De la bauxită la alumină: procesul Bayer
Aluminiul primar este fabricat în două etape distincte: rafinarea bauxitei în alumină și reducerea acestei alumini la metal. Aproximativ patru până la cinci tone de bauxită produc aproximativ două tone de alumină, care la rândul lor produc o tonă de aluminiu primar. Etapa de rafinare este procesul Bayer, o cale alcalină care exploatează solubilitatea hidroxidului de aluminiu în soda caustică fierbinte.
Digestie:Bauxita zdrobită este digerată în soluție de hidroxid de sodiu la 140-300 de grade sub o presiune de aproximativ 35 atm, astfel încât oxizii de aluminiu se dizolvă sub formă de aluminat de sodiu, în timp ce siliciul și fierul rămân ca reziduuri insolubile.
Clarificare:sedimentarea și filtrarea în rezervoare de limpezire separă lichidul pregnant de reziduul fin, bogat{0}}fier, cunoscut sub numele de noroi roșu.
Precipitare:lichidul este răcit și însămânțat cu cristale de hidroxid de aluminiu, care cresc și se depun din soluție.
Calcinare:cuptoarele rotative calcinează hidroxidul la aproximativ 1100 de grade pentru a da alumină de topire-, de obicei 99,5% Al₂O₃.
Economia rafinăriei este dominată de soda caustică și consumul de energie, iar gradul de alumină trebuie controlat strâns pentru ca a doua etapă să funcționeze stabil.
Electroliza Hall-Héroult: Etapa de reducere
Aluminiul metalic este produs prin procedeul Hall-Héroult, în care alumina este dizolvată într-un electrolit pe bază de criolit-topit (Na₃AlF₆ cu adaos de fluorură de aluminiu și fluorură de calciu) la aproximativ 940-965 de grade . Curentul continuu trece de la anozii de carbon consumabili prin baie la un catod căptușit cu carbon. Alumina este redusă electrochimic, aluminiul topit se adună pe fundul celulei și este sifonat, iar anozii de carbon sunt oxidați la dioxid de carbon.
Reacția globală a celulei este 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. Celulele de reducere moderne funcționează cu o eficiență curentă de 93-95%, iar alimentatoarele automate de puncte mențin concentrația de alumină în baie la aproximativ 2-4%, astfel încât reacția să rămână stabilă și să fie evitate efectele anodului.
Indicatori de referință privind consumul de energie și materiale
Topirea este o afacere cu energie electrică-intensive, iar consumul este cea mai mare pârghie de cost și de emisii. Cifre orientative pentru liniile de reducere moderne:
| Parametru | Valoare tipică |
|---|---|
| Consumul de alumină | 1.90 - 1.95 t pe tonă de aluminiu |
| Consumul de anod de carbon | 0.40 - 0.45 t pe tonă de aluminiu |
| Consumul de energie electrică | 12.5 - 15 MWh per tonă de aluminiu |
| Cea mai bună energie-din-clasă | 12.3 - 13.0 kWh per kg, obținut cu bare colectoare optimizate și compensare a câmpului magnetic |
| Intensitatea energetică medie în China | aproximativ 13.500 kWh pe tonă |
| Temperatura de funcționare a celulei | 940 - 965 grad |
| Eficiența curentă | 93 - 95% |
| Celule inerte de dezvoltare a anodului | aproximativ 15 kWh per kg, fără dioxid de carbon generat la anod |
Recuperarea căldurii reziduale din evacuarea celulelor și gazele din oală este principala oportunitate de eficiență rămasă, iar căldura recuperată este din ce în ce mai utilizată pentru încălzirea centrală și pentru preîncălzirea aluminei sau a materiilor prime anodice. Liniile construite cu anozi cu fante și controlul dinamic al tensiunii se află la capătul inferior al intervalului de consum, în timp ce celulele mai vechi pot depăși 15 kWh per kg.
Efectele anodului și emisiile de PFC
Dacă concentrația de alumină din baie scade sub aproximativ 1,5%, celula nu poate susține electroliza normală și tensiunea crește brusc, adesea peste 8 V. În timpul acestor efecte anodice, la anod se formează gaze de fluorocarbon, în principal tetrafluormetan și hexafluoretan, printr-o reacție secundară a criolitului, de exemplu, bathul de criolit Na₃₆4 + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.
Perfluorcarburile sunt gaze cu efect de seră extrem de puternice: pe o perioadă de 100-ani, tetrafluormetanul are un potențial de încălzire globală de aproximativ 6.600-7.400, iar hexafluoretanul de aproximativ 11.100-12.200 de ori mai mare decât dioxidul de carbon, în funcție de raportul de evaluare utilizat. Alimentarea automată cu alumină, monitorizarea tensiunii celulelor și controlul computerului au redus frecvența efectului anodului la sub 0,1 evenimente per celulă pe zi în fabrici bine conduse, iar emisiile globale raportate de PFC de la topirea aluminiului au scăzut cu aproximativ 85% din 1990.
Noroi roșu: volume, riscuri și utilizare
Reziduul de bauxită sau noroiul roșu este principalul flux de deșeuri solide din rafinarea aluminei. Producția globală este estimată la aproximativ 180 de milioane de tone pe an, iar reziduul este puternic alcalin, cu pH de obicei între 10 și 13 și hidroxid de sodiu rezidual de 2-6%, așa că depozitarea trebuie concepută pentru a preveni scurgerile și praful.
Stivuirea uscată a devenit calea de management preferată, deoarece reduce amprenta de depozitare cu aproximativ jumătate și elimină riscul de defectare catastrofală a barajului asociat cu bazinele umede. Utilizarea rămâne limitată, dar se extinde prin mai multe căi: recuperarea elementelor de fier, titan și pământuri rare, utilizarea nămolului roșu 8-12% ca sursă de silice și alumină în amestecuri de geopolimeri și ciment și levigare acidă pentru a recupera soda caustică și a neutraliza reziduul.
Întrebări frecvente
Î: Care este diferența dintre bauxită, alumină și aluminiu?
Bauxita este minereul extras, alumina (oxidul de aluminiu) este intermediarul rafinat extras din acesta, iar aluminiul este metalul produs atunci când alumina este redusă într-o celulă electrolitică.
Î: De ce topirea aluminiului consumă atât de mult energie?
Legătura de oxigen-aluminiu din alumină este foarte puternică, așa că ruperea acesteia necesită un curent continuu mare. Chiar și cele mai bune celule au nevoie de mai mult de 12 kWh de energie electrică per kilogram de metal, motiv pentru care se construiesc topitorii acolo unde puterea este ieftină și fermă.
Î: La ce temperatură funcționează o celulă de reducere?
Electrolitul pe bază de criolit-se topește la aproape 950 de grade , iar celulele funcționează în mod normal între 940 și 965 de grade , ceea ce este suficient de ridicat pentru a menține baia topită, dar suficient de scăzut pentru a limita pierderile de fluor și utilizarea energiei.
Î: De ce contează efectele anodului?
Ei risipesc energie, perturbă funcționarea celulelor și generează perfluorocarburi cu potențial foarte mare de încălzire globală. Alimentarea automată și controlul tensiunii mențin efectele rare, iar frecvența efectelor este un indicator standard de performanță pentru o topitorie.
Î: Cât de mult noroi roșu este produs pe tonă de metal?
Generarea de reziduuri de bauxită depinde de gradul de minereu, dar este în general în intervalul de la una până la două tone de reziduu uscat pe tonă de alumină produsă, astfel încât gestionarea reziduurilor este un cost major de mediu al producției primare.
Î: Este aluminiul secundar un înlocuitor pentru metalul primar?
Aluminiul reciclat necesită doar o mică parte din energia necesară pentru topirea primară și poate fi topit în mod repetat fără a-și pierde proprietățile esențiale, deși sortarea aliajelor limitează cât de mult metal secundar poate fi utilizat în aplicații solicitante.
