利用铝生产中产生的碳氧化物的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种利用在通过使用至少一个由含碳材料制备的阳极电解还原熔体中的氧化铝来生产铝中形成的碳氧化物的方法，其中使用热解碳来制备所述至少一个阳极，其中进行烃，特别是甲烷或天然气的热解(1)，在其中形成热解碳和氢气，其中根据本发明专利技术，将在甲烷热解中产生的氢气(4)与来自电解生产铝的二氧化碳和/或一氧化碳混合以产生气体料流(15)，将该气体料流送至进一步使用。本发明专利技术还涉及一种系统网络，其包括用于通过熔体电解还原氧化铝来生产铝的电解设备(9)，其中所述系统网络还包括至少一个反应器(1)，在所述反应器中通过烃的热解来产生热解碳和氢气。的热解来产生热解碳和氢气。的热解来产生热解碳和氢气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用铝生产中产生的碳氧化物的方法和系统
[0001]本专利技术涉及一种利用在通过使用由含碳材料制成的至少一个阳极电解还原熔体中的氧化铝来生产铝的过程中形成的碳氧化物的方法，其中将热解碳用于制备所述至少一个阳极，其中进行烃，特别是天然气或甲烷的热解，其中形成热解碳和氢气。本专利技术还提供了一种集成装置，其包括用于通过熔体电解还原氧化铝来生产铝的电解设备。
现有技术
[0002]铝的生产主要通过Hall
‑
Heroult方法的熔体熔剂电解进行。在该方法中，低熔点铝矿物冰晶石(Na3[AIF6])和高熔点氧化铝(矾土)的低共熔混合物进行熔体熔剂电解，其中氧化铝被还原。氧化铝在熔体中离解成其离子。
[0003]Al2O3→
2Al
3+
+3O2‑
[0004]存在于熔体中的铝离子迁移到阴极，在此处它们吸收电子并被还原成铝原子。
[0005]Al
3+
+3e
‑
→
Al
[0006]负氧离子O2‑
迁移到阳极，释放过量的电子并与阳极的碳反应形成一氧化碳和二氧化碳，它们作为气体放出。
[0007]C+2O2‑
→
CO2+4e
‑
[0008]因此Hall
‑
Heroult方法的总反应方程式如下：
[0009]2Al2O3+3C
→
4Al+3CO2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0010]在氧化铝还原为铝的过程中形成大量二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)。除这两种气体以外，还排放出二氧化硫(SO2))和氟化氢(HF)。四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、六氟化硫(SF6)和四氟化硅(SiF4)同样在低氧气浓度下熔融方面是相关的。组分CO2、CO和SO2由阳极的燃烧产生。所用的煅烧石油焦来自于原油加工成燃料，根据质量，其包含硫的比例例如为1
‑
7重量％。在许多情况下，来自铝生产的废气被释放到大气中[Aarhaug等，“Aluminum Primary Production Off
‑
Gas Composition and Emissions：An Overview”，JOM，第71卷，第9期，2019年]。在排放SO2和HF的情况下，必须不超过特定的允许极限值。此外，对气候造成破坏的气体排放正在日益受到管制。全世界工业能量消耗的约7％和人为温室气体的2.5％可归因于铝生产。在原铝生产的生命周期中，每千克铝可以产生高达20CO2当量。在德国，在2018年，CO2排放总计约1百万公吨二氧化碳当量(greenhouse gas emissions 2018(VET_Bericht 2018))。全氟化烃(PFHC)通过在溶解的氧化铝(Al2O3)的比例过低时出现的增加的电压形成。因此，减少生产铝的Hall
‑
Heroult方法的排放的策略具有巨大的经济和生态利益。
[0011]美国专利文献3,284,334A描述了一种烃的热解方法，其中形成热解碳和氢气。以此方式生产的热解碳具有高硬度、高密度和低孔隙率，适于生产电极，其中加入沥青作为粘合剂。这种电极适用于从铝的矿石中电解提取铝。
[0012]EP0635045B1描述了通过甲烷分解生产纯热解碳，其中除碳以外还形成氢气。在此，使用含甲烷的原料，并且在等离子体燃烧器中在高于1600℃下分解。在该文献中，同样声称以此方式热解产生的碳由于其特殊的性能而适于生产用于电解铝矿石的阳极。
[0013]本专利技术的目的是提供一种开头所述类型的方法，其中在铝生产中形成的碳氧化物可以送去有目的应用。特别地，对于所形成的碳氧化物的这种有目的应用，希望在物理距离方面尽可能地接近它们产生的地方。
[0014]另一个目的是将阳极生产中形成的废气送去有目的应用。
[0015]上述目的通过具有权利要求1的特征的上述类型的方法和具有独立权利要求8的特征的集成装置来实现。
[0016]根据本专利技术，将在烃的热解中形成的氢气与来自铝的电解生产的二氧化碳和/或一氧化碳混合，产生可以送去进一步使用的气体料流。因此，本专利技术的基本思想是将通过热解制备用于铝的熔体熔剂电解的电极的方法与熔体熔剂电解本身相结合，其中在一个方法中除热解碳以外形成的烃与在第二方法即铝的电解中形成的对环境有害的碳氧化物相结合，以得到具有有用组成的气体混合物，这使得该气体混合物可以在各种方法中进一步技术性地利用。
[0017]特别是在建造包括其中进行甲烷热解以生产阳极的装置区和其中进行熔体熔剂电解以生产铝的装置区的集成装置中，在铝生产中形成的碳氧化物和任选的在阳极生产中形成的废气可以在它们产生的地方的物理附近被有目的地利用。
[0018]在本专利技术方法的优选的进一步发展中，随后将包含氢气的气体料流和包含二氧化碳和/或一氧化碳的气体料流或包含氢气与二氧化碳和/或一氧化碳的混合物的气体料流供入逆水煤气变换反应，在其中至少一部分二氧化碳与氢气反应并还原成一氧化碳以产生合成气气体料流。
[0019]“合成气”在狭义上是指工业生产的气体混合物，其包含氢气和一氧化碳以及其他气体。取决于气体混合物中所含的氢气和一氧化碳的比例，可以由合成气生产各种产品，例如以1
‑
2:1的氢气与一氧化碳比例由费
‑
托方法生产液体燃料，以约2:1的比例生产醇如甲醇或乙醇，或以约3:1的比例通过甲烷化生产甲烷或合成天然气(SNG)。
[0020]水煤气变换反应通常用于降低合成气中的一氧化碳比例和用于进一步生产氢气。这根据以下反应方程式发生：
[0021]CO+H2O
→
CO2+H2ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0022]上述反应(2)是在改变的反应条件下，例如如果温度升高，以相反方向进行的等同反应。该逆反应在此称为逆水煤气变换反应，并且对应于下文所示的反应方程式：
[0023]CO2+H2→
CO+H2O
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0024]在本专利技术方法的优选的进一步发展中，上述反应(3)因此可以用于通过与来自烃热解或来自其他来源的氢气反应而将在氧化铝的熔体熔剂电解中形成的一定比例的二氧化碳转化成一氧化碳，以便产生另外的一氧化碳并且提供具有更高的一氧化碳比例且同时降低的二氧化碳含量的合成气，使得该合成气混合物具有特别适于特定的进一步反应的组成。
[0025]与逆水煤气变换反应平行，可将一部分，例如30
‑
80体积％的在铝生产中形成的碳氧化物供入甲烷热解反应器中(参见WO 2014/95661)。
[0026]该反应根据以下反应方程式发生：
[0027]CO2+CH4→
2CO+2H2[0028]CF4+2H2→
C+4HF
[0029]C2F6+3H2→
2C+6HF
[0030]当使用多个并联的热解反应器时，有利的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种利用在通过使用至少一个由含碳材料制成的阳极电解还原熔体中的氧化铝来生产铝中形成的碳氧化物的方法，其中使用热解碳来制备所述至少一个阳极，其中进行烃，特别是天然气或甲烷的热解，在所述热解中形成热解碳和氢气，其中将在烃热解(1)中形成的氢气与来自铝的电解生产(9)的二氧化碳和/或一氧化碳混合以产生送到进一步使用的气体料流。2.根据权利要求1所述的方法，其中随后将包含氢气的气体料流(4)和包含二氧化碳和/或一氧化碳的气体料流(12)或包含氢气与二氧化碳和/或一氧化碳的混合物的气体料流供入到逆向水煤气变换反应(13)中，在所述逆向水煤气变换反应中，至少部分二氧化碳与氢气反应并还原成一氧化碳，以产生合成气料流(15)。3.根据权利要求2所述的方法，其中随后将合成气料流(15)供入到化学或生物技术装置(16)中。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中将合成气料流(15)用于生产甲醇、生产甲烷、至少一种醇和/或至少一种其他有价值的化学品。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的方法，其中在铝的电解生产中获得的气体料流(12)中的二氧化碳与一氧化碳的比例通过选择电解中的阳极电流密度来设定。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的方法，其中在铝的电解生产中获得的气体料流(12)中的二氧化碳和一氧化碳的比例通过选择电解质温度来设定。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的方法，其中在铝的电解生产中获得的气体料流(12)中的二氧化碳和一氧化碳的比例通过选择阳极的热解碳材料的反应性来设定。8.根据权利要求1
‑
7中任一项的方法，其中将在阳极生产中形成的挥发性烃经由导管(19)再循环到用于烃热解的反应器(1)中。9.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的方法，其中将在铝生产中形成的一部分碳氧化物经由导管(20)再循环到用于烃热解的反应器(1)中。10.一种集成装置，其包括用于通过氧化铝的熔体电解还原生产铝的电解设备(9...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：蒂森克虏伯股份公司蒂森克虏伯工业解决方案股份公司，
类型：发明
国别省市：