Aluminiumsmältning - Aluminium smelting

Point Henry smältverk i Australien
Översikt över smältverket Point Henry, som drivs av Alcoa World Alumina and Chemicals i Australien
Straumsvik aluminiumsmältverk på Island
Straumsvik aluminiumsmältverk, drivs av Rio Tinto Alcan på Island.

Aluminiumsmältning är processen att extrahera aluminium från dess oxid, aluminiumoxid , i allmänhet genom Hall-Héroult-processen . Aluminiumoxid utvinns ur malmbauxiten med hjälp av Bayer -processen vid ett aluminiumoxidraffinaderi .

Detta är en elektrolytisk process, så en aluminium smältverket använder enorma mängder av elektrisk kraft; smältverk tenderar att ligga nära stora kraftverk, ofta vattenkraftverk , för att hålla nere kostnaderna och minska det totala koldioxidavtrycket . Smältverk ligger ofta nära hamnar, eftersom många smältverk använder importerad aluminiumoxid.

Layout av ett aluminiumsmältverk

Elektrolysprocessen Hall-Héroult är den viktigaste produktionsvägen för primäraluminium. En elektrolytisk cell är gjord av ett stålskal med en serie isolerande foder av eldfasta material. Cellen består av ett tegelfodrat yttre stålskal som behållare och stöd. Inuti skalet cementeras katodblocken ihop med rampasta. Det övre fodret är i kontakt med den smälta metallen och fungerar som katoden. Den smälta elektrolyten hålls vid hög temperatur inuti cellen. Den förbakta anoden är också gjord av kol i form av stora sintrade block upphängda i elektrolyten. En enda Soderberg -elektrod eller ett antal förkokta kolblock används som anod, medan huvudformuleringen och de grundläggande reaktionerna som uppstår på deras yta är desamma.

Ett aluminiumsmältverk består av ett stort antal celler (krukor) där elektrolysen sker. Ett typiskt smältverk innehåller allt från 300 till 720 krukor, som var och en producerar cirka ton aluminium om dagen, även om de största föreslagna smältverken är upp till fem gånger den kapaciteten. Smältning utförs som en satsvis process, med aluminiummetallen avsatt i botten av krukorna och periodiskt hävs av. Särskilt i Australien används dessa smältverk för att styra efterfrågan på elnät, och som ett resultat levereras kraft till smältverket till ett mycket lågt pris. Strömmen får dock inte avbrytas i mer än 4–5 timmar, eftersom krukorna måste repareras till betydande kostnad om den flytande metallen stelnar.

Princip

Aluminium produceras genom elektrolytisk reduktion av aluminiumoxid löst i smält kryolit .

Samtidigt oxideras kolelektroden, initialt till kolmonoxid

Även om bildningen av kolmonoxid (CO) termodynamiskt gynnas vid reaktionstemperaturen, förändrar närvaron av betydande överspänning (skillnaden mellan reversibla och polarisationspotentialer) den termodynamiska jämvikten och en blandning av CO och CO
2är producerat. Således kan de idealiserade övergripande reaktionerna skrivas som

Genom att öka strömtätheten upp till 1 A / cm 2 , andelen CO
2 ökar och kolförbrukningen minskar.

Eftersom tre elektroner behövs för att producera varje atom av aluminium, förbrukar processen en stor mängd elektricitet. Av denna anledning är aluminiumsmältverk belägna nära källor till billig el, till exempel vattenkraft .

Cellkomponenter

Elektrolyt: Elektrolyten är ett smält bad av kryolit (Na 3 AlF 6 ) och löstes aluminiumoxid. Kryolit är ett bra lösningsmedel för aluminiumoxid med låg smältpunkt, tillfredsställande viskositet och lågt ångtryck. Dess densitet är också lägre än för flytande aluminium (2 mot 2,3 g/cm 3 ), vilket möjliggör naturlig separation av produkten från saltet i cellens botten. Den kryolit förhållandet (NaF / AlF 3 ) i ren kryolit är 3, med en smälttemperatur av 1010 ° C, och den bildar en eutektisk med 11% aluminiumoxid vid 960 ° C. I industriella celler hålls kryolitförhållandet mellan 2 och 3 för att minska dess smälttemperatur till 940–980 ° C.

Katod: Kolkatoder är i huvudsak gjorda av antracit, grafit och petroleumkoks, som kalcineras vid cirka 1200 ° C och krossas och siktas innan de används vid katodtillverkning. Aggregat blandas med koltjära, bildas och bakas. Kolrenhet är inte lika stringent som för anod, eftersom metallförorening från katod inte är signifikant. Kolkatod måste ha tillräcklig hållfasthet, god elektrisk konduktivitet och hög motståndskraft mot slitage och natriumpenetrering. Antracitkatoder har högre slitstyrka och långsammare kryp med lägre amplitud [15] än grafitiska och grafitiserade petroleumkoks katoder. Istället har täta katoder med mer grafitisk ordning högre elektrisk konduktivitet, lägre energiförbrukning [14] och lägre svullnad på grund av natriumpenetrering. Svullnad resulterar i tidig och ojämn försämring av katodblock.

Anod: Kolanoder har en specifik situation vid aluminiumsmältning och beroende på typ av anod är aluminiumsmältning uppdelad i två olika tekniker; “Soderberg” och “förbakade” anoder. Anoder är också gjorda av petroleumkoks, blandat med koltjära, följt av formning och bakning vid förhöjda temperaturer. Anodens kvalitet påverkar tekniska, ekonomiska och miljömässiga aspekter av aluminiumproduktion. Energieffektivitet är relaterat till anodmaterialets karaktär, liksom porosen hos bakade anoder. Cirka 10% av cellkraften förbrukas för att övervinna det elektriska motståndet för förkokt anod (50–60 μΩm). Kol förbrukas mer än teoretiskt värde på grund av låg strömeffektivitet och icke-elektrolytisk förbrukning. Inhomogen anodkvalitet på grund av variationen i råvaror och produktionsparametrar påverkar också dess prestanda och cellstabiliteten.

Förbakade förbrukningsbara kolanoder är uppdelade i grafitiserade och koksarter. För tillverkning av de grafitiserade anoderna kalcineras och klassificeras antracit och petroleumkoks. De blandas sedan med koltjära tonhöjd och pressas. Den pressade gröna anoden bakas sedan vid 1200 ° C och grafitiseras. Koksanoder är gjorda av kalcinerad petroleumkoks, återvunna anodstumpar och koltjära tonhöjd (bindemedel). Anoderna tillverkas genom att blanda aggregat med koltjärahöjd för att bilda en pasta med en degig konsistens. Detta material är oftast vibrokomprimerat men i vissa växter pressat. Den gröna anoden sintras sedan vid 1100–1200 ° C i 300–400 timmar, utan grafitisering, för att öka dess styrka genom sönderdelning och karbonisering av bindemedlet. Högre baktemperaturer ökar de mekaniska egenskaperna och värmeledningsförmågan och minskar luft- och CO 2 -reaktiviteten. Det specifika elektriska motståndet hos koksanoderna är högre än hos de grafitiserade, men de har högre tryckhållfasthet och lägre porositet.

Soderberg-elektroder (in-situ-bakning), som användes för första gången 1923 i Norge, består av ett stålskal och en kolhaltig massa som bakas av värmen som försvinner från elektrolyscellen. Soderberg Kolbaserade material som koks och antracit krossas, värmebehandlas och klassificeras. Dessa aggregat blandas med pitch eller olja som bindemedel, briketteras och laddas i skalet. Temperaturen ökar botten till toppen av kolonnen och bakning på plats sker när anoden sänks ner i badet. Betydande mängd kolväten avges under bakning vilket är en nackdel med denna typ av elektroder. De flesta av de moderna smältverken använder förkokta anoder eftersom processstyrningen är enklare och en lite bättre energieffektivitet uppnås, jämfört med Soderberg -anoder.

Miljöfrågor av aluminiumsmältverk

Processen producerar en mängd fluoravfall : perfluorkolväten och vätefluorid som gaser, och natrium- och aluminiumfluorider och oanvänd kryolit som partiklar. Detta kan vara så lite som 0,5 kg per ton aluminium i de bästa anläggningarna 2007, upp till 4 kg per ton aluminium i äldre konstruktioner 1974. Om inte noggrant kontrollerade tenderar vätefluorider att vara mycket giftiga för vegetation runt växterna. Perfluorkarbongaserna är starka växthusgaser med lång livslängd.

Soderbergprocessen som bakar antracit/pitch -blandningen när anoden förbrukas producerar betydande utsläpp av polycykliska aromatiska kolväten när stigningen förbrukas i smältverket.

Krukornas foder slutar förorenas med cyanidbildande material; Alcoa har en process för att omvandla förbrukade foder till aluminiumfluorid för återanvändning och syntetisk sand som kan användas för byggnadsändamål och inert avfall.

Energianvändning

Aluminiumsmältning är mycket energikrävande och i vissa länder är det bara ekonomiskt om det finns billiga elkällor. I vissa länder ges smältverk undantag från energipolitiken som mål för förnybar energi .

Exempel på aluminiumsmältverk

Se även

Referenser