Od boksytu do tlenku glinu: proces Bayera
Pierwotne aluminium wytwarza się w dwóch odrębnych etapach: rafinacja boksytu w tlenek glinu i redukcja tego tlenku glinu do metalu. Z około czterech do pięciu ton boksytu uzyskuje się około dwóch ton tlenku glinu, z którego powstaje jedna tona pierwotnego aluminium. Etap rafinacji to proces Bayera, metoda alkaliczna, w której wykorzystuje się rozpuszczalność wodorotlenku glinu w gorącej sodzie kaustycznej.
Trawienie:pokruszony boksyt jest trawiony w roztworze wodorotlenku sodu w temperaturze 140-300 stopni pod ciśnieniem około 35 atm, dzięki czemu tlenki glinu rozpuszczają się jako glinian sodu, podczas gdy krzemionka i żelazo pozostają nierozpuszczalną pozostałością.
Wyjaśnienie:sedymentacja i filtracja w zbiornikach klarujących oddzielają ciężarny płyn od drobnej, bogatej w żelazo- pozostałości zwanej czerwonym szlamem.
Osad:ciecz schładza się i zaszczepia kryształami wodorotlenku glinu, które rosną i osiadają z roztworu.
Prażenie:piece obrotowe kalcynują wodorotlenek w temperaturze około 1100 stopni, otrzymując tlenek glinu klasy hutniczej, zazwyczaj 99,5% Al₂O₃.
Ekonomika rafinerii jest zdominowana przez sodę kaustyczną i zużycie energii, a zawartość tlenku glinu musi być ściśle kontrolowana, aby drugi etap działał stabilnie.
Halla-Elektroliza Héroulta: etap redukcji
Metaliczne aluminium produkowane jest w procesie Halla-Héroulta, w którym tlenek glinu rozpuszcza się w stopionym elektrolicie na bazie kriolitu-(Na₃AlF₆ z dodatkami fluorku glinu i fluorku wapnia) w temperaturze około 940-965 stopni. Prąd stały przepływa od zużywalnych anod węglowych przez kąpiel do katody wyłożonej węglem. Tlenek glinu jest redukowany elektrochemicznie, stopione aluminium gromadzi się na dnie ogniwa i jest odsysane, a anody węglowe utleniają się do dwutlenku węgla.
Ogólna reakcja komórkowa to 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. Nowoczesne ogniwa redukcyjne działają przy wydajności prądowej 93-95%, a automatyczne podajniki punktowe utrzymują stężenie tlenku glinu w kąpieli na poziomie około 2-4%, dzięki czemu reakcja pozostaje stabilna i unika się efektu anodowego.
Wartości referencyjne zużycia energii i materiałów
Wytapianie to działalność-intensywnie zużywająca energię elektryczną, a jej zużycie stanowi największą pojedynczą dźwignię kosztów i emisji. Orientacyjne dane dla nowoczesnych linii redukcyjnych:
| Parametr | Typowa wartość |
|---|---|
| Zużycie tlenku glinu | 1.90 - 1.95 t na tonę aluminium |
| Zużycie anody węglowej | 0.40 - 0.45 t na tonę aluminium |
| Zużycie energii elektrycznej | 12.5 - 15 MWh na tonę aluminium |
| Najlepsza-w-klasie energia właściwa | 12.3 - 13.0 kWh na kg, osiągnięte przy zoptymalizowanej kompensacji szyn zbiorczych i pola magnetycznego |
| Średnia energochłonność w Chinach | około 13 500 kWh na tonę |
| Temperatura pracy ogniwa | 940 - 965 stopień |
| Aktualna wydajność | 93 - 95% |
| Ogniwa rozwojowe z obojętną anodą | około 15 kWh na kg, bez wytwarzania dwutlenku węgla na anodzie |
Odzysk ciepła odpadowego ze spalin z ogniwa i gazu garnkowego to główna pozostała możliwość zwiększenia wydajności, a odzyskane ciepło jest coraz częściej wykorzystywane w ciepłownictwie oraz do wstępnego podgrzewania surowców tlenku glinu lub anod. Linie zbudowane z anodami szczelinowymi i dynamiczną kontrolą napięcia znajdują się w dolnej części zakresu zużycia, podczas gdy starsze ogniwa mogą przekraczać 15 kWh na kg.
Efekty anodowe i emisje PFC
Jeśli stężenie tlenku glinu w kąpieli spadnie poniżej około 1,5%, ogniwo nie będzie w stanie wytrzymać normalnej elektrolizy i napięcie gwałtownie wzrośnie, często powyżej 8 V. Podczas tych efektów anodowych na anodzie tworzą się gazy fluorowęglowe, głównie tetrafluorometan i heksafluoroetan, w wyniku reakcji ubocznej kąpieli kriolitowej z węglem, na przykład 4Na₃AlF₆ + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.
Perfluorowęglowodory to niezwykle silne gazy cieplarniane: w perspektywie 100-lat tetrafluorometan ma współczynnik ocieplenia globalnego wynoszący około 6 600–7 400, a heksafluoroetan około 11 100–12 200 razy większy niż dwutlenek węgla, w zależności od zastosowanego raportu z oceny. Zautomatyzowane podawanie tlenku glinu, monitorowanie napięcia ogniwa i sterowanie komputerowe zmniejszyły częstotliwość efektu anodowego do poniżej 0,1 zdarzeń na ogniwo dziennie w dobrze zarządzanych zakładach, a odnotowane globalne emisje PFC z wytapiania aluminium spadły o około 85% od 1990 r.
Czerwone błoto: ilości, ryzyko i wykorzystanie
Pozostałości boksytu, czyli czerwony szlam, są głównym strumieniem odpadów stałych powstałych podczas rafinacji tlenku glinu. Globalną produkcję szacuje się na około 180 milionów ton rocznie, a pozostałość jest silnie zasadowa, o pH zwykle od 10 do 13 i 2-6% resztkowego wodorotlenku sodu, dlatego należy tak zaplanować przechowywanie, aby zapobiec wyciekom i pyle.
Składowanie na sucho stało się preferowaną metodą zarządzania, ponieważ zmniejsza powierzchnię składowania o mniej więcej połowę i eliminuje ryzyko katastrofalnej awarii tamy związanej z mokrymi spiętrzeniami. Wykorzystanie pozostaje ograniczone, ale rozszerza się kilkoma drogami: odzysk żelaza, tytanu i pierwiastków ziem rzadkich, zastosowanie 8–12% czerwonego szlamu jako źródła krzemionki i tlenku glinu w mieszankach geopolimerów i cementu oraz ługowanie kwasem w celu odzyskania sody kaustycznej i zneutralizowania pozostałości.
Często zadawane pytania
P: Jaka jest różnica między boksytem, tlenkiem glinu i aluminium?
Boksyt to wydobywana ruda, tlenek glinu (tlenek glinu) to rafinowany półprodukt ekstrahowany z niego, a aluminium to metal powstający podczas redukcji tlenku glinu w ogniwie elektrolitycznym.
P: Dlaczego wytapianie aluminium jest tak energochłonne?
Wiązanie tlenowo-aluminiowe-w tlenku glinu jest bardzo silne, więc jego rozerwanie wymaga ciągłego prądu stałego o dużym natężeniu. Nawet najlepsze ogniwa potrzebują więcej niż 12 kWh energii elektrycznej na kilogram metalu, dlatego huty buduje się tam, gdzie energia jest tania i pewna.
P: W jakiej temperaturze pracuje ogniwo redukcyjne?
Elektrolit na bazie kriolitu-topi się w temperaturze bliskiej 950 stopni, a ogniwa zwykle pracują w temperaturze od 940 do 965 stopni, która jest wystarczająco wysoka, aby utrzymać stopioną kąpiel, ale wystarczająco niska, aby ograniczyć straty fluoru i zużycie energii.
P: Dlaczego efekty anodowe mają znaczenie?
Marnują energię, zakłócają pracę komórek i wytwarzają perfluorowęglowodory o bardzo wysokim potencjale globalnego ocieplenia. Automatyczne podawanie i kontrola napięcia sprawiają, że efekty są rzadkie, a częstotliwość efektów jest standardowym wskaźnikiem wydajności huty.
P: Ile czerwonego szlamu wytwarza się na tonę metalu?
Wytwarzanie pozostałości boksytu zależy od gatunku rudy, ale zazwyczaj mieści się w zakresie od jednej do dwóch ton suchej pozostałości na tonę wyprodukowanego tlenku glinu, zatem gospodarowanie pozostałościami stanowi główny koszt środowiskowy produkcji pierwotnej.
P: Czy aluminium wtórne jest substytutem metalu pierwotnego?
Aluminium pochodzące z recyklingu wymaga jedynie niewielkiej części energii potrzebnej do wytapiania pierwotnego i może być wielokrotnie przetapiane bez utraty swoich podstawowych właściwości, chociaż sortowanie stopów ogranicza ilość metalu wtórnego, którą można wykorzystać w wymagających zastosowaniach.
