Wytapianie aluminium

Point Henry smelter in Australia
Przegląd huty Point Henry, obsługiwanej przez Alcoa World Alumina and Chemicals w Australii
Straumsvik aluminum smelter in Iceland
Huta aluminium Straumsvik, obsługiwana przez Rio Tinto Alcan w Islandii.

Wytapianie aluminium to proces ekstrakcji aluminium z jego tlenku, tlenku glinu , zazwyczaj w procesie Halla-Héroulta . Tlenek glinu jest wydobywany z rudy boksytu w procesie Bayera w rafinerii tlenku glinu .

Jest to proces elektrolityczny , więc huta aluminium zużywa ogromne ilości energii elektrycznej; huty są zazwyczaj zlokalizowane w pobliżu dużych elektrowni, często hydroelektrycznych , w celu ograniczenia kosztów i ogólnego śladu węglowego . Huty często znajdują się w pobliżu portów, ponieważ wiele hut wykorzystuje importowany tlenek glinu.

Układ huty aluminium

Proces elektrolizy Halla-Héroulta jest główną drogą produkcji aluminium pierwotnego. Ogniwo elektrolityczne jest wykonane ze stalowej skorupy z szeregiem okładzin izolacyjnych z materiałów ogniotrwałych. Ogniwo składa się z wyłożonej cegłą zewnętrznej stalowej skorupy pełniącej rolę pojemnika i podpory. Wewnątrz skorupy bloki katody są ze sobą sklejane za pomocą pasty ubijającej. Górna okładzina styka się z roztopionym metalem i działa jak katoda. Stopiony elektrolit jest utrzymywany w wysokiej temperaturze wewnątrz ogniwa. Wstępnie wypalona anoda jest również wykonana z węgla w postaci dużych spiekanych bloków zawieszonych w elektrolicie. Jako anodę stosuje się pojedynczą elektrodę Soderberga lub szereg wstępnie wypalonych bloków węglowych, podczas gdy główny skład i podstawowe reakcje zachodzące na ich powierzchni są takie same.

Huta aluminium składa się z dużej liczby ogniw (garnków), w których zachodzi elektroliza. Typowa huta zawiera od 300 do 720 garnków, z których każdy produkuje około tony aluminium dziennie, chociaż największe proponowane huty mają nawet pięciokrotnie większą wydajność. Wytapianie jest prowadzone jako proces okresowy, w którym metaliczne aluminium osadza się na dnie garnków i okresowo jest odsysane. Szczególnie w Australii huty te są wykorzystywane do kontrolowania zapotrzebowania sieci elektrycznej, w wyniku czego energia jest dostarczana do huty po bardzo niskiej cenie. Jednak zasilanie nie może być przerywane na dłużej niż 4–5 godzin, ponieważ garnki muszą być naprawiane ze znacznymi kosztami, jeśli ciekły metal zestala się.

Zasada

Aluminium jest wytwarzane przez elektrolityczną redukcję tlenku glinu rozpuszczonego w stopionym kriolicie .

W tym samym czasie elektroda węglowa jest utleniana, początkowo do tlenku węgla

Chociaż tworzenie się tlenku węgla (CO) jest termodynamicznie faworyzowane w temperaturze reakcji, obecność znacznego przepięcia (różnica między potencjałami odwracalnymi i polaryzacyjnymi) zmienia równowagę termodynamiczną i powstaje mieszanina CO i CO2 . Zatem wyidealizowane reakcje ogólne można zapisać jako

Zwiększając gęstość prądu do 1 A/cm 2 , zwiększa się udział CO 2 i zmniejsza się zużycie węgla.

Ponieważ do wytworzenia każdego atomu aluminium potrzebne są trzy elektrony, proces ten pochłania dużą ilość energii elektrycznej. Z tego powodu huty aluminium są zlokalizowane w pobliżu źródeł niedrogiej energii elektrycznej, takich jak elektrownie wodne .

Składniki komórki

Elektrolit: Elektrolit to stopiona kąpiel z kriolitu (Na 3 AlF 6 ) i rozpuszczonego tlenku glinu. Cryolite jest dobrym rozpuszczalnikiem tlenku glinu o niskiej temperaturze topnienia, zadowalającej lepkości i niskiej prężności par. Jego gęstość jest również mniejsza niż ciekłego aluminium (2 vs 2,3 g/cm 3 ), co pozwala na naturalne oddzielenie produktu od soli na dnie elektrolizera. Stosunek kriolitu (NaF/AlF 3 ) w czystym kriolicie wynosi 3, o temperaturze topnienia 1010 ° C i tworzy eutektyk z 11% tlenku glinu w temperaturze 960 ° C. W ogniwach przemysłowych stosunek kriolitu utrzymuje się między 2 a 3, aby obniżyć jego temperaturę topnienia do 940–980 ° C.

Katoda: Katody węglowe są zasadniczo wykonane z antracytu, grafitu i koksu naftowego, które są kalcynowane w temperaturze około 1200 °C oraz kruszone i przesiewane przed użyciem w produkcji katod. Kruszywa są mieszane ze smołą węglową, formowane i wypalane. Czystość węgla nie jest tak rygorystyczna jak w przypadku anody, ponieważ zanieczyszczenie metalem z katody nie jest znaczące. Katoda węglowa musi mieć odpowiednią wytrzymałość, dobrą przewodność elektryczną oraz wysoką odporność na zużycie i penetrację sodu. Katody antracytowe mają wyższą odporność na zużycie i wolniejsze pełzanie przy mniejszej amplitudzie [15] niż katody grafitowe i grafityzowane z koksu naftowego. Zamiast tego gęste katody o większym uporządkowaniu grafitowym mają wyższą przewodność elektryczną, mniejsze zużycie energii [14] i mniejsze pęcznienie z powodu penetracji sodu. Pęcznienie powoduje wczesne i nierównomierne niszczenie bloków katodowych.

Anoda: Anody węglowe mają specyficzną sytuację w wytapianiu aluminium iw zależności od rodzaju anody wytapianie aluminium dzieli się na dwie różne technologie; Anody „Soderberga” i „wstępnie spiekane”. Anody wykonuje się również z koksu naftowego, zmieszanego ze smołą węglową, a następnie formując i wypalając w podwyższonej temperaturze. Jakość anody ma wpływ na aspekty technologiczne, ekonomiczne i środowiskowe produkcji aluminium. Efektywność energetyczna jest związana z naturą materiałów anodowych, a także porowatością wypalanych anod. Około 10% mocy ogniwa jest zużywane do pokonania oporu elektrycznego wstępnie wypalonej anody (50–60 μΩm). Węgiel jest zużywany w większym stopniu niż wartość teoretyczna ze względu na niską wydajność prądową i zużycie nieelektrolityczne. Niejednorodna jakość anody wynikająca z różnic w surowcach i parametrach produkcji również wpływa na jej wydajność i stabilność ogniwa.

Wstępnie wypalone zużywalne anody węglowe dzielą się na grafityzowane i koksowe. Do produkcji anod grafityzowanych kalcynuje się i klasyfikuje antracyt i koks naftowy. Następnie są mieszane ze smołą węglową i prasowane. Wytłoczona zielona anoda jest następnie wypalana w temperaturze 1200°C i grafityzowana. Anody koksowe są wykonane z kalcynowanego koksu naftowego, recyklingowanych niedopałków anodowych i smoły węglowej (spoiwa). Anody wytwarzane są poprzez zmieszanie kruszywa z pakiem węglowym w celu uzyskania pasty o konsystencji ciasta. Materiał ten jest najczęściej zagęszczany wibro, ale w niektórych zakładach jest prasowany. Zielona anoda jest następnie spiekana w temperaturze 1100-1200 °C przez 300-400 godzin, bez grafityzacji, w celu zwiększenia wytrzymałości poprzez rozkład i karbonizację spoiwa. Wyższe temperatury wypalania zwiększają właściwości mechaniczne i przewodność cieplną oraz zmniejszają reaktywność powietrza i CO2 . Właściwy opór elektryczny anod typu koksowego jest wyższy niż anod grafityzowanych, ale mają one większą wytrzymałość na ściskanie i mniejszą porowatość.

Elektrody Soderberga (wypalanie in-situ), użyte po raz pierwszy w 1923 roku w Norwegii, składają się ze stalowej skorupy i masy węglowej, która jest spiekana przez ciepło uciekające z elektrolizy. Materiały na bazie węgla firmy Soderberg, takie jak koks i antracyt, są kruszone, poddawane obróbce cieplnej i klasyfikowane. Te kruszywa są mieszane ze smołą lub olejem jako spoiwem, brykietowane i ładowane do skorupy. Temperatura wzrasta od dołu do góry kolumny, a wypalanie na miejscu ma miejsce, gdy anoda jest opuszczana do kąpieli. Podczas wypalania wydzielają się znaczne ilości węglowodorów, co jest wadą tego typu elektrod. Większość nowoczesnych hut stosuje anody wstępnie wypalone, ponieważ kontrola procesu jest łatwiejsza i uzyskuje się nieco lepszą efektywność energetyczną w porównaniu z anodami Soderberga.

Zagadnienia środowiskowe hut aluminium

Proces ten wytwarza pewną ilość odpadów fluorkowych : perfluorowęglowodory i fluorowodór w postaci gazów oraz fluorki sodu i glinu oraz niewykorzystany kriolit w postaci cząstek stałych. Może to być zaledwie 0,5 kg na tonę aluminium w najlepszych zakładach w 2007 r., do 4 kg na tonę aluminium w starszych projektach w 1974 r. O ile nie jest dokładnie kontrolowany, fluorowodór jest bardzo toksyczny dla roślinności wokół roślin. Gazy perfluorowęglowodorowe są silnymi gazami cieplarnianymi o długiej żywotności.

Proces Soderberga, który polega na wypalaniu mieszanki antracytu i smoły w miarę zużywania się anody, powoduje znaczne emisje wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w miarę zużywania się smoły w piecu do wytapiania.

Wyściółki garnków zostają zanieczyszczone materiałami tworzącymi cyjanki; Firma Alcoa dysponuje procesem przetwarzania zużytych okładzin na fluorek glinu do ponownego wykorzystania oraz piasek syntetyczny nadający się do celów budowlanych i odpady obojętne.

Trwają prace badawcze mające na celu opracowanie obojętnej anody w celu zmniejszenia wpływu wytopu aluminium na środowisko. Alcoa i Rio Tinto utworzyły spółkę joint venture Elysis w celu komercjalizacji opracowanej przez firmę Alcoa technologii anody obojętnej. Obojętna anoda to materiał cermetalowy, metaliczna dyspersja stopu miedzi w ceramicznej osnowie z ferrytu niklu.

Zużycie energii

Wytapianie aluminium jest bardzo energochłonne, aw niektórych krajach jest opłacalne tylko wtedy, gdy istnieją niedrogie źródła energii elektrycznej. W niektórych krajach huty otrzymują wyjątki od polityki energetycznej, takiej jak cele w zakresie energii odnawialnej .

Przykładowe huty aluminium

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Aluminium_smelting&oldid=1115766314 ”