От боксит до двуалуминиев оксид: процесът на Байер
Първичният алуминий се произвежда на два отделни етапа: рафиниране на боксит до алуминиев оксид и редуциране на този алуминиев оксид до метал. Приблизително четири до пет тона боксит дават около два тона двуалуминиев оксид, който на свой ред произвежда един тон първичен алуминий. Етапът на рафиниране е процесът на Байер, алкален път, който използва разтворимостта на алуминиевия хидроксид в гореща сода каустик.
Храносмилане:натрошеният боксит се усвоява в разтвор на натриев хидроксид при 140-300 градуса под налягане от около 35 atm, така че алуминиевите оксиди се разтварят като натриев алуминат, докато силициевият диоксид и желязото остават като неразтворим остатък.
Уточнение:утаяването и филтрирането в резервоарите за избистряне отделят обогатената течност от финия, богат на желязо- остатък, известен като червена кал.
Валежи:течността се охлажда и се посява с кристали алуминиев хидроксид, които растат и се утаяват от разтвора.
Калциниране:въртящите се пещи калцинират хидроксида при около 1100 градуса, за да се получи алуминиев оксид-качество за топене, обикновено 99,5% Al₂O₃.
Икономиката на рафинерията е доминирана от сода каустик и консумация на енергия, а степента на алуминиев оксид трябва да бъде строго контролирана, за да може вторият етап да работи стабилно.
Хол-Електролиза на Еру: Стъпката на редукция
Металният алуминий се произвежда чрез процеса на Hall-Héroult, при който алуминиевият оксид се разтваря в разтопен електролит на базата на криолит- (Na₃AlF₆ с добавки от алуминиев флуорид и калциев флуорид) при около 940-965 градуса. Правият ток преминава от консумативни въглеродни аноди през ваната към облицован с въглерод катод. Двуалуминиевият оксид се редуцира електрохимично, стопеният алуминий се събира на дъното на клетката и се изцежда, а въглеродните аноди се окисляват до въглероден диоксид.
Общата клетъчна реакция е 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. Съвременните редуциращи клетки работят при 93-95% токова ефективност, а автоматичните точкови захранващи устройства поддържат концентрацията на алуминиев оксид във ваната при приблизително 2-4%, така че реакцията да остане стабилна и да се избегнат анодните ефекти.
Показатели за консумация на енергия и материали
Топенето е електро{0}}интензивен бизнес и потреблението е най-големият лост за разходи и емисии. Примерни цифри за съвременни редукционни линии:
| Параметър | Типична стойност |
|---|---|
| Консумация на алуминий | 1.90 - 1.95 t на тон алуминий |
| Консумация на въглероден анод | 0.40 - 0.45 t на тон алуминий |
| Консумация на електроенергия | 12.5 - 15 MWh на тон алуминий |
| Най-добра-в-класа специфична енергия | 12.3 - 13.0 kWh на kg, постигнато с оптимизирана шина и компенсация на магнитното поле |
| Средна енергийна интензивност в Китай | около 13 500 kWh на тон |
| Работна температура на клетката | 940 - 965 степен |
| Текуща ефективност | 93 - 95% |
| Инертни анодни клетки за развитие | около 15 kWh на kg, без въглероден диоксид, генериран на анода |
Възстановяването на отпадъчната топлина от отработените газове в клетката и газовете от котлона е основната оставаща възможност за ефективност, а възстановената топлина все повече се използва за централно отопление и за предварително нагряване на алуминиев оксид или анодни суровини. Линиите, изградени с прорезни аноди и динамичен контрол на напрежението, се намират в долния край на диапазона на потребление, докато по-старите клетки могат да надхвърлят 15 kWh на kg.
Анодни ефекти и PFC емисии
Ако концентрацията на алуминиев оксид във ваната падне под приблизително 1,5%, клетката не може да поддържа нормална електролиза и напрежението се покачва рязко, често над 8 V. По време на тези анодни ефекти се образуват флуоровъглеродни газове на анода, главно тетрафлуорометан и хексафлуороетан, чрез странична реакция на криолитната вана с въглерод, например 4Na₃AlF₆ + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.
Перфлуоровъглеродите са изключително мощни парникови газове: над 100-годишен хоризонт тетрафлуорометанът носи потенциал за глобално затопляне от приблизително 6600-7400, а хексафлуороетанът е приблизително 11100-12200 пъти по-голям от този на въглеродния диоксид, в зависимост от използвания доклад за оценка. Автоматичното подаване на алуминиев оксид, наблюдението на напрежението на клетките и компютърното управление намалиха честотата на анодния ефект до под 0,1 събития на клетка на ден в добре работещи инсталации, а докладваните глобални емисии на PFC от топенето на алуминий са намалели с около 85% от 1990 г. насам.
Червена кал: обеми, рискове и използване
Остатъкът от боксит или червена кал е основният поток от твърди отпадъци от рафинирането на двуалуминиев оксид. Глобалното генериране се оценява на около 180 милиона тона годишно, а остатъкът е силно алкален, с рН обикновено между 10 и 13 и 2-6% остатъчен натриев хидроксид, така че съхранението трябва да бъде проектирано така, че да предотвратява изтичане и прах.
Сухото подреждане се е превърнало в предпочитан начин за управление, тъй като намалява отпечатъка за съхранение приблизително наполовина и премахва риска от катастрофално разрушаване на язовир, свързан с мокри водоеми. Използването остава ограничено, но се разширява по няколко начина: възстановяване на желязо, титан и редкоземни елементи, използване на 8-12% червена кал като източник на силициев диоксид и алуминиев оксид в геополимерни и циментови смеси и киселинно излугване за възстановяване на сода каустик и неутрализиране на остатъка.
Често задавани въпроси
Въпрос: Каква е разликата между боксит, алуминиев оксид и алуминий?
Бокситът е добитата руда, алуминиевият оксид (алуминиев оксид) е рафинираният междинен продукт, извлечен от него, а алуминият е металът, който се получава, когато алуминиевият оксид се редуцира в електролитна клетка.
Въпрос: Защо топенето на алуминий е толкова енергоемко?
Алуминиево-кислородната връзка в двуалуминиевия оксид е много силна, така че прекъсването й изисква голям непрекъснат постоянен ток. Дори най-добрите клетки се нуждаят от повече от 12 kWh електроенергия на килограм метал, поради което топилните пещи се изграждат там, където енергията е евтина и стабилна.
Въпрос: При каква температура работи редукционната клетка?
Базираният на криолит- електролит се топи при температура близо до 950 градуса, а клетките обикновено работят между 940 и 965 градуса, което е достатъчно високо, за да поддържа банята разтопено, но достатъчно ниско, за да ограничи загубите на флуорид и потреблението на енергия.
Въпрос: Защо анодните ефекти имат значение?
Те хабят енергия, нарушават работата на клетките и генерират перфлуоровъглероди с много висок потенциал за глобално затопляне. Автоматичното захранване и контрол на напрежението поддържат ефектите редки, а честотата на ефектите е стандартен показател за ефективност за топилна фабрика.
Въпрос: Колко червена кал се произвежда на тон метал?
Образуването на бокситни остатъци зависи от качеството на рудата, но обикновено е в диапазона от един до два тона сух остатък на тон произведен двуалуминиев оксид, така че управлението на остатъците е основен екологичен разход на първичното производство.
В: Вторичният алуминий заместител ли е на първичния метал?
Рециклираният алуминий изисква само малка част от енергията, необходима за първично топене, и може да се претопява многократно, без да губи основните си свойства, въпреки че сортирането на сплавта ограничава колко вторичен метал може да се използва при взискателни приложения.
