Od bauxitu k oxidu hlinitému: Bayerov proces
Primárny hliník sa vyrába v dvoch odlišných fázach: rafinácia bauxitu na oxid hlinitý a redukcia tohto oxidu hlinitého na kov. Zhruba zo štyroch až piatich ton bauxitu sa získajú asi dve tony oxidu hlinitého, ktoré zase vyprodukujú jednu tonu primárneho hliníka. Rafinačným stupňom je Bayerov proces, alkalická cesta, ktorá využíva rozpustnosť hydroxidu hlinitého v horúcom hydroxide sódnom.
Trávenie:rozdrvený bauxit sa rozkladá v roztoku hydroxidu sodného pri 140-300 stupňoch pod tlakom približne 35 atm, takže oxidy hliníka sa rozpúšťajú ako hlinitan sodný, zatiaľ čo oxid kremičitý a železo zostávajú ako nerozpustný zvyšok.
Objasnenie:sedimentácia a filtrácia v číriacich nádržiach oddeľuje tehotnú tekutinu od jemného, na železo -bohatého zvyšku známeho ako červené bahno.
zrážky:lúh sa ochladí a naočkuje kryštálmi hydroxidu hlinitého, ktoré rastú a usadzujú sa z roztoku.
Kalcinácia:rotačné pece kalcinujú hydroxid pri asi 1100 stupňoch, čím sa získa oxid hlinitý-kvalitného tavenia, typicky 99,5 % Al203.
Ekonomike rafinérie dominuje lúh sodný a spotreba energie a druh oxidu hlinitého musí byť prísne kontrolovaný, aby druhý stupeň fungoval stabilne.
Hall-Héroultova elektrolýza: krok redukcie
Kovový hliník sa vyrába Hallovým-Héroultovým procesom, pri ktorom sa oxid hlinitý rozpúšťa v roztavenom kryolite-elektrolyte (Na3AlF₆ s prídavkom fluoridu hlinitého a fluoridu vápenatého) pri teplote približne 940-965 stupňov . Jednosmerný prúd prechádza zo spotrebovateľných uhlíkových anód cez kúpeľ na uhlíkom potiahnutú katódu. Oxid hlinitý sa redukuje elektrochemicky, roztavený hliník sa zhromažďuje na dne článku a je odsávaný a uhlíkové anódy sa oxidujú na oxid uhličitý.
Celková reakcia bunky je 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. Moderné redukčné články pracujú s prúdovou účinnosťou 93 – 95 % a automatické bodové podávače udržujú koncentráciu oxidu hlinitého v kúpeli na približne 2 – 4 %, takže reakcia zostáva stabilná a je zabránené anódovým efektom.
Referenčné hodnoty spotreby energie a materiálu
Tavenie je elektrina-náročná a spotreba predstavuje najväčšiu páku v oblasti nákladov a emisií. Orientačné údaje pre moderné redukčné linky:
| Parameter | Typická hodnota |
|---|---|
| Spotreba oxidu hlinitého | 1.90 - 1.95 t na tonu hliníka |
| Spotreba uhlíkovej anódy | 0.40 - 0.45 t na tonu hliníka |
| Spotreba elektriny | 12.5 - 15 MWh na tonu hliníka |
| Najlepšia-v-triede špecifická energia | 12.3 - 13.0 kWh na kg, dosiahnuté s optimalizovanou prípojnicou a kompenzáciou magnetického poľa |
| Priemerná energetická náročnosť v Číne | približne 13 500 kWh na tonu |
| Prevádzková teplota článku | 940 - 965 stupeň |
| Aktuálna účinnosť | 93 - 95% |
| Inertné vývojové bunky anódy | približne 15 kWh na kg, pričom sa na anóde nevytvára žiadny oxid uhličitý |
Rekuperácia odpadového tepla z výfukových plynov a kotlového plynu je hlavnou zostávajúcou možnosťou efektívnosti a rekuperované teplo sa čoraz viac využíva na diaľkové vykurovanie a na predhrievanie surovín na báze oxidu hlinitého alebo anód. Linky postavené so štrbinovými anódami a dynamickou reguláciou napätia sú na spodnej hranici rozsahu spotreby, zatiaľ čo staršie články môžu prekročiť 15 kWh na kg.
Anódové efekty a emisie PFC
Ak koncentrácia oxidu hlinitého v kúpeli klesne pod približne 1,5 %, článok nedokáže udržať normálnu elektrolýzu a napätie prudko stúpne, často nad 8 V. Počas týchto anódových efektov sa na anóde tvoria plyny fluórovaných uhľovodíkov, hlavne tetrafluórmetán a hexafluóretán, a to prostredníctvom vedľajšej reakcie kryolitového kúpeľa s uhlíkom, napríklad 4Na{3AlF₆} →}6}}NaAlF₆ {{4} + 3CF₄.
Perfluórované uhľovodíky sú mimoriadne silné skleníkové plyny: v horizonte 100- rokov má tetrafluórmetán potenciál globálneho otepľovania približne 6 600 – 7 400 a hexafluóretán približne 11 100 – 12 200-násobok oxidu uhličitého, v závislosti od použitej hodnotiacej správy. Automatizované privádzanie oxidu hlinitého, monitorovanie napätia článku a počítačová kontrola znížili frekvenciu anódového efektu pod 0,1 udalosti na článok za deň v dobre riadených závodoch a hlásené globálne emisie PFC z tavenia hliníka od roku 1990 klesli o približne 85 %.
Červené bahno: Objemy, riziká a využitie
Zvyšky bauxitu alebo červeného bahna sú hlavným prúdom tuhého odpadu pri rafinácii oxidu hlinitého. Celosvetová produkcia sa odhaduje na približne 180 miliónov ton za rok a zvyšok je silne alkalický, s pH zvyčajne medzi 10 a 13 a 2-6 % zvyškového hydroxidu sodného, takže skladovanie musí byť navrhnuté tak, aby sa zabránilo úniku a prachu.
Suché stohovanie sa stalo preferovanou cestou manažmentu, pretože znižuje skladovaciu stopu zhruba o polovicu a odstraňuje riziko katastrofického zlyhania priehrad spojeného s mokrými nádržami. Využitie zostáva obmedzené, ale rozširuje sa niekoľkými spôsobmi: regenerácia železa, titánu a prvkov vzácnych zemín, použitie 8-12 % červeného bahna ako zdroja oxidu kremičitého a oxidu hlinitého v geopolymérnych a cementových zmesiach a kyslé lúhovanie na získanie lúhu sodného a neutralizáciu zvyšku.
Často kladené otázky
Otázka: Aký je rozdiel medzi bauxitom, oxidom hlinitým a hliníkom?
Bauxit je ťažená ruda, oxid hlinitý (oxid hlinitý) je rafinovaný medziprodukt, ktorý sa z nej získava, a hliník je kov, ktorý vzniká pri redukcii oxidu hlinitého v elektrolytickom článku.
Otázka: Prečo je tavenie hliníka také energeticky náročné?
Hliníková-kyslíková väzba v oxide hlinitom je veľmi pevná, takže jej rozbitie vyžaduje veľký nepretržitý jednosmerný prúd. Aj tie najlepšie články potrebujú viac ako 12 kWh elektriny na kilogram kovu, a preto sa stavajú huty, kde je energia lacná a pevná.
Otázka: Pri akej teplote beží redukčný článok?
Elektrolyt na báze kryolitu- sa topí pri teplote blízkej 950 stupňom a články normálne fungujú pri teplote 940 až 965 stupňov , čo je dostatočne vysoká teplota na to, aby sa kúpeľ udržal roztavený, ale dostatočne nízka na to, aby sa obmedzili straty fluoridu a spotreba energie.
Otázka: Prečo záleží na anódových efektoch?
Plýtvajú energiou, narúšajú fungovanie buniek a vytvárajú perfluórované uhľovodíky s veľmi vysokým potenciálom globálneho otepľovania. Automatické podávanie a ovládanie napätia udržiavajú efekty zriedkavé a frekvencia efektov je štandardným ukazovateľom výkonu pre tavič.
Otázka: Koľko červeného blata sa vyprodukuje na tonu kovu?
Tvorba bauxitových zvyškov závisí od kvality rudy, ale vo všeobecnosti sa pohybuje v rozmedzí od jednej do dvoch ton suchého zvyšku na tonu vyrobeného oxidu hlinitého, takže hospodárenie so zvyškami je hlavným environmentálnym nákladom primárnej výroby.
Otázka: Je sekundárny hliník náhradou za primárny kov?
Recyklovaný hliník vyžaduje len malý zlomok energie potrebnej na primárne tavenie a možno ho opakovane pretaviť bez straty svojich základných vlastností, hoci triedenie zliatin obmedzuje, koľko sekundárneho kovu možno použiť v náročných aplikáciách.
