stringtranslate.com

Выплавка алюминия

Выплавка алюминия — это процесс извлечения алюминия из его оксида, глинозема , обычно с помощью процесса Холла-Эру . Глинозем извлекают из бокситовой руды методом Байера на глиноземном заводе .

Это электролитический процесс, поэтому алюминиевый завод потребляет огромное количество электроэнергии; металлургические заводы, как правило, располагаются рядом с крупными электростанциями, часто гидроэлектростанциями , чтобы снизить затраты и уменьшить общий углеродный след . Металлургические заводы часто расположены вблизи портов, поскольку многие металлургические заводы используют импортный глинозем.

Планировка алюминиевого завода

Процесс электролиза Холла-Эру является основным способом производства первичного алюминия. Электролитическая ячейка состоит из стального корпуса с рядом изолирующих обкладок из огнеупорных материалов. Ячейка состоит из облицованной кирпичом внешней стальной оболочки, служащей контейнером и опорой. Внутри оболочки катодные блоки склеены между собой трамбовочной пастой. Верхняя футеровка контактирует с расплавленным металлом и выполняет роль катода. Расплавленный электролит поддерживается при высокой температуре внутри ячейки. Предварительно обожженный анод также изготавливается из углерода в виде крупных спеченных блоков, подвешенных в электролите. В качестве анода используется один электрод Содерберга или несколько предварительно обожженных углеродных блоков, при этом основная рецептура и фундаментальные реакции, протекающие на их поверхности, одинаковы.

Алюминиевый завод состоит из большого количества ячеек (котлов), в которых происходит электролиз. Типичный плавильный завод содержит от 300 до 720 электролизеров, каждый из которых производит около тонны алюминия в день, хотя самые крупные предлагаемые плавильные заводы имеют мощность в пять раз большую. Плавка осуществляется периодически, при этом металлический алюминий откладывается на дно котлов и периодически откачивается. В частности, в Австралии эти плавильные заводы используются для регулирования спроса на электросети, в результате чего электроэнергия поставляется на металлургический завод по очень низкой цене. Однако нельзя прерывать подачу электроэнергии более чем на 4–5 часов, поскольку в случае затвердевания жидкого металла котлы придется ремонтировать со значительными затратами.

Принцип

Алюминий получают электролитическим восстановлением оксида алюминия, растворенного в расплавленном криолите .

При этом угольный электрод окисляется первоначально до угарного газа.

Хотя образование монооксида углерода (СО) термодинамически выгодно при температуре реакции, наличие значительного перенапряжения (разница между обратимым и поляризационным потенциалами) изменяет термодинамическое равновесие и образуется смесь СО и СО 2 . [1] [2] Таким образом, идеализированные общие реакции можно записать как

При увеличении плотности тока до 1 А/см 2 увеличивается доля СО 2 и снижается потребление углерода. [3] [4]

Поскольку для производства каждого атома алюминия необходимы три электрона, этот процесс потребляет большое количество электроэнергии. По этой причине алюминиевые заводы расположены вблизи источников недорогой электроэнергии, таких как гидроэлектростанции .

Компоненты клетки

Электролит: Электролит представляет собой расплавленную ванну криолита (Na 3 AlF 6 ) и растворенного оксида алюминия. Криолит является хорошим растворителем оксида алюминия с низкой температурой плавления, удовлетворительной вязкостью и низким давлением паров. Его плотность также ниже, чем у жидкого алюминия (2 против 2,3 г/см 3 ), что позволяет естественным образом отделить продукт от соли на дне электролизера. Соотношение криолита (NaF/AlF 3 ) в чистом криолите равно 3, температура плавления 1010 °С, и он образует эвтектику с 11% глинозема при 960 °С. В промышленных камерах соотношение криолита поддерживают в пределах 2–3 для снижения температуры его плавления до 940–980 °С. [5] [6]

Катод: Углеродные катоды в основном изготавливаются из антрацита, графита и нефтяного кокса, которые прокаливаются при температуре около 1200 °C, измельчаются и просеиваются перед использованием в производстве катодов. Заполнители смешивают с каменноугольным пеком, формуют и обжигают. Чистота углерода не так строга, как для анода, поскольку загрязнение металла с катода не является значительным. Угольный катод должен иметь достаточную прочность, хорошую электропроводность и высокую устойчивость к износу и проникновению натрия. Антрацитовые катоды обладают более высокой износостойкостью [7] и более медленной ползучестью с меньшей амплитудой [15], чем графитовые и графитизированные катоды из нефтяного кокса. Вместо этого плотные катоды с более графитовым порядком имеют более высокую электропроводность, меньшее энергопотребление [14] и меньшее набухание из-за проникновения натрия. [8] Набухание приводит к раннему и неравномерному износу катодных блоков.

Анод: Углеродные аноды имеют особую ситуацию при выплавке алюминия, и в зависимости от типа анода выплавка алюминия делится на две разные технологии; «Содерберг» и «предварительно обожженные» аноды. Аноды изготавливают также из нефтяного кокса, смешанного с каменноугольным пеком с последующей формовкой и обжигом при повышенных температурах. Качество анода влияет на технологические, экономические и экологические аспекты производства алюминия. Энергоэффективность связана с природой анодных материалов, а также пористостью обожженных анодов. Около 10% мощности элемента расходуется на преодоление электрического сопротивления предварительно обожженного анода (50–60 мкОм·м). [5] Углерод расходуется больше теоретического значения из-за низкого выхода по току и неэлектролитического потребления. Неоднородное качество анода из-за различий в сырье и параметрах производства также влияет на его производительность и стабильность элемента.

Предварительно обожженные расходуемые угольные аноды делятся на графитированные и коксовые. Для изготовления графитированных анодов антрацит и нефтяной кокс прокаливают и классифицируют. Затем их смешивают с каменноугольным пеком и прессуют. Прессованный зеленый анод затем обжигают при 1200 °C и графитируют. Коксовые аноды изготавливаются из прокаленного нефтяного кокса, переработанных огарков анодов и каменноугольного пека (связующего). Аноды изготавливаются путем смешивания заполнителей с каменноугольным пеком до образования пасты тестообразной консистенции. Этот материал чаще всего виброуплотняется, но на некоторых заводах прессуется. Затем зеленый анод спекают при температуре 1100–1200 ° C в течение 300–400 часов без графитации , чтобы повысить его прочность за счет разложения и карбонизации связующего. Более высокие температуры обжига повышают механические свойства и теплопроводность и снижают реакционную способность воздуха и CO 2 . [9] Удельное электрическое сопротивление коксовых анодов выше, чем у графитированных, но они имеют более высокую прочность на сжатие и меньшую пористость. [10]

Электроды Содерберга (обжиг на месте), впервые использованные в 1923 году в Норвегии, состоят из стальной оболочки и углеродистой массы, которая обжигается за счет тепла, выделяющегося из электролизера. Содерберг Материалы на основе углерода, такие как кокс и антрацит, измельчаются, подвергаются термической обработке и классифицируются. Эти заполнители смешиваются с пеком или маслом в качестве связующего, брикетируются и загружаются в оболочку. Температура повышается снизу вверх по колонне, и происходит обжиг на месте по мере опускания анода в ванну. При обжиге выделяется значительное количество углеводородов, что является недостатком этого типа электродов. Большинство современных металлургических заводов используют предварительно обожженные аноды, поскольку управление процессом проще и достигается немного лучшая энергоэффективность по сравнению с анодами Содерберга.

Экологические проблемы алюминиевых заводов

В результате этого процесса образуется определенное количество фторидных отходов: перфторуглероды и фтороводород в виде газов, а также фториды натрия и алюминия и неиспользованный криолит в виде твердых частиц. Это может составлять всего лишь 0,5 кг на тонну алюминия на лучших заводах 2007 года и до 4 кг на тонну алюминия на более старых конструкциях 1974 года. Если не тщательно контролировать, фторид водорода имеет тенденцию быть очень токсичным для растительности вокруг заводов.

Процесс Содерберга, при котором смесь антрацита и пека обжигается по мере расходования анода, приводит к значительным выбросам полициклических ароматических углеводородов по мере расходования пека в плавильном заводе.

Облицовка горшков загрязняется цианидообразующими материалами; У Alcoa есть технология переработки отработанной футеровки во фторид алюминия для повторного использования и синтетический песок, пригодный для использования в строительных целях, а также в инертные отходы.

Инертные аноды

Инертные аноды представляют собой неуглеродную альтернативу традиционным анодам, используемым при восстановлении алюминия. Эти аноды не вступают в химическую реакцию с электролитом и поэтому не расходуются в процессе восстановления. Поскольку анод не содержит углерода, углекислый газ не образуется. [11] В результате обзора литературы Haradlsson et al. обнаружили, что инертные аноды сокращают выбросы парниковых газов в процессе выплавки алюминия примерно на 2 тонны CO2-экв/тонну Al. [12]

Виды анодов

Керамические анодные материалы включают оксиды на основе Ni-Fe, Sn и Ni-Li. [13] Эти аноды многообещающи, поскольку они чрезвычайно стабильны в процессе восстановления при нормальных рабочих температурах (~ 1000 °C), гарантируя, что Al не загрязняется. Стабильность этих анодов также позволяет использовать их с различными электролитами. Однако керамические аноды имеют плохую электропроводность и низкую механическую прочность. [13]

В качестве альтернативы металлические аноды обладают высокой механической прочностью и проводимостью, но имеют тенденцию легко подвергаться коррозии в процессе восстановления. Некоторые системы материалов, которые используются в инертных металлических анодах, включают системы Al-Cu, Ni-Cu и Fe-Ni-Cu. [13] Дополнительные добавки, такие как Sn, Ag, V, Nb, Ir, Ru, могут быть включены в эти системы для образования нереакционноспособных оксидов на поверхности анода, но это значительно увеличивает стоимость и энергоемкость анода.

Керметные аноды представляют собой комбинацию металлического и керамического анода и призваны использовать преимущества обоих желаемых свойств; электрическая проводимость и ударная вязкость металла, а также стабильность керамики. [13] Эти аноды часто состоят из комбинации вышеуказанных металлов и керамических материалов. В промышленности Alcoa и Rio Tinto создали совместное предприятие Eлизис для коммерциализации технологии инертных анодов, разработанной Alcoa. [14] Инертный анод представляет собой металлокерамический материал, металлическую дисперсию медного сплава в керамической матрице из феррита никеля. [15] К сожалению, по мере увеличения количества анодных компонентов структура анода становится более нестабильной. Как результат. металлокерамические аноды также страдают от коррозии во время восстановления. [16]

Использование энергии

Выплавка алюминия очень энергоемка, а в некоторых странах экономически выгодна только при наличии недорогих источников электроэнергии. [17] [18] В некоторых странах металлургическим заводам предоставляются исключения из энергетической политики, такие как цели по возобновляемым источникам энергии . [19] [20]

Чтобы снизить энергетические затраты на процесс плавки, исследуются альтернативные электролиты, такие как Na3AlF6, которые могут работать при более низкой температуре. [21] Однако замена электролита меняет кинетику высвобождаемого кислорода из руды Al 2 O 3 . Это изменение в формировании пузырьков может изменить скорость реакции анода с кислородом или электролитом и эффективно изменить эффективность процесса восстановления. [22]

Инертные аноды, используемые в тандеме с ячейками с вертикальными электродами, также могут снизить энергетические затраты на восстановление алюминия до 30% за счет снижения напряжения, необходимого для восстановления. [13] Одновременное применение этих двух технологий позволяет свести к минимуму расстояние анод-катод, что снижает резистивные потери.

Пример алюминиевых заводов

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ К. Грьотхайм и К. Крон, Электролиз алюминия: химия процесса Холла-Эру: Aluminium-Verlag GmbH, 1977.
  2. ^ Ф. Хабаши, Справочник по добывающей металлургии, том. 2: Вили-ВЧ, 1997.
  3. ^ Куанг, З.; Тонстад, Дж.; Ролсет, С.; Сёрли, М. (апрель 1996 г.). «Влияние температуры обжига и плотности анодного тока на расход анодного углерода». Металлургические операции и операции с материалами B . 27 (2): 177–183. Бибкод : 1996MMTB...27..177K. дои : 10.1007/BF02915043. S2CID  97620903.
  4. ^ Фарр-Уортон, Р.; Уэлч, Би Джей; Ханна, RC; Дорин, Р.; Гарднер, HJ (февраль 1980 г.). «Химическое и электрохимическое окисление гетерогенных углеродных анодов». Электрохимика Акта . 25 (2): 217–221. дои : 10.1016/0013-4686(80)80046-6.
  5. ^ аб Ф. Хабаши, «Добывающая металлургия алюминия», в Справочнике по алюминию: Том 2: Производство сплавов и производство материалов. том. 2, Дж. Э. Тоттен и Д. С. Маккензи, ред., первое издание: Марсель Деккер, 2003 г., стр. 1–45.
  6. ^ П.А. Фостер, «Фазовая диаграмма части системы Na 3 AlF 6 -AlF 3 -Al 2 O 3 », Журнал Американского керамического общества, том. 58, стр. 288–291, 1975 г.
  7. ^ Уэлч, Би Джей; Хайленд, ММ; Джеймс, Би Джей (февраль 2001 г.). «Будущие требования к материалам для высокоэнергоемкого производства алюминия». ДЖОМ . 53 (2): 13–18. Бибкод : 2001JOM....53b..13W. дои : 10.1007/s11837-001-0114-8. S2CID  136787092.
  8. ^ Бриссон, П.-Ю.; Дармштадт, Х.; Фафард, М.; Аднот, А.; Слуга, Г.; Суси, Г. (июль 2006 г.). «Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия исследование реакций натрия в углеродных катодных блоках электролизеров восстановления оксида алюминия». Карбон . 44 (8): 1438–1447. doi :10.1016/j.carbon.2005.11.030.
  9. ^ В. К. Фишер и др., «Параметры обжига и получаемое в результате качество анода», в Ежегодном собрании TMS, Денвер, Колорадо, США, 1993, стр. 683–689.
  10. ^ М. М. Гасик и М. Л. Гасик, «Выплавка алюминия», в Справочнике по алюминию: Том 2: Производство сплавов и производство материалов. том. 2, Дж. Э. Тоттен и Д. С. Маккензи, ред., изд. Марселя Деккера, 2003 г., стр. 47–79.
  11. ^ Обайдат, Мазин; Аль-Гандур, Ахмед; Фелан, Патрик; Вильялобос, Рене; Алхалиди, Аммар (17 апреля 2018 г.). «Энергетический и эксергетический анализ различных технологий восстановления алюминия». Устойчивость . 10 (4): 1216. дои : 10.3390/su10041216 . ISSN  2071-1050.
  12. ^ Харальдссон, Дж. (26 августа 2020 г.). «Влияние на использование первичной энергии, выбросы парниковых газов и связанные с этим затраты от повышения эффективности конечного использования энергии при электролизе при производстве первичного алюминия». Энергоэффективность . 13 (7): 1299–1314. дои : 10.1007/s12053-020-09893-1 . S2CID  225243592.
  13. ^ abcde Сибирский федеральный университет; Саи Кришна, Падамата; Андрей С., Ясинский; Сибирский федеральный университет; Петр В., Поляков; Сибирский федеральный университет (март 2018 г.). «Прогресс в области применения инертных анодов в алюминиевой промышленности: обзор». Журнал Сибирского федерального университета. Химия . 11 (1): 18–30. дои : 10.17516/1998-2836-0055 .
  14. ^ «Rio Tinto и Alcoa объявляют о первом в мире безуглеродном процессе выплавки алюминия; Apple помогает; СП Elies выходит на коммерциализацию» . Конгресс зеленых автомобилей . Проверено 30 апреля 2022 г.
  15. ^ Садовей, Дональд (май 2001 г.). «Инертные аноды для ячейки Холла-Эру: серьезная проблема с материалами» (PDF) . Проверено 29 апреля 2022 г.
  16. ^ Лю, Цзянь-юань; Ли, Чжи-ю; Тао, Юй-цян; Чжан, Доу; Чжоу, Кэ-чао (март 2011 г.). «Фазовая эволюция металлокерамического инертного анода 17 (Cu-10Ni)-(NiFe2O4-10NiO) при электролизе алюминия». Сделки Общества цветных металлов Китая . 21 (3): 566–572. дои : 10.1016/S1003-6326(11)60752-8.
  17. ^ «Мировой алюминий — энергоемкость выплавки первичного алюминия» . 18 января 2021 г.
  18. ^ «Информационный бюллетень по алюминию». Геонауки Австралии. Архивировано из оригинала 23 сентября 2015 г. Проверено 2 сентября 2015 г. В процессе плавки потребляется большое количество энергии; Для производства одной тонны алюминия из примерно двух тонн глинозема необходимо 14 – 16 МВтч электроэнергии. Поэтому наличие дешевой электроэнергии имеет важное значение для экономического производства.
  19. ^ «Лучшие практики энергоэффективности в австралийской алюминиевой промышленности» (PDF) . Департамент промышленности, науки и ресурсов – правительство Австралии. Июль 2000 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 сентября 2015 г. Проверено 2 сентября 2015 г.
  20. ^ «Австралийский совет по алюминию - Представление Комиссии по производительности расследования энергоэффективности» (PDF) .
  21. ^ Гупта, Амит; Басу, Бисваджит (август 2019 г.). «Устойчивое производство первичного алюминия: состояние технологии и будущие возможности». Труды Индийского института металлов . 72 (8): 2135–2150. дои : 10.1007/s12666-019-01699-9. ISSN  0972-2815. S2CID  181342550.
  22. ^ Ясинский, А.С.; Поляков П.В.; Ключанцев, А.Б. (март 2017 г.). «Динамика движения анодного газа в криолитовом расплаве – глиноземной высокотемпературной суспензии». Российский журнал цветных металлов . 58 (2): 109–113. дои : 10.3103/S1067821217020122. ISSN  1067-8212. S2CID  100529685.