藝包括至少形成一種或多種金屬氯化物，以及最優(yōu)選形成元素金屬。理想地，含金屬氧化物材料內(nèi)在的焓足以提供對(duì)于從形成一種或多種金屬氯化物以及由此生產(chǎn)金屬的工藝的全部能量要求。
[0047]所述方法和設(shè)備包括氯化含金屬氧化物材料的以形成可以轉(zhuǎn)化為元素金屬的金屬氯化物。優(yōu)選地，所述氯化包括選擇性氯化。選擇性氯化描述為由含金屬氧化物材料產(chǎn)生金屬氯化物。選擇該方法的條件和氯化劑的量以形成金屬氯化物而基本不形成非金屬氯化物。例如，不限定方法和設(shè)備，如果將燃煤電廠煤灰用作含金屬氧化物材料，該含金屬氧化物材料具有作為成分的含硅材料例如二氧化硅和硅酸鹽，此外還有氧化鋁和氧化鈉，根據(jù)本發(fā)明的選擇性氯化將提供氯化鋁和氯化鈉，而基本不包含氯化硅。此外，應(yīng)了解根據(jù)本發(fā)明的用于選擇性氯化的方法和設(shè)備不使用也不需要除氯化劑之外的任何催化劑，例如含硫化合物。生產(chǎn)的非金屬氯化物的量理想地為零，或基本上低于約10重量％，更優(yōu)選低于約5重量％，最優(yōu)選低于約I重量％，基于初始材料的總重量。
[0048]氯化劑包括氯源和還原劑。氯源可包括氯氣和/或任何提供元素氯的化合物。還原劑可包括能夠還原包含在金屬氧化物中的氧的任何化合物，例如含碳化合物，包括碳、煤、有機(jī)化合物，和天然氣；一氧化碳；還可考慮將其它金屬例如鐵作為還原劑。氯源和還原劑可存在于混合物中和/或可包含相同的化合物，舉例如氯化有機(jī)材料，例如光氣或氯化脂族化合物，例如氯仿或四氯化碳或氯化芳香族化合物例如氯苯。優(yōu)選地，氯化劑不包含水分。元素氯源和/或還原劑可以任何方式干燥，例如還原劑能夠以與用于含金屬氧化物材料描述的干燥工藝相同的方式干燥。而且，氯化劑可包含氯化氫。
[0049]此外，本發(fā)明提供用于由含金屬氧化物材料制備金屬氯化物的方法和設(shè)備，其中氯化包含碳氯化，優(yōu)選使用選擇性氯化，因而提供選擇性碳氯化。在這方面，碳氯化描述了用于由金屬氧化物產(chǎn)生金屬氯化物的方法，該方法使用如上所述的氯化劑，優(yōu)選氯氣和含碳還原劑，優(yōu)選碳源如煤。而且，氯源可包括氯化有機(jī)材料?？墒褂眠@些材料的任意組合。在所述方法中氯和含碳還原劑的組合導(dǎo)致由金屬氧化物形成金屬氯化物。因而，金屬氧化物的氧化物陰離子(oxide an1ns)可形成一氧化碳和/或優(yōu)選二氧化碳。
[0050]本發(fā)明還提供用于通過分級(jí)冷凝/蒸餾分離氣態(tài)金屬氯化物的方法和設(shè)備。優(yōu)選在高于大氣壓下，將熱氣態(tài)金屬氯化物的混合物逐漸冷卻。根據(jù)多種金屬氯化物的壓力/溫度相圖，提高的壓力導(dǎo)致金屬氯化物的冷凝(氣-液轉(zhuǎn)化)而非發(fā)生在通常大氣壓下的凝華(氣-固轉(zhuǎn)化)。優(yōu)選金屬氯化物的冷凝，這是因?yàn)?，與凝華相比，它使金屬氯化物混合物更有效地分離。所以，本發(fā)明優(yōu)選通過利用從氣態(tài)至液態(tài)的分級(jí)冷凝/蒸餾實(shí)現(xiàn)金屬氯化物的高純度分離。
[0051]所述方法和設(shè)備還可以提供熱源的積極有效的使用，使該工藝經(jīng)濟(jì)上可行。可將在該工藝中釋放的熱/能量轉(zhuǎn)移，以供能給工藝的其它部分。例如，在煅燒爐或氯化器中產(chǎn)生的熱可用于干燥含金屬氧化物材料的供給進(jìn)料以除去水分和濕氣。而且，對(duì)于該工藝可外部使用來自煅燒爐或氯化器的熱，或還可將其用于例如發(fā)電，可將該電力隨后在金屬產(chǎn)生部中外部使用和/或內(nèi)部使用，從而將分離的金屬氯化物還原為元素金屬。
[0052]此外，在積極有效地使用熱的范圍內(nèi)，所述方法和設(shè)備可包括使用含金屬氧化物材料的焓。優(yōu)選地，對(duì)于該工藝，不需要焓的外部來源。例如，不限定本發(fā)明的范圍，當(dāng)將煤礦廢料用作含金屬氧化物材料時(shí)，優(yōu)選不外加能量例如添加煤加入到該工藝中，且利用煤礦廢料的焓以提供全部或基本全部的工藝能量要求。然而，根據(jù)工藝的能量要求，可添加高達(dá)10重量％，高達(dá)20重量％，高達(dá)30重量％的煤礦廢料總重量的添加煤?？蓪⑻烊粴庥米饔糜陟褵隣t的防止滅焰源。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的工藝和設(shè)備可為全部位于一個(gè)地方的系統(tǒng)的一部分，或者可包含能夠位于彼此附近或位于相對(duì)于彼此遙遠(yuǎn)的各種工藝步驟和設(shè)備。優(yōu)選地，出于經(jīng)濟(jì)的和/或加工效率的目的，將用于將金屬氧化物加工為金屬的工藝和設(shè)備在一個(gè)地方進(jìn)行和放置。因此，當(dāng)該工藝的各部分可在不同的位置進(jìn)行，且設(shè)備可放置在不同位置時(shí)，優(yōu)選用于使含金屬氧化物材料加工成金屬的設(shè)備包括位于同一位置的系統(tǒng)。
[0054]本發(fā)明可提供一種裝置，其包括用于干燥材料如含金屬氧化物材料和/或含碳材料以去除水分和濕氣的干燥部。干燥部可擁有輸送設(shè)備，例如輸送機(jī)或帶，以輸送干燥的材料至煅燒部，在煅燒部中可煅燒干燥的進(jìn)料。
[0055]煅燒部可進(jìn)一步包括輸送組件以輸送熱煤灰至氯化部。氯化部可包括為了氯化，優(yōu)選選擇性氯化，和最優(yōu)選選擇性碳氯化而構(gòu)建和配置的反應(yīng)室。例如，反應(yīng)室可包括適合的入口，以使干燥的含碳材料如干燥的煤、天然氣或油與氯源如氯和來自煅燒部的熱固體產(chǎn)品組合。此外，反應(yīng)室可包括用于氣體如氮?dú)獾娜肟?。氯化部用于由熱固體產(chǎn)品形成金屬氯化物，然后將金屬氯化物輸送或轉(zhuǎn)移至分離部。氯化部的壓力可高于在分離部第一階段分級(jí)冷凝/蒸餾單元中的壓力。
[0056]干燥部、煅燒部和氯化部可包括足以得到干燥、煅燒和氯化的任何設(shè)備。此種設(shè)備可為固定床或流化床結(jié)構(gòu)，并可包括各種流動(dòng)介質(zhì)例如惰性氣體如氮?dú)饣蚩諝夂蜔煔狻?br>[0057]分離部可包括將固體從液體分離和將固體從氣體分離的分離器，例如旋風(fēng)分離器，以及將液體從氣體分離的分離器。此外，分離部可包括對(duì)于各期望的金屬氯化物產(chǎn)品的至少一種分級(jí)冷凝/蒸餾單元，其中不同物理性質(zhì)的氣態(tài)金屬氯化物可有效地分離。為了進(jìn)一步加工和處理，分離部可進(jìn)一步包括輸送已分離金屬氯化物的輸送設(shè)備，例如所述方法和設(shè)備可以包括金屬生產(chǎn)系統(tǒng)，該金屬生產(chǎn)系統(tǒng)包含反應(yīng)室，在該反應(yīng)室中，金屬可通過例如電解工藝或通過使用還原劑如堿金屬和堿土金屬，由獲得的金屬氯化物產(chǎn)生。分離部可包括用于實(shí)現(xiàn)分離的任意設(shè)備，且優(yōu)選包括至少一種用于分離氣態(tài)金屬氯化物的分級(jí)冷凝/蒸飽單元，且優(yōu)選多個(gè)冷凝/蒸飽單元。
[0058]此外，基于以上擴(kuò)展，可將含金屬氧化物材料干燥至其變?yōu)檫m合燃燒的足夠程度。材料的干燥可用于除去游離水例如在材料中的水分和濕氣。優(yōu)選干燥的材料，以避免在工藝中任何非常不期望的蒸氣產(chǎn)生。優(yōu)選地，在裝入煅燒爐之前，在材料中不包含游離水。然而，基于含金屬氧化物材料的總重量，范圍在O至10重量％之間的游離水是可接受的，不會(huì)對(duì)工藝造成損害，例如由于不必要的水氣產(chǎn)生導(dǎo)致熱的過度浪費(fèi)。優(yōu)選連續(xù)干燥直至廢料沒有水分、濕氣或非結(jié)合水。
[0059]將干燥的材料輸送至煅燒爐，在煅燒爐中，將其在1450至1750° F之間，優(yōu)選在1500至1600° F之間，最優(yōu)選在1550至1570° F之間的溫度下煅燒。煅燒是將材料加熱至一高溫而不導(dǎo)致材料熔合，餾出揮發(fā)性成分或?qū)е伦兓绶鬯榈淖饔没蚬に?。非可燃材料可包括具有多種化學(xué)式例如MgAl2 (S14)3的各種鋁硅酸鹽。這種非可燃材料的煅燒通過破壞鋁娃酸鹽(alumosiIicate)骨架中的鍵和導(dǎo)致鋁娃酸鹽分解為氧化鋁、氧化鎂和二氧化硅造成結(jié)構(gòu)中的變化。煅燒材料用作用于該工藝的中間材料。
[0060]可將煅燒在氧化氣氛如空氣和/或再循環(huán)的煙氣中進(jìn)行。存在于含金屬氧化物材料中的可燃材料可在氧化氣氛中燃燒，從而提供能夠用于該工藝的熱。例如，當(dāng)使用煤礦廢料時(shí)，在煅燒期間的燃燒可通過存在于含金屬氧化物材料的焓提供燃料。因此，例如，碳材料如存在于煤礦廢料中的殘余煤可作為熱源。如果要求，可添加可燃材料的補(bǔ)充源例如煤、天然氣或油等。
[0061]燃燒之后，將熱固體產(chǎn)品輸送至氯化室，在氯化室中，利用氯化，優(yōu)選選擇性氯化和更優(yōu)選選擇性碳氯化形成金屬氯化物?？蓪峁腆w產(chǎn)品與氯化劑，優(yōu)選干燥的氯化劑混入口 O
[0062]此外，氯源例如氯氣可由來自金屬車間的再循環(huán)工藝供給。例如，氯氣可由來自金屬車間和/或來自氯貯存單元的再循環(huán)工藝供給。還原劑可由干燥器供給。在要求選擇性氯化的情況下，可控制加入的還原劑量和氯量，以產(chǎn)生金屬氧化物的氯化。測(cè)量的量可通過分析方法確定，以給出存在于含金屬氧化物材料中的金屬氧化物的含量，例如存在與煤礦廢料中或煤灰中的金屬氧化物的重量百分比。然后，可計(jì)算還原劑和氯的測(cè)量量以滿足如此處所示的對(duì)于鋁、鐵和鈦的化學(xué)反應(yīng)式。
[0063]A1203+3C12+3C — 2A1C13+3C0
[0064]A1203+3C12+1.5C — 2A1C13+1.5C02
[0065]Fe203+3C12+3C — 2FeCl3+3C0
[0066]Fe203+3C12+1.5C — 2FeCl3+l.5C02
[0067]Ti02+2C12+2C — TiCl4+2C0
[0068]Ti02+2C12+C — TiCl4+C02
[0069]限定氯和還原劑的量以及省略催化劑如含硫化合物，例如硫化氫，可避免氧化硅的氯化。因此，可將不期望的副產(chǎn)品的形成最小化。選擇性氯化之后，可將主要包含氧化硅的未氯化的剩余物與形成的金屬氯化物分離，該金屬氯化物以液態(tài)熔體形式存在，例如NaCl或MgCl2，或以氣體形式存在，例如AlCl3、FeCl3。在工藝中形成的一氧化碳可再循環(huán)，以進(jìn)一步燃燒為二氧化碳。例如，可使用基于金屬氧化物成分的氯的化學(xué)計(jì)量量。而且，可將基于金屬氧化物成分達(dá)到約10重量％、優(yōu)選達(dá)到約5重量％、更優(yōu)選達(dá)到約2重量％、最優(yōu)選在0.1至2重量％之間過量的氯直接導(dǎo)入氯化器中，以實(shí)現(xiàn)金屬氯化物的最大產(chǎn)率。此夕卜，可使用達(dá)到約10重量％、優(yōu)選在約5至約10重量％之間、最優(yōu)選在約7重量％至約10重量％之間的過量的還原劑，基于金屬氧化物成分。
[0070]氯化之后，將固體從氣體和如果存在的液體中分離，并將氣體和如果存在的液體進(jìn)行分離技術(shù)處理。優(yōu)選地，將金屬氯化物的氣體混合物使用分級(jí)冷凝/蒸餾分離。
[0071]例如，氣態(tài)金屬氯化物可直接導(dǎo)入分離部，在分離部中，氣體通過在升高的壓力下逐漸冷卻而分級(jí)冷凝和蒸餾。將在分離部中的壓力升高，范圍從大氣壓(?14.7psig)至80psig、優(yōu)選在20psig至70psig之間、最優(yōu)選在40至60psig之間。在升高的壓力下，將氣體分級(jí)冷卻，導(dǎo)致一種金屬氯化物接著另一種金屬氯化物冷凝和蒸餾。冷凝和蒸餾溫度依賴于升高的壓力，并可處于100° F至1000° F之間的任何位置。然而，不限定所述方法和所述工藝的范圍，如果升高的壓力選擇在50p