NO20141486A1

NO20141486A1 - Energieffektiv integrert fremgangsmåte for fremstilling av metaller eller legeringer

Info

Publication number: NO20141486A1
Application number: NO20141486A
Authority: NO
Inventors: Håvard Ingvald Moe
Original assignee: Elkem As
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-10
Also published as: CA2968494A1; US10392678B2; CN107002169A; US20170356064A1; RU2017123940A; AR102928A1; RU2017123940A3; BR112017010077A2; WO2016093704A1; RU2699339C2; BR112017010077B1; CA2968494C; CN114686631A

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en energieffektiv fremgangsmåte for fremstilling av metaller og legeringer, og nærmere bestemt en energieffektiv fremgangsmåte for fremstilling av silisium og ferrosilisium.

Bakgrunnsteknikk

Et antall metaller og legeringer fremstilles ved karbotermisk reduksjon i elektriske smelteovner. Eksempler på slike metaller og legeringer er silisium og ferrosilisium, ferromangan, ferronikkel, ferrokrom, ferrofosfor, ferrovanadium og råjern. Disse fremgangsmåtene krever store mengder elektrisk energi for å redusere malmen til metaller og legeringer. I de fleste land blir elektrisiteten som forbrukes i smelteovnene, hovedsakelig produsert ved forbrenning av fossile karbonmaterialer som resulterer i høye CCh-utslipp.

Reduksjonsmaterialene brukt i ovennevnte prosesser er fossilt kull, koks, trekull og treflis. I reduksjonsprosessen vil hoveddelen av karbonet i disse reduksjonsmaterialene reagere med metalloksidene i malmen, men en mindre fraksjon reagerer direkte med omgivende luft. Begge reaksjoner avgir CO2. Bruken av fossile karbonmaterialer som koks og fossilt kull som er de aktuelle mest fremtredende kildene til reduksjonsmaterialer, resulterer i en netto økning i atmosfærisk CCVkonsentrasjon. Imidlertid kan CO2frigjort fra biomaterialkilder som trekull og treflis anses som karbonnøytrale dersom utslippet balanseres av vekst av nye biomaterialer som binder en lik andel CO2. Befolkningsøkning og global oppvarming legger press på det globale samfunnet til å øke ressurseffektiviteten og redusere CCh-utslippene.

For øyeblikket foregår trekullfremstilling ved langsom pyrolyse eller karbonisering i typisk enkle tørkeovner eller retorter med ikke-sofistikert utforming. Pyrolyseanlegget befinner seg vanligvis langt borte fra anleggene for karbotermisk fremstilling av metaller og legeringer. I tillegg er ikke trekullfremstilling veldig energieffektivt og gir store utslipp av skadelige partikler og PAH- (polysyklisk aromatisk hydrokarbon-) holdige gasser på grunn av delvis eller ufullstendig forbrenning. I tillegg gjør ikke den brede distribusjonen av små trekullfremstillingssteder det økonomisk levedyktig å rense avgasser fra trekulltørkeovnene.

Det er kjent å gjenvinne energi fra avgasser fra elektriske smelteovner for metaller og legeringer. Mengden energi som kan gjenvinnes ved hjelp av nåværende energi gjenvinningssystemer, er imidlertid begrenset. For en konvensjonell karbotermisk silisiumovn vil for eksempel mengden elektrisk energi som kan gjenvinnes i et energigjenvinningssystem, være i området 10-35 % av den elektriske energien tilført til ovnen.

Det er derfor et behov for å forbedre energieffektiviteten til de karbotermiske reduksjonsprosessene for fremstilling av metall og legeringer og samtidig redusere CO2-utstlipp fra fossile karbonreduksjonsmaterialer.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Ved hjelp av den foreliggende oppfinnelsen er det funnet at ved å kombinere trekullfremstilling med reaktoren for karbotermisk reduksjon av metaller og legeringer, og å bruke trekull som minst en betydelig del av reduksjonsmaterialet som tilføres til den karbotermiske reaktoren, og å transportere avgassene fra trekullpyrolysen og avgassene fra reaktoren for karbotermisk reduksjon til et energigjenvinningstrinn, er det mulig å gjenvinne energi i form av damp, varm væske eller elektrisk energi i en mengde som er i det vesentlige høyere enn det som oppnås ved konvensjonelle energi gjenvinningssystemer med karbotermiske reaktorer. Når det brukes bare trekull som reduksjonsmateriale i kombinasjon med lukket karbotermisk reaktor for silisiumfremstilling er det for eksempel mulig å gjenvinne mer energi enn den elektriske energien som tilføres til den karbotermiske reaktoren.

I tillegg, vil CCVutslipp fra fossile karbonreduksjonsmaterialer reduseres direkte proporsjonalt med fraksjonen av kull brukt i den karbotermiske reaktoren.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer således en fremgangsmåte for energieffektiv fremstilling av metaller og legeringer ved karbotermisk reduksjon av mineraler og malmer i elektriske reduksjonsreaktorer, der fremgangsmåten omfatter minst følgende trinn: - å transportere et treholdig materiale til minst ett pyrolysetrinn for å fremstille trekull; - å transportere det fremstilte trekullet, eventuelle andre karbonholdige reduksjonsmaterialer og metallholdige råmaterialer til den minst ene elektriske reduksjonsreaktoren for å fremstille metall eller legering; - å transportere avgass fra det minst ene pyrolysetrinnet og avgass fra den minst ene reaktoren til minst ett energigjenvinningstrinn.

Ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen omfatter energigjenvinningstrinnet minst et forbrenningskammer og en varmeveksler. Varmeveksleren genererer damp eller varmer et væskevarmemedium. I denne utførelsesformen vil energien produsert i energi gjenvinningstrinnet være damp eller varm væske som kan brukes direkte som varmemedium.

Ifølge en andre utførelsesform av oppfinnelsen omfatter energi gjenvinningstrinnet i tillegg en dampturbin og en elektrisk generator, hvori dampen produsert i varmeveksleren tilføres til dampturbinen og den elektriske generatoren. Den elektriske energien som produseres i den elektriske generatoren, brukes til å tilføre minst en del av den elektriske energien til den elektriske reduksjonsgeneratoren eller til å levere den produserte elektriske energien til gitteret.

Ifølge en tredje utførelsesform av oppfinnelsen omfatter energi gjenvinningstrinnet et kraftgenereringssystem med gassturbin med kombinert syklus bestående av to trinn der det produseres elektrisk energi, et gassturbin-/elektrisk generatortrinn og et dampturbin-/elektrisk generatortrinn. Den elektriske energien som produseres i den elektriske generatoren, brukes til å tilføre hele eller minst en vesentlig del av den elektriske energien til den elektriske reduksjonsreaktoren eller til å levere den produserte elektriske energien til gitteret.

Den elektriske reduksjonsreaktoren kan være en konvensjonell elektrisk reduksjonsovn utstyrt med karbonelektroder for tilførsel av elektrisk strøm for å tilveiebringe tilstrekkelig varmeenergi til reaktoren.

Den elektriske reduksjonsreaktoren kan være en åpen reaktor der avgassene fra reaktoren reageres med omgivende luft. CO-innholdet av gasser i reaktoren vil slik reageres til CO2.

Alternativt kan den elektriske reduksjonsreaktoren være en lukket eller tett reaktor, og i dette tilfellet vil CO i avgassene fra reaktoren forbrennes i forbrenningskammeret eller brukes som brensel i gassturbinen i energi gjenvinningstrinnet. Energigjenvinningen vil slik være høyere når det brukes en lukket karbotermisk reaktor enn når det brukes en åpen karbotermisk reaktor. En lukket reaktor vil også redusere kostnadene ved CO2-oppsamling fra energigjenvinningsavgassene.

Varmeenergien som gjenvinnes ved hjelp av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen, kan enten brukes direkte for å tilveiebringe varmeenergi i form av damp eller varm væske, slik som varmt vann, til industrielle eller samfunnsformål. Alternativt kan varmeenergien som gjenvinnes ved hjelp av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen, omdannes til elektrisk energien for å resirkuleres til den elektriske reduksjonsreaktoren eller leveres til gitteret.

Sammenlignet med tradisjonell trekullfremstilling i enkle tørkeovner eller retorter med ikke-sofistikert utforming vil oppfinnelsen gi reduserte utslipp av skadelige partikler og PAH på grunn av mer fullstendig forbrenning av avgassene fra pyrolysen.

Disse og andre trekk, fordeler og gevinster og formål vil fremgå for fagmannen ved grundig vurdering av den detaljerte beskrivelsen av representative utførelsesformer av oppfinnelsen nedenfor og de medfølgende tegningene, i hvilke lignende elementer er angitt i de ulike tegningene ved bruk av samme henvisningstall.

Kort beskrivelse av tegningene

Utførelsesformer av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med henvisning til de følgende tegningene, hvori

Fig. 1 illustrerer grunnprinsippene til den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 2 illustrerer en første utførelsesform av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 3 illustrerer en andre utførelsesform av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 4 illustrerer en tredje utførelsesform av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 5 illustrerer en fjerde utførelsesform av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Som angitt over kan den foreliggende oppfinnelsen anvendes for karbotermisk fremstilling av et hvilket som helst egnet metall eller legering.

For enkelthets skyld vil oppfinnelsen illustreres nedenfor med vekt på fremstilling av silisium og silisiumlegering som eksempel.

Figur 1 illustrerer grunnprinsippene ved oppfinnelsen i et Sankey-diagram. Pilene i Sankey-diagrammet representerer energistrømmen i systemet, fra tørt tre til elektrisk energi.

Tørt tre tilføres i pyrolysereaktoren for omdanning til trekull, bioolje og pyrolysegass. Trekullet tilføres til en lukket silisiumreaktor. I tillegg tilføres kvarts og elektrisk energi til silisiumreaktoren. I silisiumreaktoren reduseres kvartsen til smeltet silisium ved hjelp av trekullet, og det fremstilte silisiumet tappes fra silisiumreaktoren. Avgassene fra silisiumreaktoren kombineres med avgassene fra pyrolyseprosessen. I tillegg kan kondenserbare produkter fra pyrolyseprosessen, inkludert bioolje, forbrennes for å øke energi gjenvinningen. Energien i den kombinerte strømmen av avgasser og flyktige stoffer gjenvinnes og kan brukes til damp, varm væske eller elektrisk energi produksjon.

Sammenlignet med konvensjonelle energigj envinningssystemer med karbotermiske reaktorer er mengden og verdien av den gjenvunnede energien vesentlig høyere på grunn av: • Utnytting av den totale mengden energi som er tilgjengelig i gass- og de væskebestanddelene i den totale verdikjeden fra tre til metall eller legeringer, med mer enn 100 % økning i den totale mengden sammenlignet med konvensj onelle energigj envinningssystemer. • Potensielt høyere verdi av den produserte dampen og/eller varmemediet på grunn av muligheten til å tilveiebringe damp og/eller varmemedium ved høyere temperaturer og trykk. • Når det gjelder produksjon av elektrisk energi, kan netto virkningsgrad på mer enn 50 % oppnås sammenlignet med konvensjonelle

energigj envinningssystemer som har virkningsgrader på under 30 %.

Figur 2 illustrerer én utførelsesform av oppfinnelsen med en lukket elektrisk silisiumreaktor. Vått tre tilføres til en trebehandlingsreaktor 10.1 trebehandlingsreaktoren 10 tørkes treet og tilføres deretter til en pyrolysereaktor 11 for fremstilling av trekull. I pyrolysereaktoren 11 omdannes det tørre treet til trekull, bioolje og pyrolysegass. Trekullet tilføres til den lukkede silisiumreaktoren 12.1 tillegg tilføres kvarts og elektrisk energi til silisiumreaktoren 12.1 silisiumreaktoren 12 vil det videre være karbonforbruk fra karbonelektrodene. I silisiumreaktoren 12 reduseres kvartsen til smeltet silisium ved hjelp av trekullet. Det fremstilte smeltede silisiumet tappes fra silisiumreaktoren 12. Avgassen fra silisiumreaktoren 12 tilføres til en første gassprosesseringsreaktor 13, der faste partikler hovedsakelig bestående av silikapartikler fjernes fra avgassen. Gassen som forlater den første gassprosesseringsreaktoren, tilføres til et energigjenvinningsanlegg 15. Pyrolysegassen som forlater pyrolysereaktoren 11, sendes til en andre gassprosesseringsreaktor 14, der pyrolysegassen separeres til bioolje og syntesegass.

Gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 13 og syntesegassen fra den andre gassprosesseringsreaktoren 14 sendes til et gassturbin- og generatorsystem i energigj envinningsanl egget 15, der gassen forbrennes for å produsere elektrisk energi. Varmebærende eksos fra gassturbinen sendes til et forbrenningskammer der varmeinnholdet i gasstrømmen økes ved innsprøyting og forbrenning av bioolje fra den andre gassprosesseringseaktoren 14. Den varmebærende gassen som forlater gassforbrenningskammeret, tilføres til en varmeveksler for produksjon av damp. Dampen kan tilføres til en dampturbin og en elektrisk generator for å produsere elektrisk energi. En del av dampen eller den varme væsken produsert i energigj envinningsanl egget 15 kan brukes i trebehandlingsreaktoren 10 og i pyrolysereaktoren 11. Figur 3 illustrerer en annen utførelsesform av oppfinnelsen med en lukket silisiumreaktor. 100 % av reduksjonsmaterialet til den lukkede silisiumreaktoren 22 er trekull tilført fra pyrolysereaktoren 21. Råmaterialet som tilføres til silisiumreaktoren 22 i tillegg til trekull, er kvarts. Forskjellen mellom fremgangsmåten ifølge utførelsesformen vist i figur 2 og utførelsesformen vist i figur 3 er at biooljen fremstilt i gassprosesseringsenheten 24 gjenvinnes og raffineres og selges som høyverdiprodukter. Ettersom biooljen gjenvinnes og ikke tilføres til forbrenningskammeret for å øke varmen fra avgassene, vil energigjenvinningen være lavere enn i utførelsesformen vist i figur 2. Gassen fra gassprosesseringsenheten 24 og gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 23 sendes til et kraftgenereringssystem med gassturbin med kombinert syklus i energigj envinningsanl egget, der gassene brukes som brensel til gassturbin-/elektrisk generatotrrinnet, og eksosen fra gassturbinen tilføres til en varmeveksler for å produsere damp eller varm væske. Dampen kan tilføres til en dampturbin og en elektrisk generator for å produsere elektrisk energi.

Figur 4 illustrerer en utførelsesform av oppfinnelsen med en åpen silisiumreaktor.

100 % av reduksjonsmaterialet til den åpne silisiumreaktoren 32 er trekull tilført fra en pyrolysereaktor 31. Råmaterialet som tilføres til silisiumreaktoren 32 i tillegg til trekull, er kvarts. Vått tre tilføres til en trebehandlingsreaktor 30.1 reaktoren 30 tørkes treet. Fra reaktoren 30 tilføres tørt tre til en pyrolysereaktor 31 for fremstilling av trekull. Trekullet tilføres til den åpne silisiumreaktoren 32.1 tillegg tilføres kvarts og elektrisk energi til silisiumreaktoren 32.1 silisiumreaktoren 32 reduseres kvartsen til silisium ved hjelp av trekullet. Avgassen fra silisiumreaktoren 32 tilføres til en første gassprosesseringsreaktor 33. Silikapartikler kan filtreres og fjernes i dette trinnet eller senere etter at gassen har passert varmeveksleren i energigjenvinningsanlegget 35. Pyrolysegassen som forlater pyrolysereaktoren 31, sendes til en andre gassprosesseringsreaktor 34, der pyrolysegassen separeres til bioolje og syntesegass. Gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 33 og syntesegassen og biooljen fra den andre gassprosesseringsreaktoren 34 sendes til gassforbrenningskamre i energigj envinningsanlegget 35, der gassene forbrennes og tilføres til en varmeveksler for å produsere damp. Dampen tilføres til en dampturbin og en elektrisk generator for å produsere elektrisk energi. En del av den anvendbare varmen produsert i energigj envinningsanlegget 35 kan brukes i trebehandlingsreaktoren 30 og i pyrolysereaktoren 31.

Figur 5 illustrerer en annen utførelsesform av oppfinnelsen med en åpen silisiumreaktor.

50 % av reduksjonsmaterialet til silisiumreaktoren 42 er trekull, og 50% av reduksjonsmaterialet er fossilt kull. Råmaterialet som tilføres til den åpne silisiumreaktoren 42 i tillegg til trekull og fossilt kull, er kvarts. Vått tre tilføres til en trebehandlingsreaktor 40.1 reaktoren 40 tørkes treet ved å bruke anvendbar varme fra et energigj envinningsanl egg 45. Fra reaktoren 40 tilføres tørt tre til en pyrolysereaktor 41 for fremstilling av trekull. I pyrolysereaktoren 41 omdannes det tørre treet til trekull og pyrolysegass. Trekullet tilføres til den åpne silisiumreaktoren 42.1 tillegg tilføres fossilt kull til denne reaktoren 42. Også kvarts og elektrisk energi tilføres til silisiumreaktoren 42.1 silisiumreaktoren 42 reduseres kvartsen til silisium ved hjelp av trekullet og det fossile kullet. Avgassen fra silisiumreaktoren tilføres til en første gassprosesseringsreaktor 43. Silikapartikler kan filtreres og fjernes i dette trinnet eller senere etter at gassen har passert varmeveksleren i energigj envinningsanlegget 45. Pyrolysegassen som forlater pyrolysereaktoren 41, sendes til en andre gassprosesseringsreaktor 44, der pyrolysegassen separeres til bioolje og syntesegass. Gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 43 og syntesegassen og biooljen fra den andre gassprosesseringsreaktoren 44 sendes til gassforbrenningskamre i energigj envinningsanlegget 45, der gassene forbrennes i et forbrenningskammer og tilføres til en varmeveksler for å produsere damp eller varm væske. Dampen kan tilføres til en dampturbin og en elektrisk generator for å produsere elektrisk energi. En del av den anvendbare varmen produsert i energigj envinningsanlegget kan brukes i trebehandlingsreaktoren 40 og i pyrolysereaktoren 41.

I én utførelsesform av oppfinnelsen blir tremateriale, foretrukket i form av treflis, tørket og tilført til en pyrolysereaktor, hvori trematerialet reageres til trekull, som sendes inn i en silisium-/silisiumlegeringsreaktor som inneholder reaktanter i form av kvarts, legeringer etc. I denne reaktoren fungerer trekullet som reduktant i den karbotermiske reaksjonen til råmaterialene og silisiumet eller silisiumlegeringen fremstilles. Avgassen/silikaen fra silisium-/silisiumlegeringsreaktoren sendes inn i en avgassprosesseringsenhet, hvori silika separeres, og de gassaktige bestanddelene sendes inn i en energigjenvinningsenhet sammen med pyrolysegassen og bioolje fra pyrolysereaktoren for produksjon av damp, varm væske eller elektrisk energi. Energigj envinningsenheten omfatter minst et forbrenningskammer og en varmeveksler for produksjon av damp eller varm væske.

I en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen sendes pyrolysegassen og biooljen fra pyrolysereaktoren til en gass-/oljeprosesseringsenhet, hvori syngass og bioolje separeres. Biooljen raffineres eventuelt til ulike produkter eller rutes separat til energigj envinningsenheten for forbrenning. Syngassen går inn i energigj envinningsenheten for produksjon av elektrisk kraft og/eller distribuert varme. Avgassen og silikaen fra silisium-/silisiumlegeringsreaktoren sendes til en avgassprosesseringsenhet, hvori silika separeres, og de gassaktige bestanddelene sendes til energigj envinningsenheten for produksjon av elektrisk kraft og/eller distribuert varme.

Ifølge en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen brukes den elektriske energien produsert i energigj envinningsenheten til å tilføre minst en del av den elektriske strømmen til den elektriske reduksjonsreaktoren.

Ifølge annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen brukes en del av den produserte energien i energigj envinningsenheten som varmekilde i trepyrolysereaktoren.

Ifølge en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er silisium-/silisiumlegeringsreaktoren en åpen silisiumreaktor.

Ifølge en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen er silisium-/silisiumlegeringsreaktoren en lukket silisiumreaktor.

En lukket reaktor vil ha miljømessige fordeler. Én fordel med en lukket reaktor er at CO-gass som er til stede i avgassen, kan forbrennes i energigj envinningstrinnet. I en åpen reaktor kan bare merkbar varme gjenvinnes.

Den foreliggende oppfinnelsen kan brukes for fremstilling av ulike metaller eller legeringer. Eksempler på slike metaller og legeringer er silisium og ferrosilisium, ferromangan, ferronikkel, ferrokrom, ferrofosfor, ferrovanadium og råjern. Ifølge den foreliggende oppfinnelsen brukes fremgangsmåten foretrukket til fremstilling av silisium og ferrosilisium.

Med den foreliggende oppfinnelsen er det mulig å oppnå en energieffektiv fremgangsmåte ved å gjenvinne energi og redusere CCVutslipp fra fossile karbonmaterialer betraktelig og gjør det også mulig å samle opp CCVet.

Ved hjelp av den foreliggende oppfinnelsen vil utslipp av skadelige partikler og PAH fra trekullpyrolysen reduseres betydelig sammenlignet med tradisjonell trekullproduksjon i enkle tørkeovner eller retorter med ikke-sofistikert utforming.

Eksempler

Følgende eksempler beskriver den foreliggende oppfinnelsen for fremstilling av silisium i en elektrisk 10 MW kontinuerlig drevet reaktor med 3-delte elektroder av forbrent karbon. I alle eksemplene er minst en størstedel av reduksjonsmaterialet trekull tilført fra en pyrolysereaktor som befinner seg på samme sted som silisiumreaktoren.

Eksempel 1

I dette eksempelet tilføres 100 % av reduksjonsmaterialet til silisiumreaktoren trekull fra pyrolysereaktoren. Silisiumreaktoren er lukket og drevet med et Si-utbytte på 95 %. Råmaterialet som tilføres til silisiumreaktoren i tillegg til trekull, er kvarts. I beskrivelsen nedenfor av eksempel 1 henvises det til figur 2.

Vått tre, slik som norsk gran, tilføres til en trebehandlingsreaktor 10 med en materate på 9,7 tonn/h. Det tilførte våte treet har et totalt energiinnhold på 27,9 MWh/h. I trebehandlingsreaktoren 10 tørkes treet ved å bruke en tilgjengelig varmekilde fra et energigj envinningsanl egg som vil bli beskrevet senere. Fra tørkereaktoren 10 tilføres 5 tonn/h tørt tre til en pyrolysereaktor 11 for fremstilling av trekull. Den totale energien i det tørre treet er 28,1 MWh/h.

I pyrolysereaktoren 11 omdannes det tørre treet til trekull, bioolje og pyrolysegass. 1,3 tonn trekull med et totalt energiinnhold på 10,4 MWh/h fremstilles i pyrolysereaktoren II sammen med 3,8 tonn/h pyrolysegass og bioolje. Trekullet tilføres til den lukkede silisiumreaktoren 12.1 tillegg tilføres kvarts og 10.0 MWh/h elektrisk energi til silisiumreaktoren 12.1 silisiumreaktoren 12 vil det videre være et forbruk på 80 kg/h karbon fra karbonelektrodene, noe som tilveiebringer ytterligere 0,7 MWh/h til prosessen.

I silisiumreaktoren 12 reduseres kvartsen til silisium ved hjelp av trekullet. Silisiumutbyttet i reaktoren 12 er 95 %, noe som betyr at 95 % av kvartsen omdannes til silisium. Fra ovnen tappes det 1 tonn/h flytende silisium med et totalt energiinnhold på 10 MWh/h og en avgass bestående hovedsakelig av CO-gass og silikapartikler. Avgassen fra reaktoren er på ca. 2,6 tonn/h med et totalt energiinnhold på 10 MWh/h.

Avgassen fra silisiumreaktoren 12 tilføres til en første gassprosesseringsreaktor 13, der faste partikler hovedsakelig bestående av silikapartikler fjernes fra avgassen. Gassen som forlater den første gassprosesseringsreaktoren 13, er på 2,5 tonn/h med et totalt energiinnhold på 9,2 MWh/h. Denne gassen tilføres til et energigj envinningsanl egg 15 som vil bli beskrevet senere.

Pyrolysegassen som forlater pyrolysereaktoren 11, sendes til en andre gassprosesseringsreaktor 14, der pyrolysegassen separeres til bioolje og syntesegass. Utmålingen fra den andre gassprosesseringsreaktoren 14 er på 2,1 tonn/h syntesegass med et totalt energiinnhold på 7,2 MHh/h og 1,8 tonn/h bioolje med et totalt energiinnhold på 8,6 MWh/h.

Gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 13 og syntesegassen og biooljen fra den andre gassprosesseringsreaktoren 14 sendes til energigj envinningsanlegget omfattende et kraftgenereringssystem med gassturbin med kombinert syklus. Gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 13 og syntesegassen fra den andre gassprosesseringsreaktoren 14 er brukes som brensel for gassturbin-/elektrisk generatortrinnet i energigj envinningsanlegget 15. Eksosen fra gassturbinen og bioolje fra den andre gassprosesseringsreaktoren 14 sendes til gassforbrenningskamre i energigj envinningsanlegget 15, der gassene forbrennes og tilføres til en varmeveksler for å produsere damp. Gassen sendes til en gassturbin og en elektrisk generator for å produsere elektrisk energi. I energigj envinningsanlegget 15 produseres 11,5 MWh/h elektrisitet og 3,6 MWh/h anvendbar varme. Slik gjenvinnes enn 100 % av den elektriske energien som tilføres til silisiumreaktoren. En del av den anvendbare varmen brukes i trebehandlingsreaktoren 10 og i pyrolysereaktoren 11.

Dette eksempelet viser at ved hjelp av den foreliggende oppfinnelsen kan, når det brukes 100 % trekull og lukket silisiumreaktor, mer elektrisitet gjenvinnes enn elektrisiteten tilført til silisiumreaktoren. I tillegg vil det praktisk talt ikke være utslipp av CO2fra fossilt brensel, bortsett fra en liten mengde fra forbruket fra karbonelektroder i silisiumreaktoren 12. Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen er slik energjnøytral når det brukes 100 % trekull og lukket silisiumreaktor.

Eksempel 2

I dette eksempelet er 100 % av reduksjonsmaterialet til silisiumreaktoren trekull tilført fra pyrolysereaktoren. Silisiumreaktoren er lukket og drevet med et Si-utbytte på 95 %. Råmaterialet som tilføres til silisiumreaktoren i tillegg til trekull, er kvarts. I beskrivelsen nedenfor av eksempel 2 henvises det til figur 3.

Forskjellen mellom fremgangsmåten ifølge dette eksempelet og eksempel 1 er at biooljen fremstilt i gassprosesseringsenheten 24 gjenvinnes og raffineres og selges som høyverdiprodukter. 1,7 tonn/h bioolje med et energiinnhold på 8,2 MWh/h sendes til raffineringstrinnet. Alle de andre prosesstrømmene er til stede i de samme mengdene og med det samme energiinnholdet som i eksempel 1.

Syntesegassutmatingen fra gassprosesseringsenheten 24 er på 2,1 tonn/h med et totalt energiinnhold på 7,2 MWh/h. Syntesegassen fra gassprosesseringsreaktoren 24 og gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 23 sendes til et kraftgenereringssystem med gassturbin med kombinert syklus i energigj envinningsanlegget 25, der gassenergjen omdannes til elektrisitet i en to-trinns prosess. I energigj envinningsanlegget 25 produseres 8,5 MWh/h elektrisitet og 2,7 MWh/h anvendbar varme.

Eksempelet viser at når det brukes 100 % trekull og en lukket silisiumreaktor og ved å gjenvinne biooljen for raffinering, kan fortsatt 87 % av elektrisiteten som tilføres til silisiumreaktoren, gjenvinnes. I tillegg vil det praktisk talt ikke være utslipp av CO2fra fossilt brensel, bortsett fra en liten mengde fra forbruket fra karbonelektroder i silisiumreaktoren. Fremgangsmåten som utføres ifølge dette eksempelet, er derfor svært energieffektivt.

Eksempel 3

I dette eksempelet er 100 % av reduksjonsmaterialet til en silisiumreaktor trekull tilført fra en pyrolysereaktor. Silisiumreaktoren er åpen og drevet med et Si-utbytte på 87 %. Råmaterialet som tilføres til silisiumreaktoren i tillegg til trekull, er kvarts. I beskrivelsen nedenfor av eksempel 3 henvises det til figur 4.

Vått tre, slik som norsk gran, tilføres til en trebehandlingsreaktor 30 med en materate på 9,4 tonn/h. Det tilførte våte treet har et totalt energiinnhold på 27,1 MWh/h. I reaktoren 30 tørkes treet ved å bruke anvendbar varme fra et energigj envinningsanl egg, noe som vil bli beskrevet senere. Fra reaktoren 30 tilføres 4,9 tonn/h tørt tre til en pyrolysereaktor 31 for fremstilling av trekull. Den totale energien til det tørre treet er 27,3 er MWh/h. I pyrolysereaktoren 31 omdannes det tørre treet til trekull og pyrolysegass. 1,3 tonn/h trekull med et totalt energiinnhold på 10,1 MWh/h fremstilles i pyrolysereaktoren 31 sammen med 3,6 tonn/h pyrolysegass. Trekullet tilføres til den lukkede silisiumreaktoren 32.1 tillegg tilføres kvarts og 10.8 MWh/h elektrisk energi til silisiumreaktoren 32.1 ovnen vil det videre være et forbruk på 86 kg/h karbon fra karbonelektrodene som tilveiebringer ytterligere 0,8 MWh/h til prosessen.

I silisiumreaktoren 32 reduseres kvartsen til silisium ved hjelp av trekullet. Silisiumutbyttet i reaktoren 32 er 87 %, noe som betyr at 87 % av silisiumet i kvartsen omdannes til silisium. Fra silisiumreaktoren 32 tappes 0,9 tonn/h flytende silisium med et totalt energiinnhold på 8,9 MWh/h. Ettersom silisiumreaktoren 32 er åpen vil avgasser fra silisiumreaktoren 32 forbrennes av omgivende luft, og CO-innholdet i avgassen vil forbrennes til CO2. Avgassen består av gassholdige bestanddeler inkludert CO2og silikapartikler. Reaktorens avgass er på ca. 81 tonn/h og har et totalt energiinnhold på 10,7 MWh/h.

Avgassen fra silisiumreaktoren 32 tilføres til en første gassprosesseringsreaktor 33, der faste partikler hovedsakelig bestående av silikapartikler fjernes fra avgassen. Gassen som forlater den første gassprosesseringsreaktoren 33, er på 80,8 tonn/h og har et totalt energiinnhold på 10,6 MW/h. Denne gassen tilføres til et energigj envinningsanl egg 35 som vil bli beskrevet senere.

Pyrolysegassen som forlater pyrolysereaktoren 31, sendes til en andre gassprosesseringsreaktor 34, der pyrolysegassen separeres til bioolje og syntesegass. Utmålingen fra den andre gassprosesseringsreaktoren 34 er på 2,0 tonn/h syntesegass med et totalt energiinnhold på 7,0 MHh/h og 1,6 tonn/h bioolje med et totalt energiinnhold på 8,0 MWh/h.

Gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 33 og syntesegassen og bioolje fra den andre gassprosesseringsreaktoren 34 sendes til gassforbrenningskamre i energigj envinningsanlegget 35, der begge gassene og bioolje forbrennes og tilføres til en varmeveksler for å produsere damp. Dampen tilføres til en dampturbin og en elektrisk generator for å produsere elektrisitet. I energigj envinningsanlegget 35 produseres 7,4 MWh/h elektrisk energi og 5,1 MWh/h anvendbar varme. En del av den anvendbare varmen brukes i trebehandlingsreaktoren 30 og i pyrolysereaktoren 31. Silikapartikler filtreres og separeres fra avgasstrømmen fra varmeveksleren.

Dette eksempelet viser at ved å bruke 100 % trekull og en åpen silisiumreaktor, kan

74 % av den elektriske energien som tilføres til silisiumreaktoren 32, gjenvinnes. Slik tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen en svært energieffektiv fremgangsmåte selv når det brukes en åpen reaktor.

Eksempel 4

I dette eksempelet er 50 % av reduksjonsmaterialet til silisiumreaktoren trekull, og 50% av reduksjonsmaterialet er fossilt kull. Reaktoren er åpen og drevet med et Si-utbytte på 86 %.

Råmaterialet som tilføres til silisiumreaktoren i tillegg til trekull og fossilt kull, er kvarts. I beskrivelsen nedenfor av eksempel 4 henvises det til figur 5.

Vått tre, slik som norsk gran, tilføres til en trebehandlingsreaktor 40 med en materate på 4,7 tonn/h. Det tilførte våte treet har et totalt energiinnhold på 13,4 MW/h. I reaktoren 40 tørkes treet ved å bruke anvendbar varme fra et energigj envinningsanl egg som vil bli beskrevet senere. Fra reaktoren 40 tilføres 2,4 tonn/h tørt tre til en pyrolysereaktor 41 for fremstilling av trekull. Den totale energien i det tørre treet er 13,5 er MWh/h.

I pyrolysereaktoren 41 omdannes det tørre treet til trekull og pyrolysegass. 0,6 tonn/h trekull med et totalt energiinnhold på 5,0 MWh/h fremstilles i pyrolysereaktoren 41 sammen med 1,8 tonn/h pyrolysegass. Trekullet tilføres til den åpne silisiumreaktoren 42.1 tillegg tilføres 0,6 tonn/h fossilt kull til denne reaktoren. Det totale energiinnholdet i det fossile kullet er 5,0 MWh/h. Også kvarts og 10,0 MWh/h elektrisk energi tilføres til silisiumreaktoren 42.1 ovnen vil det være forbruk på 87 kg/h fra karbonelektrodene som vil tilveiebringe ytterligere 0,8 MWh/h til prosessen.

I silisiumreaktoren 42 reduseres kvartsen til silisium ved hjelp av trekullet og det fossile kullet. Silisiumutbyttet i reaktoren 42 er 86 %, noe som betyr at 86 % av silisiumet i kvartsen omdannes til silisium. Fra reaktoren tappes det 0,9 tonn/h flytende silisium med et totalt energiinnhold på 8,8 MWh/h, sammen med en avgass bestående av gassholdige bestanddeler inkludert CCvgass og silikapartikler. Ettersom silisiumreaktoren 42 er åpen vil avgasser fra silisiumreaktoren 42 forbrennes av omgivende luft, og CO-innhold i avgassen vil forbrennes til CO2. Avgassen fra silisiumreaktoren 42 er på ca. 81,1 tonn/h og har et totalt energiinnhold på 11,3 MWh/h.

Avgassen fra silisiumreaktoren 42 tilføres til en første gassprosesseringsreaktor 43, der faste partikler hovedsakelig bestående av silikapartikler fjernes fra avgassen. Gassen som forlater den første gassprosesseringsreaktoren 43, er på 81,1 tonn/h og har et totalt energiinnhold på 11,2 MW/h. Denne gassen tilføres til et energigj envinningsanl egg 45 som vil bli beskrevet senere.

Pyrolysegassen som forlater pyrolysereaktoren 41, sendes til en andre gassprosesseringsreaktor 44, der pyrolysegassen separeres til bioolje og syntesegass. Utmålingen fra den andre gassprosesseringsreaktoren 44 er på 1,0 tonn/h syntesegass med et totalt energiinnhold på 3,5 MHh/h og 0,8 tonn/h bioolje med et totalt energiinnhold på 3,9 MWh/h.

Gassen fra den første gassprosesseringsreaktoren 43 og syntesegassen og bioolje fra den andre gassprosesseringsreaktoren 44 sendes til gassforbrenningskamre i energigj envinningsanlegget 45, der gassene forbrennes og tilføres til en varmeveksler for å produsere damp. Gassen tilføres til en dampturbin og en elektrisk generator for å produsere elektrisk energi. I energigj envinningsanlegget 45, produseres 5,4 MWh/h elektrisitet og 3,7 MWh/h anvendbar varme. En del av den anvendbare varmen brukes i trebehandlingsreaktoren 40 og i pyrolysereaktoren 41. Silikapartikler filtreres og separeres fra avgasstrømmen fra varmeveksleren.

Dette eksempelet viser at ved å bruke 50 % trekull og 50 % fossilt kull i en åpen silisiumreaktor, kan 54 % av den elektriske energien tilført til silisiumreaktoren gjenvinnes. Fremgangsmåten totalt er slik svært energieffektiv. Noe utslipp av CO2vil finne sted på grunn av det fossile kullet brukt i prosessen.

Når de foretrukne utførelsesformene av oppfinnelsen nå er beskrevet vil det være tydelig for fagmannen at andre utførelsesf ormer som inkorporerer konseptene, kan brukes. Disse og andre eksempler ifølge oppfinnelsen illustrert ovenfor, er kun ment som eksempler, og oppfinnelsens faktiske omfang skal bestemmes ut fra de følgende kravene.

Claims

1. Fremgangsmåte for energieffektiv fremstilling av metaller og legeringer ved karbotermisk reduksjon av mineraler og malmer i elektriske reduksjonsreaktorer, der fremgangsmåten omfatter minst følgende trinn: - å transportere et treholdig materiale til minst ett pyrolysetrinn for å fremstille trekull; - å transportere det fremstilte trekullet, eventuelt andre karbonholdige reduksjonsmaterialer og metallholdige råmaterialer til den minst ene reaktoren for å fremstille metall eller legering; - å transportere avgass fra det minst ene pyrolysetrinnet og avgass fra den minst ene reaktoren til det minst ene energigj envinningstrinnet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori energigj envinningstrinnet omfatter minst et forbrenningskammer og en varmeveksler.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvori energigj envinningstrinnet ytterligere omfatter en dampturbin og en elektrisk generator.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori energigj envinningstrinnet omfatter et kraftgenereringssystem med gassturbin med kombinert syklus.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 3 og 4, hvori elektrisk energi produsert i energigj envinningstrinnet brukes til å tilføres minst en del av den elektriske energien til den elektriske reduksjonsreaktoren.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori avgassen fra det minst ene pyrolysetrinnet før energigj envinningstrinnet overføres til et gass- og oljeprosesseringstrinn for å fremstille bioolje og syntesegass.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvori fremstilt syntesegass fra gass- og oljeprosesseringstrinnet overføres til det minst ene energigj envinningstrinnet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvori biooljen fra gass-/ oljeprosesseringstrinnet overføres til et raffineringstrinn.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvori biooljen fra gass- og oljeprosesseringstrinnet overføres til energigj envinningstrinnet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori avgassen fra den minst ene reaktoren før energigj envinningstrinnet overføres til et avgassprosesseringstrinn i hvilket faste partikler ekstraheres fra avgassen.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori avgassen fra det minst ene pyrolysetrinnet før energigj envinningstrinnet overføres til et gass- og oljeprosesseringstrinn for å fremstille syntesegass og/eller bioolje, og avgassen fra den minst ene reaktoren før energigj envinningstrinnet overføres til et avgassprosesseringstrinn i hvilket faste partikler ekstraheres fra avgassen.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori en del av den produserte energien i energigj envinningstrinnet brukes som varmekilde for trepyrolysetrinnet.

13. Fremgangsmåten ifølge krav 1, hvori reaktoren er en åpen reaktor.

14. Fremgangsmåten ifølge krav 1, hvori reaktoren er en lukket reaktor.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori metallet og legeringen omfatter minst én av følgende: silisium, ferrosilisium.