumproduserende reaksjon, finner sted ved betraktelig høyere temperaturer av 2200°C og over og reaksjonshastigheten øker med økende temperatur. I tillegg til forbindelsene angitt i ligningene (2) og (3), dannes det volatile forbindelser som omfatter gassformig Al og gassformige aluminiumsuboksid, AI2O, og disse fraktes vekk med avgassen. Dersom ikke disse volatile forbindelsene gjenvinnes, vil de representere et tap i aluminiumutbyttet. Både reaksjon (2) og (3) er endoterme. Reaction (2) takes place at temperatures below 2000°C and generally between 1900 and 2000°C. Reaction (3), which is the aluminium-producing reaction, takes place at considerably higher temperatures of 2200°C and above and the reaction rate increases with increasing temperature. In addition to the compounds indicated in equations (2) and (3), volatile compounds comprising gaseous Al and gaseous aluminum suboxide, AI2O, are formed, and these are carried away with the exhaust gas. If these volatile compounds are not recovered, they will represent a loss in the aluminum yield. Both reaction (2) and (3) are endothermic.

US patent nr. 4,099,959 beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av aluminium ved karbotermisk reduksjon hvor fremgangsmåten utføres i minst en lavtemperaturssone og i minst en høytemperatursone, hvor reaksjon (2) utføres i lavtemperatursonen og hvor reaksjon (3) utføres i høytemperatursonen. I lavtemperatursonen reagerer alumina og karbon for dannelse av aluminiumoksykarbid som sirkulerer til høytemperatursonen som opprettholdes ved en temperatur som er nødvendig for reaksjon av aluminiumkarbid med alumina for dannelse av aluminium. Det fremstilte aluminium oppsamles og fjernes og den gjenværende aluminaslagg returneres fra høytemperatursonen til lavtemperatursonen. Avgassene fra lavtemperatursonen og fra høytemperatursonen bestående av karbonmonoksid i blanding med aluminiumdamp og aluminiumsuboksiddamp, passerer gjennom en seng om i det vesentlige består av karbon for å kondensere og reagere aluminiumsuboksiddampen idet minste delvis med karbon hvoretter karbonet tilsettes til den smeltede aluminiumslaggen. US patent no. 4,099,959 describes a method for producing aluminum by carbothermic reduction where the method is carried out in at least one low-temperature zone and in at least one high-temperature zone, where reaction (2) is carried out in the low-temperature zone and where reaction (3) is carried out in the high-temperature zone. In the low temperature zone, alumina and carbon react to form aluminum oxycarbide which circulates to the high temperature zone which is maintained at a temperature necessary for the reaction of aluminum carbide with alumina to form aluminium. The produced aluminum is collected and removed and the remaining alumina slag is returned from the high temperature zone to the low temperature zone. The exhaust gases from the low-temperature zone and from the high-temperature zone, consisting of carbon monoxide in a mixture with aluminum vapor and aluminum suboxide vapor, pass through a bed consisting essentially of carbon to condense and react the aluminum suboxide vapor, at least partially with carbon, after which the carbon is added to the molten aluminum slag.

Ved fremgangsmåten beskrevet i US patent nr. 4,099,959 finner reaksjonene i lavtemperatursonen og i høytemperatursonen sted i adskilte reaksjonskar som er forbundet med oppvarmede rør eller lignende for å overføre aluminiumoksykarbidslagg fra lavtemperaturreaksjonskaret til høytemperaturreaksjonskaret og for å overføre aluminaslagg fra høytemperaturreaksjonskaret til lavtemperaturreaksjonskaret. In the method described in US patent no. 4,099,959, the reactions in the low-temperature zone and in the high-temperature zone take place in separate reaction vessels which are connected by heated pipes or similar to transfer aluminum oxycarbide slag from the low-temperature reaction vessel to the high-temperature reaction vessel and to transfer alumina slag from the high-temperature reaction vessel to the low-temperature reaction vessel.

Fremgangsmåten ifølge US patent No. 4,099,959 er ikke blitt kommersialisert og en mulig grunn for dette er problemet med å transportere aluminiumoksykarbidslagg fra lavtemperaturreaksjonskaret til høytemperaturreaksjonskaret og å returnere aluminaslagg fra høytemperaturreaksjonskaret til lavtemperaturreaksjonskaret. The method according to US patent No. 4,099,959 has not been commercialized and a possible reason for this is the problem of transporting aluminum oxycarbide slag from the low temperature reaction vessel to the high temperature reaction vessel and returning alumina slag from the high temperature reaction vessel to the low temperature reaction vessel.

Beskrivelse av oppfinnelsen Description of the invention

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og en reaktor for karbotermisk fremstilling av aluminium hvor problemene beskrevet ovenfor i forbindelse med fremgangsmåten ifølge US patent nr. 4,099,959 kan overvinnes. Fremgangsmåten og reaktoren ifølge oppfinnelsen har også ytterligere fordeler som vil bli beskrevet senere. It is an object of the present invention to provide a method and a reactor for carbothermic production of aluminum where the problems described above in connection with the method according to US patent no. 4,099,959 can be overcome. The method and the reactor according to the invention also have further advantages which will be described later.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en fremgangsmåte for karbotermisk fremstilling av aluminium hvor aluminiumkarbid fremstilles sammen med smeltet aluminiumoksid i en lavtemperatursone, hvilket smeltet bad av aluminiumkarbid og aluminiumoksid strømmer inn i en høytemperatursone hvor aluminiumkarbid reageres med aluminiumoksid for fremstilling av aluminium som danner et lag på toppen av laget av smeltet slagg, hvilket aluminium tappes fra høytemperatursonen og hvor avgassene fra lavtemperatursonen og fra høytemperatursonen inneholdende Al-damp og volatilt Al20 reageres med karbon og/eller alumina i minst en kolonne for å kondensere og reagere Al-damp og Al20 med karbon og/eller karbon og alumina, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved at lavtemperatursonen og høytemperatursonen er lokalisert i et felles reaksjonskar hvor høytemperatursonen og lavtemperatursonen er adskilt ved hjelp av en vegg som tillater at smeiten inneholdende aluminiumkarbid og aluminiumoksid fremstilt i lavtemperatursonen kontinuerlig kan strømme under veggen og inn i høytemperatursonen, samt at energien som trengs for å opprettholde temperaturen i lavtemperatursonen og i høytemperatursonen tilføres ved hjelp av adskilte energitilførselssystemer. The present invention thus relates to a method for carbothermic production of aluminum where aluminum carbide is produced together with molten aluminum oxide in a low temperature zone, which molten bath of aluminum carbide and aluminum oxide flows into a high temperature zone where aluminum carbide is reacted with aluminum oxide to produce aluminum which forms a layer on top of the layer of molten slag, which aluminum is tapped from the high temperature zone and where the exhaust gases from the low temperature zone and from the high temperature zone containing Al vapor and volatile Al20 are reacted with carbon and/or alumina in at least one column to condense and react Al vapor and Al20 with carbon and /or carbon and alumina, which method is characterized by the fact that the low-temperature zone and the high-temperature zone are located in a common reaction vessel where the high-temperature zone and the low-temperature zone are separated by means of a wall that allows the melt containing aluminum carbide and aluminum oxide to be produced in the low-temperature zone can continuously flow under the wall and into the high-temperature zone, and that the energy needed to maintain the temperature in the low-temperature zone and in the high-temperature zone is supplied using separate energy supply systems.

I henhold til en foretrukket utførelsesform blir energien som er nødvendig for å opprettholde temperaturen i lavtemperatursonen tilført ved hjelp av høyintensitets motstandsoppvarming ved hjelp av elektroder som er neddykket i det smeltede bad av aluminiumkarbid og aluminiumoksid. According to a preferred embodiment, the energy required to maintain the temperature in the low temperature zone is supplied by means of high intensity resistance heating by means of electrodes immersed in the molten bath of aluminum carbide and aluminum oxide.

I henhold til en annen foretrukket utførelsesform blir energien som er nødvendig for å opprettholde temperaturen i høytemperatursonen tilført ved hjelp av et flertall elektrodepar anordnet i sideveggen i høytemperatursonen av reaksjonskaret. According to another preferred embodiment, the energy required to maintain the temperature in the high temperature zone is supplied by means of a plurality of electrode pairs arranged in the side wall of the high temperature zone of the reaction vessel.

I henhold til en annen utførelsesform av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen blir avgassene fra lavtemperatursonen og fra høytemperatursonen inneholdende Al damp og gassformig AI2O i tillegg til CO, reagert med karbon og/eller karbon og alumina som beveges ved tyngdekraften ned gjennom i det minste en vertikal kolonne, hvilken kolonne er utstyrt med midler for energitilførsel og midler for kontroll av bevegelsen av karbon og/eller karbon og alumina i kolonnen for å kontrollere temperaturen og oppholdstiden for materialene i kolonnen. I henhold til en spesielt foretrukket utførelsesform blir avgassen fra lavtemperatursonen og fra høytemperatursonen reagert med karbon og/eller karbon og alumina i to adskilte kolonner. According to another embodiment of the method according to the invention, the exhaust gases from the low-temperature zone and from the high-temperature zone containing Al vapor and gaseous AI2O in addition to CO are reacted with carbon and/or carbon and alumina which is moved by gravity down through at least a vertical column, which column is equipped with means for supplying energy and means for controlling the movement of carbon and/or carbon and alumina in the column to control the temperature and residence time of the materials in the column. According to a particularly preferred embodiment, the exhaust gas from the low-temperature zone and from the high-temperature zone is reacted with carbon and/or carbon and alumina in two separate columns.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører videre en reaktor for karbotermisk fremstilling av aluminium, hvilken reaktor omfatter; The present invention further relates to a reactor for carbothermic production of aluminium, which reactor comprises;

et langstrakt reaksjonskar med en lavtemperaturreaksjonssone utstyrt med midler for tilførsel av alumina og karbonholdig reduksjonsmiddel og en eller flere elektroder for tilførsel av elektrisk energi for smelting og reaksjon av de karbonholdige reduksjonsmidlene med alumina, hvilken elektrode eller elektroder er innrettet til å neddykkes i det an elongate reaction vessel having a low temperature reaction zone equipped with means for supplying alumina and carbonaceous reducing agent and one or more electrodes for supplying electrical energy for melting and reacting the carbonaceous reducing agents with alumina, which electrode or electrodes are arranged to be immersed therein

smeltede bad i lavtemperaturreaksjonssonen; molten baths in the low-temperature reaction zone;

en høytemperaturreaksjonssone som er adskilt fra lavtemperatursonen ved hjelp av en delevegg som tillater at smeltet bad fra lavtemperaturreaksjonssonen kan strømme under deleveggen og inn i høytemperatursonen, et flertall horisontalt anordnede elektrodepar anordnet i sideveggene av høytemperatursonen av reaksjonskaret for tilførsel av elektrisk strøm til det smeltede slagglaget inneholdt i høytemperatursonen for å produsere aluminium, hvilket aluminium vil a high temperature reaction zone separated from the low temperature zone by a dividing wall which allows molten bath from the low temperature reaction zone to flow under the dividing wall and into the high temperature zone, a plurality of horizontally arranged electrode pairs arranged in the side walls of the high temperature zone of the reaction vessel for supplying electric current to the molten slag layer contained in the high temperature zone to produce aluminum, which aluminum will

flyte på toppen av slagglaget i høytemperatursonen; floating on top of the slag layer in the high temperature zone;

midler for å injisere alumina og/eller aluminiumkarbid og/eller karbon til means for injecting alumina and/or aluminum carbide and/or carbon into

slaggbadet i høytemperatursonen; the slag bath in the high temperature zone;

et over/understrømningsutløp for kontinuerlig tapping av smeltet an over/underflow outlet for continuous tapping of the melt

aluminium fra høytemperatursonen; og aluminum from the high temperature zone; and

minst en kolonne inneholdende karbon og/eller alumina for kondensering og reaksjon av Al damp og gassformet AI2O fra lavtemperatursonen og fra høytemperatursonen. at least one column containing carbon and/or alumina for condensation and reaction of Al vapor and gaseous AI2O from the low-temperature zone and from the high-temperature zone.

I henhold til en foretrukket utførelsesform har reaksjonskaret en i det vesentlige rektangulær form. According to a preferred embodiment, the reaction vessel has a substantially rectangular shape.

I henhold til en andre foretrukket utførelsesform er de deler av bunnen og sideveggene av reaksjonskaret som er innrettet til å være i kontakt med smeltet slagg bygd opp av et flertall av varmt-media kjølte paneler hvilke paneler er innrettet til å ha et lag av størknet slagg på de sider som vender mot reaksjonskarets innside. According to a second preferred embodiment, the portions of the bottom and side walls of the reaction vessel which are arranged to be in contact with molten slag are made up of a plurality of hot-media cooled panels which panels are arranged to have a layer of solidified slag on the sides facing the inside of the reaction vessel.

I henhold til en annen utførelsesform utgjøres elektrodene i lavtemperatursonen av grafittelektroder. According to another embodiment, the electrodes in the low-temperature zone are constituted by graphite electrodes.

I henhold til en annen utførelsesform utgjøres kolonnene inneholdende karbon og/eller karbon og alumina og som benyttes for å kondensere og reagere Al damp og AI2O inneholdt i avgassene, er elektrisk oppvarmede reaktorer utstyrt med en bunnelektrode og en toppelektrode, midler for tilførsel av karbon og/eller karbon og alumina ved toppen av reaktorene og midler i bunnen av reaktorene for utmatning av karbon og/eller karbon og alumina som har reagert med Al damp og AI2O, samt midler for å tilføre reaksjonsprodukter som utmates fra de elektrisk oppvarmede reaktorene til høytemperatursonen og/eller til lavtemperatursonen i reaksjonskaret. De elektrisk oppvarmede reaktorene for kondensering og reagering av Al damp og Al20 er fortrinnsvis anordnet på toppen av reaksjonskaret. According to another embodiment, the columns containing carbon and/or carbon and alumina and which are used to condense and react Al vapor and Al2O contained in the exhaust gases are electrically heated reactors equipped with a bottom electrode and a top electrode, means for supplying carbon and /or carbon and alumina at the top of the reactors and means at the bottom of the reactors for discharging carbon and/or carbon and alumina which has reacted with Al vapor and AI2O, as well as means for supplying reaction products discharged from the electrically heated reactors to the high temperature zone and /or to the low temperature zone in the reaction vessel. The electrically heated reactors for condensation and reaction of Al vapor and Al20 are preferably arranged on top of the reaction vessel.

Ved den foreliggende fremgangsmåte og reaktor er det fremskaffet et kompakt reaksjonskar hvor lavtemperatursonen og høytemperatursonen er integrert i ett reaksjonskar, mens deleveggen sørger for et klart skille mellom høytemperatursonen og lavtemperatursonen. With the present method and reactor, a compact reaction vessel has been provided in which the low-temperature zone and the high-temperature zone are integrated into one reaction vessel, while the dividing wall ensures a clear separation between the high-temperature zone and the low-temperature zone.

Videre, ved å injisere aluminiumkarbid og/eller karbon i høytemperatursonen er det ikke nødvendig å returnere smeltet aluminaslagg fra høytemperatursonen til lavtemperatursonen. Furthermore, by injecting aluminum carbide and/or carbon into the high temperature zone, it is not necessary to return molten alumina slag from the high temperature zone to the low temperature zone.

Bruk av en rekke par av sideveggselektroder i høytemperatursonen sikrer at det oppnås en jevn temperatur av slaggen i høytemperatursonen hvilket fører til en hurtig produksjon av aluminium i hele slaggbadet og at man unngår lokal overopphetning av badet, hvilket ville medføre økte mengder av Al damp og volatilt Al20. The use of a number of pairs of sidewall electrodes in the high-temperature zone ensures that a uniform temperature of the slag is achieved in the high-temperature zone, which leads to a rapid production of aluminum in the entire slag bath and that local overheating of the bath is avoided, which would result in increased amounts of Al vapor and volatile Al20.

Ved å benytte elektrisk oppvarmede reaktorer som kolonner for å kondensere og reagere Al damp og Al20 i avgassen med karbon og/eller karbon og alumina, er det mulig å kontrollere reaksjonen mellom karbon og/eller alumina og Al damp og Al20 for å produsere aluminiumkarbid og/eller aluminiumoksykarbid i kolonnene. Reaksjonsproduktene som utmates fra de elektrisk oppvarmede reaktorene kan chargeres direkte til reaksjonskaret i varm tilstand. Alternativt kan reaksjonsproduktene fra de elektrisk oppvarmede reaktorene kjøles og lagres for senere tilførsel til reaksjonskaret. Fra de elektrisk oppvarmede reaktorene kan det uttas en ren, varm CO gass som kan benyttes for varmegjenvinning. By using electrically heated reactors as columns to condense and react Al vapor and Al20 in the exhaust gas with carbon and/or carbon and alumina, it is possible to control the reaction between carbon and/or alumina and Al vapor and Al20 to produce aluminum carbide and /or aluminum oxycarbide in the columns. The reaction products which are discharged from the electrically heated reactors can be charged directly to the reaction vessel in a hot state. Alternatively, the reaction products from the electrically heated reactors can be cooled and stored for later supply to the reaction vessel. A clean, hot CO gas can be extracted from the electrically heated reactors, which can be used for heat recovery.

Aluminium som tappes fra høytemperatursonen i reaksjonskaret vil være mettet med aluminiumkarbid og således inneholde mellom 20 og 35 vekt % aluminiumkarbid. Ved å avkjøle det supervarme aluminium som lappes fra høytemperatursonen, vil den største delen av aluminiumkarbid oppløst i aluminium, utfelles og kan fjernes fra det smeltede aluminium. Aluminiumkarbidet resykleres fortrinnsvis til høytemperatursonen. Kjøling av aluminium tappet fra reaksjonskaret foretas fortrinnsvis ved tilsetning av fast skrapaluminium til det smeltede aluminium. På denne måte blir varmeenergien i det supervarme aluminium utnyttet for fremstilling av ytterligere smeltet aluminium. Aluminum that is drained from the high-temperature zone in the reaction vessel will be saturated with aluminum carbide and thus contain between 20 and 35% by weight of aluminum carbide. By cooling the super-hot aluminum that is lapped from the high-temperature zone, most of the aluminum carbide dissolved in the aluminum will precipitate and can be removed from the molten aluminum. The aluminum carbide is preferably recycled to the high temperature zone. Cooling of aluminum tapped from the reaction vessel is preferably done by adding solid scrap aluminum to the molten aluminum. In this way, the heat energy in the super-hot aluminum is utilized for the production of further molten aluminium.

Det gjenværende aluminiumkarbid oppløst i det smeltede aluminium etter kjøling til en temperatur like over smeltepunktet for aluminium, gjenvinnes på kjent måte, for eksempel ved filtrering av det smeltede aluminium. The remaining aluminum carbide dissolved in the molten aluminum after cooling to a temperature just above the melting point of aluminum is recovered in a known manner, for example by filtering the molten aluminum.

Kort beskrivelse av tegningen Brief description of the drawing

Figur 1 viser et vertikalt snitt gjennom et foretrukket reaksjonskar i henhold til oppfinnelsen. Figure 1 shows a vertical section through a preferred reaction vessel according to the invention.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen Detailed description of the invention

På figur 1 er det vist at generelt reaktangulært, gasstett reaksjonskar 1 som er oppdelt i en lavtemperatursone 2 og en høytemperatursone 3 ved hjelp av en understrømsvegg 4 som tillater smeltet bad å strømme fra lavtemperatursonen 2 til høytemperatursonen 3. Ved enden av høytemperatursonen 3 er det anordnet en over/understrømsutløp 5 for smeltet aluminium. In figure 1, it is shown that generally reactangular, gas-tight reaction vessel 1 which is divided into a low-temperature zone 2 and a high-temperature zone 3 by means of an underflow wall 4 which allows molten bath to flow from the low-temperature zone 2 to the high-temperature zone 3. At the end of the high-temperature zone 3 there is arranged an over/underflow outlet 5 for molten aluminium.

I lavtemperatursonen 2 er det anordnet to elektroder 6 som strekker seg gjennom hvelvet i reaksjonskaret 1. De to elektrodene 6 er under drift av reaksjonskaret innrettet til å neddykkes i det smeltede bad i lavtemperatursonen 2 for å tilføre energi ved motstandsoppvarming. Elektrodene 6 er utstyrt med konvensjonelle anordninger (ikke vist) for tilførsel av elektrisk strøm og anordninger (ikke vist) for å regulere elektrodene. Selv om to elektroder 6 er vist på figur 1, utgjøres de foretrukne antall elektroder av 3, 4, 6 eller 9. Elektrodene 6 er fortrinnsvis forbrukbare grafittelektroder. In the low-temperature zone 2, two electrodes 6 are arranged which extend through the vault in the reaction vessel 1. The two electrodes 6 are arranged during operation of the reaction vessel to be immersed in the molten bath in the low-temperature zone 2 to supply energy by resistance heating. The electrodes 6 are equipped with conventional devices (not shown) for supplying electric current and devices (not shown) for regulating the electrodes. Although two electrodes 6 are shown in Figure 1, the preferred number of electrodes is 3, 4, 6 or 9. The electrodes 6 are preferably consumable graphite electrodes.

I høytemperatursonen 3 er det anordnet en rekke elektrodepar 7 langs sideveggen av reaksjonskaret 1. Elektrodene 7 kan være forbrukbare grafittelektroder eller ikke forbrukbare inerte elektroder. Hvert elektrodepar blir tilført elektrisk strøm uavhengig av de øvrige elektrodepar. Ved å anvende en rekke elektrodepar 7 i sideveggen av reaksjonskaret oppnås det en jevn temperatur i det smeltede bad i høytemperatursonen 3. In the high-temperature zone 3, a number of electrode pairs 7 are arranged along the side wall of the reaction vessel 1. The electrodes 7 can be consumable graphite electrodes or non-consumable inert electrodes. Each electrode pair is supplied with electric current independently of the other electrode pairs. By using a number of electrode pairs 7 in the side wall of the reaction vessel, a uniform temperature is achieved in the molten bath in the high temperature zone 3.

I hvelvet i lavtemperatursonen 2 er det anordnet midler 8 for tilførsel av alumina og karbonholdig reduksjonsmiddel til lavtemperatursonen 2. Midlene 8 er fortrinnsvis gasstette på en slik måte at råmaterialer kan tilføres uten at avgasser fra reaksjonskaret unnslipper gjennom midlene 8. In the vault in the low-temperature zone 2, means 8 are arranged for the supply of alumina and carbonaceous reducing agent to the low-temperature zone 2. The means 8 are preferably gas-tight in such a way that raw materials can be supplied without exhaust gases from the reaction vessel escaping through the means 8.

Over hvelvet i lavtemperatursonen 2 er det videre anordnet en første gassreaktor 9. Gassreaktoren 9 omfatter en sylinderformet kolonne 10 fremstilt av stål 11 utstyrt med en indre ildfast foring 12. A first gas reactor 9 is also arranged above the vault in the low-temperature zone 2. The gas reactor 9 comprises a cylindrical column 10 made of steel 11 equipped with an inner refractory lining 12.

Kolonnen 10 har en bunnelektrode 13 som strekker seg oppover i den nedre del av kolonnen 10 og en toppelektrode 14 sentralt anordnet i den øvre del av kolonnen 10. Elektrisk strøm tilføres til elektrodene ved hjelp av konvensjonelle strømtilførselsanordninger (ikke vist). Kolonnen 10 har videre tilførselsanordninger 15 ved sin øvre ende for tilførsel av karbon eller karbon og alumina til kolonnen 10. Den nedre del av kolonnen 10 er via en avgassledning 16 forbundet til lavtemperatursonen 2. Ved sin nedre ende er kolonnen 10 videre utstyrt med en utmatningsanordning 17 for reagert karbon eller reagert karbon og alumina. Endelig har kolonnen 10 et avgassutløp 18 i sin øvre ende. Alle disse komponentene er vist på en andre gassreaktor 19 i figur 1. The column 10 has a bottom electrode 13 which extends upwards in the lower part of the column 10 and a top electrode 14 centrally arranged in the upper part of the column 10. Electric current is supplied to the electrodes by means of conventional power supply devices (not shown). The column 10 further has supply devices 15 at its upper end for supplying carbon or carbon and alumina to the column 10. The lower part of the column 10 is connected to the low-temperature zone 2 via an exhaust gas line 16. At its lower end, the column 10 is also equipped with a discharge device 17 for reacted carbon or reacted carbon and alumina. Finally, the column 10 has an exhaust gas outlet 18 at its upper end. All these components are shown on a second gas reactor 19 in Figure 1.

Avgass fra lavtemperatursonen 2 vil således strømme inn i bunnen av kolonnen 10 via avgassledningen 16 og strømme oppover i kontakt med karbon og/eller karbon og alumina inneholdt i kolonnen 10, hvorved Al damp og volatilt Al20 i avgassen vil kondensere på og reagere med karbon og/eller karbon og alumina for å produsere aluminiumkarbid og/eller et aluminiumoksykarbid. Den resterende del av avgassen vil forlate kolonnen 10 gjennom avgassutløpet 18. Exhaust gas from the low-temperature zone 2 will thus flow into the bottom of the column 10 via the exhaust line 16 and flow upwards into contact with carbon and/or carbon and alumina contained in the column 10, whereby Al vapor and volatile Al20 in the exhaust gas will condense on and react with carbon and /or carbon and alumina to produce aluminum carbide and/or an aluminum oxycarbide. The remaining part of the exhaust gas will leave the column 10 through the exhaust gas outlet 18.

Over hvelvet i høytemperatursonen 3 er det anordnet en andre gassreaktor 19 som er identisk med gassreaktoren 9 anordnet over hvelvet i lavtemperatursonen 2. Avgassen fra høytemperatursonen 3 blir behandlet i den andre gassreaktoren 19 på samme måte som beskrevet ovenfor i forbindelse med avgassene fra lavtemperatursonen 2. A second gas reactor 19 is arranged above the vault in the high-temperature zone 3, which is identical to the gas reactor 9 arranged above the vault in the low-temperature zone 2. The exhaust gas from the high-temperature zone 3 is treated in the second gas reactor 19 in the same way as described above in connection with the exhaust gases from the low-temperature zone 2.

En foretrukket utførelsesform for utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til figur 1. A preferred embodiment for carrying out the method according to the invention will now be described with reference to Figure 1.

En charge bestående av alumina og karbon tilføres gjennom tilførselsanordningen 8 til lavtemperatursonen 2. Elektrisk energi tilføres gjennom elektrodene 6 for å tilveiebringe og opprettholde et smeltet slaggbad av alumina og AI4C3 ved en temperatur av ca. 2000°C. Elektrodene 6 er neddykket i det smeltede slaggbadet hvorved energien overføres til det smeltede slaggbadet med motstandsoppvarming. Avgassene fra lavtemperatursonen 2, som inneholder CO, Al20 og litt Al damp, uttas gjennom avgassledningen 16 og føres inn i den nedre del av avgassreaktoren 9. Kolonnen 10 er fylt med en blanding av alumina og karbon som oppvarmes ved tilførsel til elektrisk strøm til toppelektroden 14 til en temperatur som bevirker at reaksjonene finner sted ved hjelp av elektrisk strøm som passerer mellom toppelektroden 14 og bunnelektroden 13. Al20 og Al damp inneholdt i avgassen fra lavtemperatursonen vil kondensere og reagere med alumina og karbonchargen i kolonnen 10 for dannelse av aluminiumkarbid, og varm renset avgass, hovedsakelig bestående av CO, trekkes av fra toppen av kolonnen 10 via avgassutløpet 18 og sendes til varmegjenvinning på konvensjonell måte. En blanding av aluminiumkarbid og ureagert alumina og karbon utmates gjennom utmatningsanordningen 17 ved bunnen av kolonnen 10 og blir enten direkte tilført til lavtemperatursonen 10 gjennom tilførselsmidlene 8, eller materialene blir lagret for senere tilførsel til lavtemperatursonen 2 eller til høytemperatursonen 3. Tilførselen av varmeenergi via toppelektroden 14 og bunnelektroden 13 gjør det mulig til enhver tid å holde kontroll med temperaturen i avgassreaktoren 9. A charge consisting of alumina and carbon is supplied through the supply device 8 to the low temperature zone 2. Electrical energy is supplied through the electrodes 6 to provide and maintain a molten slag bath of alumina and AI4C3 at a temperature of approx. 2000°C. The electrodes 6 are immersed in the molten slag bath whereby the energy is transferred to the molten slag bath with resistance heating. The exhaust gases from the low-temperature zone 2, which contain CO, Al20 and a little Al vapor, are withdrawn through the exhaust line 16 and fed into the lower part of the exhaust gas reactor 9. The column 10 is filled with a mixture of alumina and carbon which is heated by supplying electric current to the top electrode 14 to a temperature which causes the reactions to take place by means of electric current passing between the top electrode 14 and the bottom electrode 13. Al 2 O and Al vapor contained in the exhaust gas from the low temperature zone will condense and react with the alumina and the carbon charge in the column 10 to form aluminum carbide, and hot purified exhaust gas, mainly consisting of CO, is withdrawn from the top of the column 10 via the exhaust gas outlet 18 and sent for heat recovery in a conventional manner. A mixture of aluminum carbide and unreacted alumina and carbon is discharged through the discharge device 17 at the bottom of the column 10 and is either directly supplied to the low temperature zone 10 through the supply means 8, or the materials are stored for later supply to the low temperature zone 2 or to the high temperature zone 3. The supply of heat energy via the top electrode 14 and the bottom electrode 13 make it possible to keep control of the temperature in the off-gas reactor 9 at all times.

Det smeltede slagg som består av aluminiumkarbid og alumina som fremstilles i lavtemperatursonen 2, vil kontinuerlig strømme under deleveggen 4 og inn i høytemperatursonen 3. I høytemperatursonen 3 økes temperaturen av den smeltede slagg til 2200°C eller høyere ved tilførsel av elektrisk strøm til parene av sideveggselektroder 7 som vil oppvarme slaggbadet ved motstandsoppvarming. Ved å benytte en rekke par av sideveggselektroder 7 anordnet langs sideveggene av høytemperatursonen 3, vil det oppnås en tilnærmet lik temperatur i slaggbadet i høytemperatursonen 3. The molten slag consisting of aluminum carbide and alumina produced in the low-temperature zone 2 will continuously flow under the partition wall 4 and into the high-temperature zone 3. In the high-temperature zone 3, the temperature of the molten slag is increased to 2200°C or higher by supplying electric current to the pairs of side wall electrodes 7 which will heat the slag bath by resistance heating. By using a number of pairs of side wall electrodes 7 arranged along the side walls of the high temperature zone 3, an approximately equal temperature will be achieved in the slag bath in the high temperature zone 3.

Ved å opprettholde temperaturen i slaggbadet i høytemperatursonen 3 ved en temperatur over ca. 2200°C, vil aluminiumkarbid reagere med alumina for produksjon av aluminium og CO-gass. På grunn av den høye temperaturen vil en del av det produserte Al fordampe sammen med Al20 og vil forlate ovnen sammen med avgassen. By maintaining the temperature in the slag bath in the high-temperature zone 3 at a temperature above approx. 2200°C, aluminum carbide will react with alumina to produce aluminum and CO gas. Due to the high temperature, part of the produced Al will evaporate together with Al20 and will leave the furnace together with the exhaust gas.

Det smeltede aluminium som produseres i høytemperatursonen 3 vil på grunn av den lave densitet, danne et smeltet lag 31 på toppen av det smeltede slagglaget og tappes fra ovnen gjennom et overløpsutløp 5. The molten aluminum produced in the high temperature zone 3 will, due to its low density, form a molten layer 31 on top of the molten slag layer and is drained from the furnace through an overflow outlet 5.

Ved reaksjonen mellom aluminiumkarbid og alumina vil det smeltede slaggbadet i høytemperatursonen bli utarmet på aluminiumkarbid. Ytterligere aluminiumkarbid tilsettes derfor til høytemperatursonen 3 gjennom minst en tilførselsanordning 30 anordnet i hvelvet av høytemperatursonen 3. I tillegg til aluminiumkarbid kan det tilsettes alumina og/eller karbon til høytemperatursonen 3. In the reaction between aluminum carbide and alumina, the molten slag bath in the high-temperature zone will be depleted of aluminum carbide. Additional aluminum carbide is therefore added to the high-temperature zone 3 through at least one supply device 30 arranged in the vault of the high-temperature zone 3. In addition to aluminum carbide, alumina and/or carbon can be added to the high-temperature zone 3.

Avgassen fra høytemperatursonen 3 bestående av CO sammen med Al damp og Al20, føre til gassreaktoren 19 anordnet på hvelvet av høytemperatursonen 3. Gassreaktoren 19 virker på samme måte som beskrevet ovenfor i forbindelse med gassreaktoren 9 anordnet over lavtemperatursonen 2. Aluminiumkarbid som produseres i gassreaktoren 19 utmates sammen med ureagert alumina og karbon og tilsettes enten i varm tilstand til høytemperatursonen 3 eller til lavtemperatursonen 2 eller lagres for senere tilførsel til prosessen. The exhaust gas from the high-temperature zone 3, consisting of CO together with Al vapor and Al20, leads to the gas reactor 19 arranged on the vault of the high-temperature zone 3. The gas reactor 19 works in the same way as described above in connection with the gas reactor 9 arranged above the low-temperature zone 2. Aluminum carbide that is produced in the gas reactor 19 is fed out together with unreacted alumina and carbon and either added in a hot state to the high-temperature zone 3 or to the low-temperature zone 2 or stored for later supply to the process.

Aluminium fremstilt i høytemperatursonen 3 vil være mettet med smeltet aluminiumkarbid. Det supervarme aluminium i høytemperatursonen 3 tappes kontinuerlig gjennom overløpet 5. Det tappede aluminium kjøles, fortrinnsvis ved tilsetning av aluminiumskrap, til en temperatur over smeltepunktet for aluminium. Når aluminium kjøles vil en vesentlig del av aluminiumkarbid oppløst i aluminium utfelles som fast aluminiumkarbid som kan fjernes fra det kjølte, smeltede aluminium. Den gjenværende del av aluminiumkarbid oppløst i det smeltede aluminium kan fjernes ved konvensjonelle metoder, så som ved filtrering. Aluminiumkarbid som fjernes fra aluminium etter tapping blir fortrinnsvis tilbakeført til lavtemperatursonen 2 og/eller til høytemperatursonen 3. Aluminum produced in the high temperature zone 3 will be saturated with molten aluminum carbide. The super-hot aluminum in the high-temperature zone 3 is continuously tapped through the overflow 5. The tapped aluminum is cooled, preferably by adding aluminum scrap, to a temperature above the melting point of aluminum. When aluminum is cooled, a substantial part of aluminum carbide dissolved in aluminum will precipitate as solid aluminum carbide that can be removed from the cooled, molten aluminum. The remaining part of aluminum carbide dissolved in the molten aluminum can be removed by conventional methods, such as by filtration. Aluminum carbide that is removed from aluminum after tapping is preferably returned to the low-temperature zone 2 and/or to the high-temperature zone 3.

Claims

1. Process for carbothermic production of aluminum where aluminum carbide is produced together with molten aluminum oxide in a low-temperature zone (2), which molten bath of aluminum carbide and aluminum oxide flows into a high-temperature zone (3) where aluminum carbide is reacted with aluminum oxide to produce aluminum that forms a layer (31) on top of the layer of molten slag, which aluminum is drained from the high-temperature zone (3) and where the exhaust gases from the low-temperature zone and from the high-temperature zone containing Al vapor and volatile AbO are reacted with carbon and/or alumina in at least one column (9) to condense and react Al vapor and AI2O with carbon and/or carbon and alumina, characterized in that the low-temperature zone (2) and the high-temperature zone (3) are located in a common reaction vessel (1) where the high-temperature zone (3) and the low-temperature zone (2) are separated by means of a wall (4) which allows the melt containing aluminum carbide and aluminum oxide produced in the low temperature zone (2) k can continuously flow under the wall (4) and into the high-temperature zone (3), and that the energy needed to maintain the temperature in the low-temperature zone and in the high-temperature zone is supplied using separate energy supply systems (6, 7).

2. Method according to claim 1, characterized in that the energy required to maintain the temperature in the low-temperature zone (2) is supplied by means of high-intensity resistance heating by means of electrodes (6) which are immersed in the molten bath of aluminum carbide and aluminum oxide.

3. Method according to claim 1, characterized in that the energy required to maintain the temperature in the high-temperature zone (3) is supplied by means of a plurality of electrode pairs (7) arranged in the side wall in the high-temperature zone of the reaction vessel (1).

4. Method according to claim 1, characterized in that the exhaust gases from the low-temperature zone (2) and from the high-temperature zone (3) containing Al vapor and gaseous AI2O in addition to CO, are reacted with carbon and/or carbon and alumina contained at least in a vertical column (9), which column (9) is equipped with means for supplying energy (13, 14) and means for controlling the movement of carbon and/or carbon and alumina in the column (9) in order to control the temperature and residence time of the materials in the column ( 9).

5. Reactor for carbothermic production of aluminium, characterized in that the reactor comprises; an elongated reaction vessel (1) with a low temperature reaction zone (2) equipped with means (8) for supplying alumina and carbonaceous reducing agent and one or more electrodes (6) for supplying electrical energy for melting and reacting the carbonaceous reducing agents with alumina, which electrode (6) or electrodes (6) are arranged to being immersed in the molten bath in the low temperature reaction zone (2); a high temperature reaction zone (3) which is separated from the low temperature zone (2) by means of a dividing wall (4) which allows molten bath from the low temperature reaction zone (2) to flow under the dividing wall (4) and into the high temperature zone (3), a plurality of horizontally arranged electrode pairs (7) arranged in the side walls of the high temperature zone (3) of the reaction vessel (1) for supplying electric current to the molten slag layer contained in the high temperature zone (3) to produce aluminum, which aluminum will float on top of the slag layer in the high temperature zone (3); means (30) for injecting alumina and/or aluminum carbide and/or carbon to the slag bath in the high temperature zone (3); an over/underflow outlet (5) for continuous tapping of the melt aluminum from the high temperature zone (3); and at least one column (9) containing carbon and/or alumina for condensation and reaction of Al vapor and gaseous Al20 from the low-temperature zone (2) and from the high-temperature zone (3).

6. Reactor according to claim 5, characterized in that the reaction vessel (1) has an essentially rectangular shape.

7. Reactor according to claim 5, characterized in that they share the bottom and side walls of the reaction vessel (1) which is arranged to be in contact with molten slag, is built up of a majority of hot-media cooled panels which panels are arranged to have a layer of solidified slag on the sides facing the inside of the reaction vessel.

8. Reactor according to claim 5, characterized in that the electrodes (6) in the low-temperature zone (2) consist of graphite electrodes.

9. Reactor according to claim 5, characterized in that the columns (9) containing carbon and/or carbon and alumina and which are used to condense and react Al vapor and Al20 contained in the exhaust gases, are electrically heated reactors equipped with a bottom electrode (13 ) and a top electrode (14), means (15) for supplying carbon and/or carbon and alumina at the top of the reactors and means (17) at the bottom of the reactors for discharging carbon and/or carbon and alumina which has reacted with Al steam and Al20, as well as means for supplying reaction products which are discharged from the electrically heated reactors to the high-temperature zone (3) and/or to the low-temperature zone (2) in the reaction vessel.