Από τον βωξίτη στην αλουμίνα: Η διαδικασία Bayer
Το πρωτογενές αλουμίνιο κατασκευάζεται σε δύο διακριτά στάδια: διύλιση βωξίτη σε αλουμίνα και αναγωγή αυτής της αλουμίνας σε μέταλλο. Περίπου τέσσερις έως πέντε τόνοι βωξίτη αποδίδουν περίπου δύο τόνους αλουμίνας, οι οποίοι με τη σειρά τους παράγουν έναν τόνο πρωτογενούς αλουμινίου. Το στάδιο διύλισης είναι η διαδικασία Bayer, μια αλκαλική οδός που εκμεταλλεύεται τη διαλυτότητα του υδροξειδίου του αργιλίου σε καυτή καυστική σόδα.
Πέψη:Ο θρυμματισμένος βωξίτης χωνεύεται σε διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου στους 140-300 βαθμούς υπό πίεση περίπου 35 atm, έτσι ώστε τα οξείδια του αργιλίου να διαλύονται ως αργιλικό νάτριο ενώ το πυρίτιο και ο σίδηρος παραμένουν ως αδιάλυτο υπόλειμμα.
Διευκρίνιση:η καθίζηση και η διήθηση σε δεξαμενές διαύγασης διαχωρίζουν το έγκυο υγρό από το λεπτό,-υπόλειμμα πλούσιο σε σίδηρο που είναι γνωστό ως κόκκινη λάσπη.
Κατακρήμνιση:το υγρό ψύχεται και σπέρνεται με κρυστάλλους υδροξειδίου του αργιλίου, οι οποίοι αναπτύσσονται και καθιζάνουν εκτός διαλύματος.
Διαπύρωση:Οι περιστροφικοί κλιβάνοι φρύζουν το υδροξείδιο στους περίπου 1100 βαθμούς για να δώσουν αλουμίνα ποιότητας μεταλλουργείου, τυπικά 99,5% Al2O3.
Τα οικονομικά του διυλιστηρίου κυριαρχούνται από την κατανάλωση καυστικής σόδας και ενέργειας και η ποιότητα αλουμίνας πρέπει να ελέγχεται αυστηρά για να λειτουργεί σταθερά το δεύτερο στάδιο.
Hall-Héroult Electrolysis: The Reduction Step
Το μεταλλικό αλουμίνιο παράγεται με τη διαδικασία Hall-Héroult, κατά την οποία η αλουμίνα διαλύεται σε έναν ηλεκτρολύτη με βάση τετηγμένο κρυόλιθο- (Na3AlF6 με προσθήκες φθοριούχου αλουμινίου και φθοριούχου ασβεστίου) στους 940-965 βαθμούς περίπου. Το συνεχές ρεύμα περνά από τις αναλώσιμες ανόδους άνθρακα μέσω του λουτρού σε μια κάθοδο με επένδυση άνθρακα. Η αλουμίνα μειώνεται ηλεκτροχημικά, το λιωμένο αλουμίνιο συγκεντρώνεται στον πυθμένα της κυψέλης και διοχετεύεται και οι άνοδοι του άνθρακα οξειδώνονται σε διοξείδιο του άνθρακα.
Η συνολική κυτταρική αντίδραση είναι 2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2. Οι σύγχρονες κυψέλες αναγωγής λειτουργούν με απόδοση ρεύματος 93-95% και οι αυτόματοι τροφοδότες σημείου συγκρατούν τη συγκέντρωση αλουμίνας στο λουτρό περίπου στο 2-4% έτσι ώστε η αντίδραση να παραμένει σταθερή και να αποφεύγονται τα φαινόμενα ανόδου.
Σημεία αναφοράς κατανάλωσης ενέργειας και υλικών
Η τήξη είναι μια επιχείρηση{0}}εντατικής ηλεκτρικής ενέργειας και η κατανάλωση είναι ο μεγαλύτερος μοχλός κόστους και εκπομπών. Ενδεικτικά στοιχεία για σύγχρονες γραμμές μείωσης:
| Παράμετρος | Τυπική τιμή |
|---|---|
| Κατανάλωση αλουμίνας | 1.90 - 1.95 t ανά τόνο αλουμινίου |
| Κατανάλωση ανόδου άνθρακα | 0.40 - 0.45 t ανά τόνο αλουμινίου |
| Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας | 12.5 - 15 MWh ανά τόνο αλουμινίου |
| Η καλύτερη-σε-ειδική ενέργεια στην κατηγορία | 12.3 - 13.0 kWh ανά kg, επιτυγχάνεται με βελτιστοποιημένη αντιστάθμιση ζυγού και μαγνητικού πεδίου |
| Μέση ένταση ενέργειας στην Κίνα | περίπου 13.500 kWh ανά τόνο |
| Θερμοκρασία λειτουργίας κυψέλης | 940 - 965 βαθμός |
| Τρέχουσα αποτελεσματικότητα | 93 - 95% |
| Κυψέλες ανάπτυξης αδρανούς ανόδου | περίπου 15 kWh ανά kg, χωρίς να παράγεται διοξείδιο του άνθρακα στην άνοδο |
Η ανάκτηση της απορριπτόμενης θερμότητας από τα καυσαέρια κυψελών και το αέριο δοχείου είναι η κύρια εναπομένουσα ευκαιρία απόδοσης και η ανακτώμενη θερμότητα χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για τηλεθέρμανση και για προθέρμανση πρώτων υλών αλουμίνας ή ανόδου. Οι γραμμές που έχουν κατασκευαστεί με αυλακώσεις ανόδου και δυναμικό έλεγχο τάσης βρίσκονται στο χαμηλότερο άκρο του εύρους κατανάλωσης, ενώ οι παλαιότερες κυψέλες μπορούν να υπερβούν τις 15 kWh ανά kg.
Εφέ ανόδου και εκπομπές PFC
Εάν η συγκέντρωση αλουμίνας στο λουτρό πέσει κάτω από περίπου 1,5%, η κυψέλη δεν μπορεί να διατηρήσει την κανονική ηλεκτρόλυση και η τάση αυξάνεται απότομα, συχνά πάνω από 8 V. Κατά τη διάρκεια αυτών των φαινομένων ανόδου, σχηματίζονται αέρια φθοράνθρακα στην άνοδο, κυρίως τετραφθορομεθάνιο και εξαφθοροαιθάνιο, μέσω μιας παράπλευρης αντίδρασης του καρβονόλιθου 4F3, για τον κρυόλιθο 4F33. + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF4.
Οι υπερφθοράνθρακες είναι εξαιρετικά ισχυρά αέρια θερμοκηπίου: σε χρονικό ορίζοντα 100-ετών το τετραφθορομεθάνιο έχει δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη περίπου 6.600-7.400 και το εξαφθοροαιθάνιο περίπου 11.100-12.200 φορές μεγαλύτερο από αυτό της έκθεσης αξιολόγησης που χρησιμοποιείται, ανάλογα με την αναφορά αξιολόγησης. Η αυτοματοποιημένη τροφοδοσία αλουμίνας, η παρακολούθηση της τάσης κυψέλης και ο έλεγχος από υπολογιστή μείωσαν τη συχνότητα επίδρασης ανόδου κάτω από 0,1 συμβάντα ανά κύτταρο την ημέρα σε καλά λειτουργούσες εγκαταστάσεις και αναφέρθηκαν ότι οι παγκόσμιες εκπομπές PFC από την τήξη αλουμινίου έχουν μειωθεί κατά περίπου 85% από το 1990.
Red Mud: Όγκοι, Κίνδυνοι και Αξιοποίηση
Τα υπολείμματα βωξίτη, ή κόκκινη λάσπη, είναι το κύριο ρεύμα στερεών αποβλήτων της διύλισης αλουμίνας. Η παγκόσμια παραγωγή υπολογίζεται σε περίπου 180 εκατομμύρια τόνους ετησίως και το υπόλειμμα είναι έντονα αλκαλικό, με pH συνήθως μεταξύ 10 και 13 και 2-6% υπολειπόμενο υδροξείδιο του νατρίου, επομένως η αποθήκευση πρέπει να σχεδιαστεί για να αποφευχθεί η διαρροή και η σκόνη.
Η ξηρή στοίβαξη έχει γίνει η προτιμώμενη οδός διαχείρισης, επειδή μειώνει το αποτύπωμα αποθήκευσης περίπου στο μισό και αφαιρεί τον κίνδυνο καταστροφικής αστοχίας φράγματος που σχετίζεται με υγρές κατακρατήσεις. Η χρήση παραμένει περιορισμένη, αλλά επεκτείνεται μέσω πολλών οδών: ανάκτηση στοιχείων σιδήρου, τιτανίου και σπάνιων γαιών, χρήση 8-12% κόκκινης λάσπης ως πηγή πυριτίου και αλουμίνας σε μείγματα γεωπολυμερών και τσιμέντου και έκπλυση οξέος για ανάκτηση καυστικής σόδας και εξουδετέρωση των υπολειμμάτων.
Συχνές Ερωτήσεις
Ε: Ποια είναι η διαφορά μεταξύ βωξίτη, αλουμίνας και αλουμινίου;
Ο βωξίτης είναι το εξορυσσόμενο μετάλλευμα, η αλουμίνα (οξείδιο του αλουμινίου) είναι το εξευγενισμένο ενδιάμεσο που εξάγεται από αυτό και το αλουμίνιο είναι το μέταλλο που παράγεται όταν η αλουμίνα ανάγεται σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο.
Ε: Γιατί είναι τόσο ενεργοβόρα η τήξη αλουμινίου;
Ο δεσμός οξυγόνου αλουμινίου-στην αλουμίνα είναι πολύ ισχυρός, επομένως η διάσπασή του απαιτεί μεγάλο συνεχές ρεύμα. Ακόμη και οι καλύτερες κυψέλες χρειάζονται περισσότερες από 12 kWh ηλεκτρικής ενέργειας ανά κιλό μετάλλου, γι' αυτό και τα χυτήρια κατασκευάζονται όπου η ισχύς είναι φθηνή και σταθερή.
Ε: Σε ποια θερμοκρασία λειτουργεί μια κυψέλη μείωσης;
Ο ηλεκτρολύτης με βάση-κρυόλιθος λιώνει σε θερμοκρασία κοντά στους 950 μοίρες και οι κυψέλες λειτουργούν συνήθως μεταξύ 940 και 965 μοιρών , που είναι αρκετά υψηλή ώστε να διατηρεί το λουτρό λιωμένο αλλά αρκετά χαμηλή ώστε να περιορίζει τις απώλειες φθορίου και τη χρήση ενέργειας.
Ε: Γιατί έχουν σημασία τα εφέ ανόδου;
Σπαταλούν ενέργεια, διαταράσσουν τη λειτουργία των κυττάρων και παράγουν υπερφθοράνθρακες με πολύ υψηλό δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη. Η αυτόματη τροφοδοσία και ο έλεγχος τάσης διατηρούν τα αποτελέσματα σπάνια και η συχνότητα των επιδράσεων είναι ένας τυπικός δείκτης απόδοσης για ένα μεταλλουργείο.
Ε: Πόση κόκκινη λάσπη παράγεται ανά τόνο μετάλλου;
Η παραγωγή υπολειμμάτων βωξίτη εξαρτάται από την ποιότητα του μεταλλεύματος, αλλά γενικά κυμαίνεται από έναν έως δύο τόνους ξηρών υπολειμμάτων ανά τόνο παραγόμενης αλουμίνας, επομένως η διαχείριση υπολειμμάτων αποτελεί σημαντικό περιβαλλοντικό κόστος της πρωτογενούς παραγωγής.
Ε: Είναι το δευτερογενές αλουμίνιο υποκατάστατο του πρωτογενούς μετάλλου;
Το ανακυκλωμένο αλουμίνιο απαιτεί μόνο ένα μικρό κλάσμα της ενέργειας που απαιτείται για την πρωτογενή τήξη και μπορεί να επαναλυθεί επανειλημμένα χωρίς να χάσει τις βασικές του ιδιότητες, αν και η διαλογή κραμάτων περιορίζει πόσο δευτερεύον μέταλλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε απαιτητικές εφαρμογές.
