由含金屬氧化物材料獲得的金屬氯化物和金屬的制作方法
【專利說明】由含金屬氧化物材料獲得的金屬氯化物和金屬
[0001]本申請是中國專利申請200780018739.3的分案申請，原申請200780018739.3的申請日為2007年3月22日，其名稱為“由含金屬氧化物材料獲得的金屬氯化物和金屬”。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求2006年3月23日提交的美國專利申請序列號11/386，852的優(yōu)先權(quán)，將其內(nèi)容以其整體在此引入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及高溫冶金術(shù)，其包括用于由具有金屬氧化物成分的材料例如煤層的相鄰巖層，或從工業(yè)資源例如工廠的固體副產(chǎn)品生產(chǎn)金屬氯化物和金屬的工藝和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0005]歷史上，由礦石生產(chǎn)用于金屬加工工業(yè)的某些金屬，該礦石可包含高重量百分比的，例如高于50重量％的所關(guān)注的金屬氧化物(高等級來源)。鐵通常由赤鐵礦(Fe2O3)或磁鐵礦(Fe3O4)生產(chǎn)，鋁由鋁土礦(Al2O3)生產(chǎn)和鈦由金紅石(T12)或鈦鐵礦(FeT13)生產(chǎn)。它們的飽和含量和大部分這些礦石僅具有一種金屬氧化物的事實(shí)使得分離和純化變得簡單，使這些礦石成為用于金屬加工工業(yè)的首選來源。
[0006]然而，金屬氧化物存在于所有種類的天然來源例如地質(zhì)礦產(chǎn)例如火成巖、沉積巖或變質(zhì)巖材料或來自人造來源例如工業(yè)廢料。然而這些來源具有低于50重量％的金屬氧化物含量，并且經(jīng)常以不同金屬氧化物的混合形式存在。低金屬氧化物含量和高含量的不期望的硅酸鹽和其它雜質(zhì)導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)上定位為廢料。例如，在采煤時相鄰巖層描述位于煤層之上或之下的材料；通常由具有某些煤的巖石組成。在采煤期間，還挖掘出一些不期望的相鄰巖層。這種材料通常作為煤礦廢料沉積在覆蓋大面積地貌的地面上。典型地，煤礦廢料包括含碳材料(煤、焦油等)和含礦成分(metaliferous content)的巖石材料，根據(jù)相鄰巖層的地理特性，包括氧化鋁、氧化鐵、氧化鈦和其它金屬氧化物。一般地，在煤礦廢料中的金屬氧化物的總重量百分比的范圍在煤礦廢料的15至30重量％之間。在過去，這些量太低，以致不會從經(jīng)濟(jì)上考慮將煤礦廢料作為用于金屬氯化物或元素金屬的來源。這同樣適用于源自工業(yè)來源的含金屬氧化物材料例如來自燃煤電廠的灰燼，其由于地質(zhì)成因，也具有在25%至35%之間的金屬氧化物重量百分比。
[0007]美國專利6，808，695B1公開了用于從粘土例如高嶺石、伊利石或硅質(zhì)鋁土礦中連續(xù)生產(chǎn)鋁的工藝。美國專利4，349，420描述了用于生產(chǎn)氯化鋁的分級冷凝/蒸餾的工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)金屬氯化物和由這些金屬氯化物生產(chǎn)金屬的方法和設(shè)備。對于這些產(chǎn)品的來源可為任意含金屬氧化物材料，該含金屬氧化物材料還可優(yōu)選含有可燃熱源。此外，能夠?qū)⒂糜谠摲椒ê驮O(shè)備的能源保存和再循環(huán)，以將其用在整個工藝和設(shè)備中的其它部分。
[0009]本發(fā)明涉及用于由含金屬氧化物材料制備至少一種金屬氯化物的方法，該方法包括在足以得到包含至少一種金屬氧化物的煅燒產(chǎn)物的溫度條件下煅燒含金屬氧化物材料，并選擇性地氯化該煅燒產(chǎn)物以形成至少一種金屬氯化物。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步涉及在金屬產(chǎn)生過程中保存能量的方法，其包括燃燒熱源以煅燒含金屬氧化物材料，氯化至少一種金屬氧化物，并將能量從燃燒或氯化的至少之一轉(zhuǎn)移到工藝的其它部分。
[0011]此外本發(fā)明涉及一種設(shè)備，其包括用于氯化含金屬氧化物材料所構(gòu)建和配置的氯化器，和用于再循環(huán)氯化器中釋放的能量所構(gòu)建和配置的能量再循環(huán)器。
[0012]用于由含金屬氧化物材料制備至少一種金屬氯化物的方法可進(jìn)一步包含干燥含金屬氧化物材料。
[0013]該至少一種金屬氧化物包括含以下的金屬的至少一種氧化物:堿金屬和堿土金屬、除硼之外的第III主族、除碳和硅之外的第IV主族、全部過渡金屬、全部鑭系元素和錒
。
[0014]含金屬氧化物材料的煅燒可在1450和1750° F之間的溫度下進(jìn)行。
[0015]含金屬氧化物材料可具有洽(heat content)，并且該用于煅燒的熱可由存在于含金屬氧化物材料中的焓提供。
[0016]煅燒可包括添加熱源。
[0017]選擇性氯化可包含碳氯化(carbochlorinat1n) ο
[0018]選擇性氯化可包括確定在含金屬氧化物材料中金屬氧化物的含量，和基于該確定在選擇性氯化時使用氯源的量和來自碳源的碳量。氯源的量可包括0.1至2重量％的過量，基于金屬氧化物含量。
[0019]所述至少一種金屬氯化物可包含至少兩種金屬氯化物并將該至少兩種金屬氯化物分離。該分離可包括在分級分離該至少兩種金屬氯化物的壓力和溫度下分級冷凝/蒸餾該至少兩種金屬氯化物。
[0020]該至少一種含金屬氧化物材料可包括煤礦廢料和/或固體工業(yè)副產(chǎn)品。
[0021]該方法和設(shè)備可進(jìn)一步包括:來自含金屬氧化物材料的至少一種金屬氯化物可進(jìn)一步包括從氣體分離固體和通過分級冷凝/蒸餾分離氣態(tài)金屬氯化物。從氣體分離固體可包括從固體分離液體。而且，該分離包括從氣體分離液體。此外，分級冷凝/蒸餾可包括在大氣壓力和60psig之間的壓力下的金屬氯化物的冷凝和蒸館I。
[0022]所述方法包括由金屬氯化物形成金屬。
[0023]該方法可進(jìn)一步包括使用來自該工藝中的煅燒和選擇性氯化的至少之一的過量的熱。
[0024]所述方法和設(shè)備可進(jìn)一步包含發(fā)電。
[0025]可使用來自所述工藝和設(shè)備的能量。
[0026]所述方法和設(shè)備可進(jìn)一步包含為俘獲來自氯化器釋放的能量而構(gòu)建和配置并將熱轉(zhuǎn)移至發(fā)電機(jī)組的熱交換器。
[0027]所述方法和設(shè)備可進(jìn)一步包含構(gòu)建和配置以由來自氯化器的至少一種金屬氯化物形成至少一種金屬的金屬生產(chǎn)部。
[0028]所述方法和設(shè)備可進(jìn)一步將來自發(fā)電機(jī)組的電力提供給金屬生產(chǎn)部。
【附圖說明】
[0029]參考所提到的多個本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的非限定性實(shí)例，以下以詳細(xì)的描述進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中全部幾張視圖中，同樣的附圖標(biāo)記表示相同部分，其中:
[0030]圖1為說明煤和煤礦廢料干燥部的裝置圖的一部分；
[0031]圖2為說明還描述為煅燒爐的流化床燃燒器裝置圖的一部分；
[0032]圖3為說明氯化系統(tǒng)的裝置圖的一部分；
[0033]圖4為說明初級分離系統(tǒng)的裝置圖的一部分；
[0034]圖5為說明第二分離系統(tǒng)和鋁生產(chǎn)系統(tǒng)的裝置圖的一部分；
[0035]圖6為說明TiCl4分離系統(tǒng)和鈦生產(chǎn)系統(tǒng)的示例性裝置圖；和
[0036]圖7為說明氯化和分離工藝的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]示于此處的細(xì)節(jié)作為實(shí)例和僅出于本發(fā)明實(shí)施方案的說明性討論的目的，并且為了提供認(rèn)為是最有用和易于理解本發(fā)明的原則和概念方面的描述而提出。在這方面，沒有進(jìn)行以與比用于本發(fā)明的基本理解所必須的更加詳細(xì)地示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的嘗試，使用圖的描述使本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見本發(fā)明的幾種形式如何在實(shí)踐中具體化。
[0038]除非另有說明，提及的化合物或組分包括化合物或組分本身，以及與其它化合物或組分的組合，例如化合物的混合物。
[0039]如此處使用的，單數(shù)形式包括復(fù)數(shù)參照，除非上下文另有清楚地說明。
[0040]除非另有說明的情況，將用于說明書和權(quán)利要求書中表達(dá)成分?jǐn)?shù)量、反應(yīng)條件等的所有數(shù)字理解為在所有例子中由詞語“約”修飾。所以，除非表明相反，在以下說明書和所附的權(quán)利要求書中所述的數(shù)值參數(shù)為近似值，其根據(jù)本發(fā)明要獲得的所期望的性質(zhì)而變化。至少，并且不作為用與權(quán)利要求書范圍等同的學(xué)說限定申請的目的，各數(shù)值參數(shù)應(yīng)根據(jù)有效數(shù)字的數(shù)值和普通的四舍五入的方法解釋。
[0041]另外，認(rèn)為在本說明書內(nèi)的數(shù)值范圍的敘述是在該范圍之內(nèi)的所有數(shù)值的公開。例如，如果范圍為I至約50，則它被認(rèn)為包括例如1、7、34、46.1、23.7，或任何其它在該范圍內(nèi)的值。
[0042]術(shù)語金屬氧化物描述可由金屬和含氧化合物如氧，化學(xué)產(chǎn)生的化合物。以下元素周期表的族為所考慮的金屬:堿金屬和堿土金屬族、除硼之外的第III主族、除碳和硅之外的第IV主族、所有過渡金屬、所有鑭系元素和婀系元素。所有其它元素，包括硼、碳和娃為所考慮的非金屬。術(shù)語氧化物還包括化合物的任何中間形式例如，但不限定于，過氧化物、超氧化物和低氧化物。
[0043]此外，應(yīng)理解:還考慮將能夠分解為金屬氧化物和其它材料的化合物看作含金屬氧化物材料。例如，不限制本發(fā)明的范圍，可將金屬碳酸鹽看作含金屬氧化物材料，這是因?yàn)樵谔幚砣缂訜釙r，它分解為金屬氧化物和二氧化碳。相似地，將由金屬氧化物和非金屬氧化物產(chǎn)生的化合物也看作是含金屬氧化物材料。例如，鋁硅酸鹽為含金屬氧化物材料，這是因?yàn)樗鼈兛捎裳趸X(金屬氧化物)和二氧化硅(非金屬氧化物)產(chǎn)生。所述方法和設(shè)備涉及由含金屬氧化物材料生產(chǎn)金屬氯化物。含金屬氧化物材料可包括具有金屬氧化物成分的任何材料以及此種材料的混合物。因而，本發(fā)明的工藝和設(shè)備能夠利用任何含金屬氧化物的材料。
[0044]含金屬氧化物材料還可包含通常不被看作是用于獲得金屬氯化物或金屬的經(jīng)濟(jì)的和/或有用的來源的含金屬氧化物材料。因此，含金屬氧化物材料可用于本發(fā)明的工藝和設(shè)備，這些含金屬氧化物材料具有低含量的至少一種金屬氧化物，例如以致于不被認(rèn)為對于金屬氯化物和/或金屬的生產(chǎn)是經(jīng)濟(jì)的和/或有用的低含量的金屬氧化物。不限制本發(fā)明的范圍，在根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備中使用的材料包括廢料例如煤礦廢料、焦油、煉油廠廢料、燃煤電廠固體副產(chǎn)品、瀝青混凝土廢料，優(yōu)選煤礦廢料和/或電廠固體副產(chǎn)品。
[0045]例如，根據(jù)本發(fā)明利用的材料可具有低金屬氧化物含量，例如金屬氧化物含量低于約50重量％，且包括5至40重量％、10至35重量％和15至30重量％的范圍。
[0046]優(yōu)選含金屬氧化物材料包含可燃成分，該可燃成分可以提供盡可能多的能量，優(yōu)選在50至100%之間，更優(yōu)選在60至100%之間，最優(yōu)選在80至100%之間，基于用于本工藝所需能量要求，該工