Boksiidist alumiiniumoksiidini: Bayeri protsess
Primaarne alumiinium valmistatakse kahes erinevas etapis: boksiidi rafineerimine alumiiniumoksiidiks ja selle alumiiniumoksiidi redutseerimine metalliks. Ligikaudu neli kuni viis tonni boksiidist saadakse umbes kaks tonni alumiiniumoksiidi, mis omakorda annab ühe tonni primaarset alumiiniumi. Rafineerimisetapp on Bayeri protsess, leeliseline meetod, mis kasutab alumiiniumhüdroksiidi lahustuvust kuumas seebikivis.
Seedimine:purustatud boksiit lagundatakse naatriumhüdroksiidi lahuses 140-300 kraadi juures ligikaudu 35 atm rõhu all, nii et alumiiniumoksiidid lahustuvad naatriumaluminaadina, samas kui ränidioksiid ja raud jäävad lahustumatuks jäägiks.
Täpsustus:settimine ja filtreerimine selitamismahutites eraldavad tiine vedeliku peenest, raua{0}}rikkast jäägist, mida nimetatakse punaseks mudaks.
Sademed:vedelik jahutatakse ja külvatakse alumiiniumhüdroksiidi kristallidega, mis kasvavad ja settivad lahusest välja.
Kaltsineerimine:pöördahjud kaltsineerivad hüdroksiidi umbes 1100 kraadi juures, et saada sulatuskvaliteediga alumiiniumoksiidi, tavaliselt 99,5% Al2O3.
Rafineerimistehaste majanduses domineerivad seebikivi ja energiatarbimine ning teise etapi stabiilseks toimimiseks tuleb alumiiniumoksiidi klassi rangelt kontrollida.
Hall{0}}Héroult elektrolüüs: vähendamise samm
Metallist alumiiniumi toodetakse Hall{0}}Héroult'i protsessiga, mille käigus alumiiniumoksiid lahustatakse sula krüoliidi-põhises elektrolüüdis (Na₃AlF₆ alumiiniumfluoriidi ja kaltsiumfluoriidi lisanditega) umbes 940-965 kraadi juures. Alalisvool läheb tarbitavatelt süsiniku anoodidelt läbi vanni süsinikuga vooderdatud katoodile. Alumiiniumoksiidi redutseeritakse elektrokeemiliselt, sula alumiinium koguneb raku põhja ja sifoonitakse välja ning süsinikanoodid oksüdeeritakse süsinikdioksiidiks.
Üldine raku reaktsioon on 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. Kaasaegsed redutseerimiselemendid töötavad 93–95% vooluefektiivsusega ja automaatsed punktsööturid hoiavad alumiiniumoksiidi kontsentratsiooni vannis ligikaudu 2–4%, nii et reaktsioon püsib stabiilsena ja anoodiefekte välditakse.
Energia- ja materjalitarbimise võrdlusalused
Sulatamine on{0}}elektrimahukas äri ning tarbimine on suurim kulu- ja heitkoguste hoob. Kaasaegsete redutseerimisliinide soovituslikud arvud:
| Parameeter | Tüüpiline väärtus |
|---|---|
| Alumiiniumoksiidi tarbimine | 1.90 - 1.95 t alumiiniumi tonni kohta |
| Süsinikanoodi tarbimine | 0.40 - 0.45 t alumiiniumi tonni kohta |
| Elektritarbimine | 12.5 - 15 MWh alumiiniumi tonni kohta |
| Parim-oma-spetsiifiline energia | 12.3 - 13.0 kWh/kg, saavutatakse optimeeritud siini ja magnetvälja kompensatsiooniga |
| Keskmine energiaintensiivsus Hiinas | umbes 13 500 kWh tonni kohta |
| Raku töötemperatuur | 940 - 965 kraadi |
| Praegune efektiivsus | 93 - 95% |
| Inertsete anoodide arendusrakud | umbes 15 kWh kg kohta, ilma et anoodil süsihappegaasi tekiks |
Jääksoojuse taaskasutamine elementide heitgaasist ja pottgaasist on peamine järelejäänud tõhususe võimalus ning taaskasutatud soojust kasutatakse üha enam kaugkütteks ning alumiiniumoksiidi või anoodi tooraine eelsoojendamiseks. Piluanoodide ja dünaamilise pinge juhtimisega ehitatud liinid asuvad tarbimisvahemiku alumises otsas, samas kui vanemad elemendid võivad ületada 15 kWh kilogrammi kohta.
Anoodiefektid ja PFC emissioonid
Kui alumiiniumoksiidi kontsentratsioon vannis langeb alla umbes 1,5%, ei suuda element normaalset elektrolüüsi säilitada ja pinge tõuseb järsult, sageli üle 8 V. Anoodil tekivad anoodil fluorosüsivesinikgaasid, peamiselt tetrafluorometaan ja heksafluoroetaan, mis toimub süsiniku, näiteks Al₆F4-vanni külgreaktsioonis krüoliitF4-ga. + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.
Perfluorosüsivesinikud on äärmiselt tugevad kasvuhoonegaasid: 100-aastase horisondi jooksul on tetrafluorometaani globaalset soojenemist põhjustav potentsiaal ligikaudu 6600–7400 ja heksafluoroetaan ligikaudu 11 100–12 200 korda suurem kui kasutatud süsinikdioksiidi oma. Automaatne alumiiniumoksiidi söötmine, elemendi pinge jälgimine ja arvutijuhtimine on vähendanud anoodiefekti sagedust alla 0,1 sündmuse raku kohta päevas hästi juhitavates tehastes ning alumiiniumi sulatamisel tekkivad ülemaailmsed PFC-heitmed on alates 1990. aastast vähenenud umbes 85%.
Punane muda: mahud, riskid ja kasutamine
Boksiidijäägid ehk punane muda on alumiiniumoksiidi rafineerimise peamine tahke jäätmevoog. Ülemaailmne tootmine on hinnanguliselt umbes 180 miljonit tonni aastas ja jääk on tugevalt leeliseline, pH on tavaliselt vahemikus 10–13 ja naatriumhüdroksiidi jääk on 2–6%, seega tuleb ladustada nii, et vältida lekkeid ja tolmu.
Kuivvirnastamine on muutunud eelistatud majandamisviisiks, kuna see vähendab ladustamisruumi ligikaudu poole võrra ja vähendab tammi katastroofilise purunemise ohtu, mis on seotud märgade basseinidega. Kasutamine on endiselt piiratud, kuid laieneb mitmel viisil: raua, titaani ja haruldaste muldmetallide elementide taaskasutamine, 8–12% punase muda kasutamine ränidioksiidi ja alumiiniumoksiidi allikana geopolümeeri- ja tsemendisegudes ning happega leostumine seebikivi taastamiseks ja jääkide neutraliseerimiseks.
Korduma kippuvad küsimused
K: Mis vahe on boksiidil, alumiiniumoksiidil ja alumiiniumil?
Boksiit on kaevandatud maak, alumiiniumoksiid (alumiiniumoksiid) on sellest eraldatud rafineeritud vaheühend ja alumiinium on metall, mis tekib alumiiniumoksiidi redutseerimisel elektrolüütilises rakus.
K: Miks on alumiiniumi sulatamine nii energiamahukas?
Alumiinium-hapnikuside alumiiniumoksiidis on väga tugev, nii et selle purustamine nõuab suurt pidevat alalisvoolu. Ka parimad elemendid vajavad rohkem kui 12 kWh elektrit kilogrammi metalli kohta, mistõttu ehitatakse sulatuskodasid sinna, kus võimsus on odav ja kindel.
K: Mis temperatuuril reduktsioonikamber töötab?
Krüoliit{0}}põhine elektrolüüt sulab ligikaudu 950 kraadi juures ja rakud töötavad tavaliselt vahemikus 940–965 kraadi, mis on piisavalt kõrge, et hoida vanni sulas, kuid piisavalt madal, et piirata fluoriidikadusid ja energiakasutust.
K: Miks on anoodiefektid olulised?
Nad raiskavad energiat, häirivad rakkude tööd ja tekitavad perfluorosüsivesinikke, millel on väga kõrge globaalse soojenemise potentsiaal. Automaatne söötmine ja pinge juhtimine hoiavad efekte harva ning efektide sagedus on sulatustehase standardne töönäitaja.
K: Kui palju punast muda toodetakse ühe tonni metalli kohta?
Boksiidi jääkide teke sõltub maagi klassist, kuid üldiselt jääb see vahemikku üks kuni kaks tonni kuiva jääki ühe tonni toodetud alumiiniumoksiidi kohta, seega on jääkide käitlemine esmatootmise peamine keskkonnakulu.
K: Kas sekundaarne alumiinium asendab primaarset metalli?
Taaskasutatud alumiinium nõuab vaid väikese osa esmaseks sulatamiseks vajalikust energiast ja seda saab korduvalt ümber sulatada, kaotamata oma olulisi omadusi, kuigi sulamite sorteerimine piirab sekundaarse metalli kasutamist nõudlikes rakendustes.
