Quá trình luyện nhôm: Từ Bauxite đến sản xuất nhôm sơ cấp

Từ Bauxite đến Alumina: Quy trình của Bayer

Nhôm sơ cấp được chế tạo theo hai giai đoạn riêng biệt: tinh chế bauxite thành alumina và khử alumina đó thành kim loại. Khoảng bốn đến năm tấn bauxite mang lại khoảng hai tấn alumina, từ đó tạo ra một tấn nhôm nguyên chất. Giai đoạn tinh chế là quy trình Bayer, một quy trình kiềm khai thác khả năng hòa tan của nhôm hydroxit trong xút nóng.

Tiêu hóa:Bauxite nghiền được phân hủy trong dung dịch natri hydroxit ở 140-300 độ dưới áp suất khoảng 35 atm, do đó các oxit nhôm hòa tan dưới dạng natri aluminat trong khi silica và sắt vẫn ở dạng cặn không hòa tan.

Làm rõ:Quá trình lắng và lọc trong bể lọc sẽ tách rượu mang thai ra khỏi cặn mịn, giàu sắt{0}}được gọi là bùn đỏ.

Sự kết tủa:rượu được làm lạnh và gieo hạt tinh thể nhôm hydroxit, chúng phát triển và lắng ra khỏi dung dịch.

nung:lò quay nung hydroxit ở nhiệt độ khoảng 1100 độ để tạo ra alumina cấp- cho lò luyện, thường là 99,5% Al₂O₃.

Tính kinh tế của nhà máy lọc dầu bị chi phối bởi xút và mức tiêu thụ năng lượng, và cấp alumina phải được kiểm soát chặt chẽ để giai đoạn thứ hai hoạt động ổn định.

Hall-Điện phân Héroult: Bước khử

Nhôm kim loại được sản xuất theo quy trình Hall{0}}Héroult, trong đó alumina được hòa tan trong chất điện phân gốc cryolite- nóng chảy (Na₃AlF₆ có bổ sung nhôm florua và canxi florua) ở nhiệt độ khoảng 940-965 độ . Dòng điện một chiều đi từ cực dương cacbon tiêu hao qua bể đến cực âm lót cacbon. Alumina bị khử bằng phương pháp điện hóa, nhôm nóng chảy tập trung ở đáy tế bào và được hút ra ngoài, còn cực dương carbon bị oxy hóa thành carbon dioxide.

Phản ứng tổng thể của tế bào là 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. Các tế bào khử hiện đại hoạt động ở hiệu suất dòng điện 93-95% và các thiết bị cấp điểm tự động giữ nồng độ alumina trong bể ở mức khoảng 2-4% để phản ứng duy trì ổn định và tránh các hiệu ứng cực dương.

Tiêu chuẩn tiêu thụ năng lượng và vật liệu

Luyện kim là một ngành kinh doanh sử dụng nhiều điện-và tiêu dùng là đòn bẩy phát thải và chi phí lớn nhất. Số liệu chỉ dẫn cho các dây chuyền giảm hiện đại:

Thu hồi nhiệt thải từ khí thải tế bào và khí nồi là cơ hội hiệu quả chính còn lại và nhiệt thu hồi ngày càng được sử dụng để sưởi ấm khu vực và làm nóng sơ bộ nguyên liệu thô alumina hoặc anode. Các dòng điện được chế tạo với cực dương có rãnh và điều khiển điện áp động nằm ở mức thấp hơn trong phạm vi tiêu thụ, trong khi các tế bào cũ hơn có thể vượt quá 15 kWh mỗi kg.

Hiệu ứng Anode và Phát thải PFC

Nếu nồng độ alumina trong bể giảm xuống dưới khoảng 1,5%, tế bào không thể duy trì quá trình điện phân bình thường và điện áp tăng mạnh, thường trên 8 V. Trong các hiệu ứng cực dương này, khí fluorocarbon hình thành ở cực dương, chủ yếu là tetrafluoromethane và hexafluoroethane, thông qua phản ứng phụ của bể cryolite với carbon, ví dụ 4Na₃AlF₆ + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.

Perfluorocarbon là loại khí nhà kính cực kỳ mạnh: tetrafluoromethane trong hơn 100 năm có khả năng làm nóng lên toàn cầu khoảng 6.600-7.400 và hexafluoroethane gấp khoảng 11.100-12.200 lần so với carbon dioxide, tùy thuộc vào báo cáo đánh giá được sử dụng. Việc nạp alumina tự động, giám sát điện áp tế bào và điều khiển máy tính đã cắt giảm tần số hiệu ứng cực dương xuống dưới 0,1 sự kiện trên mỗi tế bào mỗi ngày ở các nhà máy hoạt động tốt và theo báo cáo, lượng phát thải PFC toàn cầu từ quá trình luyện nhôm đã giảm khoảng 85% kể từ năm 1990.

Bùn đỏ: Khối lượng, rủi ro và việc sử dụng

Cặn bauxit, hay bùn đỏ, là dòng chất thải rắn chính của quá trình tinh chế alumina. Sản lượng toàn cầu ước tính khoảng 180 triệu tấn mỗi năm và cặn có tính kiềm mạnh, với độ pH thường nằm trong khoảng từ 10 đến 13 và 2-6% natri hydroxit dư, do đó việc bảo quản phải được thiết kế để tránh rò rỉ và bụi.

Xếp chồng khô đã trở thành phương pháp quản lý được ưu tiên vì nó làm giảm khoảng một nửa diện tích lưu trữ và loại bỏ nguy cơ vỡ đập thảm khốc liên quan đến việc tích nước ướt. Việc sử dụng vẫn còn hạn chế nhưng đang được mở rộng thông qua một số con đường: thu hồi sắt, titan và các nguyên tố đất hiếm, sử dụng bùn đỏ 8-12% làm nguồn silica và alumina trong hỗn hợp geopolymer và xi măng, và lọc axit để thu hồi xút và trung hòa cặn.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Sự khác biệt giữa bauxite, alumina và nhôm là gì?
Bauxite là quặng được khai thác, alumina (nhôm oxit) là chất trung gian tinh chế được chiết xuất từ ​​nó và nhôm là kim loại được tạo ra khi khử alumina trong một tế bào điện phân.

Hỏi: Tại sao việc luyện nhôm lại tiêu tốn nhiều năng lượng như vậy?
Liên kết oxy-nhôm trong alumina rất mạnh nên để phá vỡ liên kết này cần một dòng điện một chiều lớn liên tục. Ngay cả những tế bào tốt nhất cũng cần hơn 12 kWh điện cho mỗi kg kim loại, đó là lý do tại sao các nhà máy luyện kim được xây dựng ở nơi có nguồn điện rẻ và chắc chắn.

Hỏi: Một tế bào khử hoạt động ở nhiệt độ nào?
Chất điện phân gốc cryolit-nóng chảy ở nhiệt độ gần 950 độ và tế bào thường hoạt động trong khoảng từ 940 đến 965 độ, đủ cao để giữ cho bồn tắm nóng chảy nhưng đủ thấp để hạn chế thất thoát florua và sử dụng năng lượng.

Hỏi: Tại sao hiệu ứng anode lại quan trọng?
Chúng gây lãng phí năng lượng, làm xáo trộn hoạt động của tế bào và tạo ra perfluorocarbon có khả năng làm nóng lên toàn cầu rất cao. Tự động cấp liệu và điều khiển điện áp giúp hiếm khi xảy ra các hiệu ứng và tần suất các hiệu ứng là chỉ số hiệu suất tiêu chuẩn cho một lò luyện kim.

Hỏi: Mỗi tấn kim loại tạo ra bao nhiêu bùn đỏ?
Việc tạo ra cặn bauxite phụ thuộc vào loại quặng nhưng nhìn chung nằm trong khoảng từ một đến hai tấn cặn khô trên mỗi tấn alumina được sản xuất, vì vậy quản lý cặn là chi phí môi trường chủ yếu trong sản xuất sơ cấp.

Hỏi: Nhôm thứ cấp có thể thay thế cho kim loại chính không?
Nhôm tái chế chỉ cần một phần nhỏ năng lượng cần thiết cho quá trình nấu chảy sơ cấp và có thể được nấu chảy lại nhiều lần mà không làm mất đi các đặc tính thiết yếu của nó, mặc dù việc phân loại hợp kim hạn chế lượng kim loại thứ cấp có thể được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.