Tavení hliníku - Aluminium smelting

Namiřte huť Henryho v Austrálii
Přehled huti Point Henry provozované společností Alcoa World Alumina and Chemicals v Austrálii
Hliníková huť Straumsvik na Islandu
Hliníková huť Straumsvik provozovaná společností Rio Tinto Alcan na Islandu.

Tavení hliníku je proces získávání hliníku z jeho oxidu, oxidu hlinitého , obvykle procesem Hall-Héroult . Oxid hlinitý je extrahován z rudy bauxitu pomocí procesu Bayer při rafinérie oxidu hlinitého .

Jedná se o elektrolytický proces, takže huť na hliník používá obrovské množství elektrické energie; hutě bývají umístěny v blízkosti velkých elektráren, často hydroelektrických , aby se snížily náklady a snížila celková uhlíková stopa . Tavárny se často nacházejí v blízkosti přístavů, protože mnoho hutí používá dovážený oxid hlinitý.

Rozložení hliníkové huti

Proces elektrolýzy Hall-Héroult je hlavní výrobní cestou primárního hliníku. Elektrolytický článek je vyroben z ocelového pláště s řadou izolačních vyzdívek ze žáruvzdorných materiálů. Cela se skládá z vnějšího ocelového pláště lemovaného cihlami jako kontejneru a podpěry. Uvnitř skořepiny jsou katodové bloky stmeleny pěchovací pastou. Horní obložení je v kontaktu s roztaveným kovem a působí jako katoda. Roztavený elektrolyt je uvnitř buňky udržován při vysoké teplotě. Předpečený anoda je vyrobena z uhlíku ve formě velkých slinutých bloků suspendovaných v elektrolytu. Jako anoda se používá jedna Soderbergova elektroda nebo řada předpečených uhlíkových bloků, přičemž hlavní formulace a základní reakce probíhající na jejich povrchu jsou stejné.

Hliníková huť se skládá z velkého počtu článků (nádob), ve kterých probíhá elektrolýza. Typická huť obsahuje kdekoli od 300 do 720 nádob, z nichž každá produkuje asi tunu hliníku denně, ačkoli největší navrhované hutě mají až pětkrát větší kapacitu. Tavení probíhá dávkovým způsobem, přičemž kovový hliník je nanesen na dno nádob a pravidelně odsáván. Zejména v Austrálii se tyto hutě používají k řízení poptávky po elektrické síti a v důsledku toho je do huti dodávána energie za velmi nízkou cenu. Napájení však nesmí být přerušeno déle než 4–5 hodin, protože hrnce je třeba opravit za značné náklady, pokud tekutý kov ztuhne.

Zásada

Hliník se vyrábí elektrolytickou redukcí oxidu hlinitého rozpuštěného v roztaveném kryolitu .

Současně se oxiduje uhlíková elektroda, zpočátku na oxid uhelnatý

Přestože je při reakční teplotě termodynamicky zvýhodněna tvorba oxidu uhelnatého (CO), přítomnost značného přepětí (rozdíl mezi reverzibilním a polarizačním potenciálem) mění termodynamickou rovnováhu a směs CO a CO
2
se vyrábí. Idealizované celkové reakce lze tedy zapsat jako

Zvýšením proudové hustoty až na 1 A/cm 2 podíl CO
2
roste a spotřeba uhlíku klesá.

Protože k výrobě každého atomu hliníku jsou zapotřebí tři elektrony, spotřebuje tento proces velké množství elektřiny. Z tohoto důvodu jsou hutě hliníku umístěny v blízkosti zdrojů levné elektřiny, jako je vodní elektrárna .

Buněčné komponenty

Elektrolyt: Elektrolyt je roztavená lázeň kryolitu (Na 3 AlF 6 ) a rozpuštěného oxidu hlinitého. Kryolit je dobrým rozpouštědlem pro oxid hlinitý s nízkou teplotou tání, uspokojivou viskozitou a nízkým tlakem par. Jeho hustota je nižší než u tekutého hliníku (2 vs 2,3 g / cm 3 ), který umožňuje přirozené oddělení produktu ze soli v dolní části buňky. Cryolite poměr (NaF / AlF 3 ) v čistém kryolitu je 3, s teplotou tání 1010 ° C, a to tvoří eutektikum s 11% oxidu hlinitého při teplotě 960 ° C. V průmyslových buňkách se poměr kryolitu udržuje mezi 2 a 3, aby se teplota tání snížila na 940–980 ° C.

Katoda: Uhlíkové katody jsou v zásadě vyrobeny z antracitu, grafitu a ropného koksu, které jsou kalcinovány při teplotě přibližně 1200 ° C a před použitím ve výrobě katod rozdrceny a prosety. Kamenivo se mísí s černouhelnou smolou, tvaruje se a peče. Čistota uhlíku není tak přísná jako u anody, protože kovová kontaminace katodou není významná. Uhlíková katoda musí mít dostatečnou pevnost, dobrou elektrickou vodivost a vysokou odolnost proti opotřebení a pronikání sodíku. Antracitové katody mají vyšší odolnost proti opotřebení a pomalejší dotvarování s nižší amplitudou [15] než katody s grafitickým a grafitizovaným ropným koksem. Místo toho mají husté katody s více grafitickým řádem vyšší elektrickou vodivost, nižší spotřebu energie [14] a nižší bobtnání v důsledku pronikání sodíku. Otok má za následek časné a nerovnoměrné poškození katodových bloků.

Anoda: Uhlíkové anody mají specifickou situaci při tavení hliníku a v závislosti na typu anody je tavení hliníku rozděleno na dvě různé technologie; „Soderbergovy“ a „předpečené“ anody. Anody jsou také vyrobeny z ropného koksu, smíchaného s dehtovou smolou, následuje tváření a pečení za zvýšených teplot. Kvalita anody ovlivňuje technologické, ekonomické a environmentální aspekty výroby hliníku. Energetická účinnost souvisí s povahou anodových materiálů a také porézností vypálených anod. K překonání elektrického odporu předpečené anody (50–60 μΩm) je spotřebováno přibližně 10% energie článku. Uhlík se spotřebovává více, než je teoretická hodnota, kvůli nízké proudové účinnosti a neelektrolytické spotřebě. Nehomogenní kvalita anody v důsledku kolísání surovin a výrobních parametrů také ovlivňuje její výkon a stabilitu článku.

Předpřipravené spotřební uhlíkové anody se dělí na grafitizované a koksové. Pro výrobu grafitizovaných anod se kalcinuje a klasifikuje antracit a ropný koks. Poté se smíchají s černouhelnou smolou a lisují. Lisovaná zelená anoda se poté peče při 1200 ° C a grafitizuje. Koksové anody se vyrábějí z kalcinovaného ropného koksu, recyklovaných anodových butanů a dehtové smoly (pojivo). Anody se vyrábějí smícháním agregátů s dehtovou smolkou za vzniku pasty s těstovou konzistencí. Tento materiál se nejčastěji vibruje, ale v některých rostlinách se lisuje. Zelená anoda se pak slinuje při 1100–1200 ° C po dobu 300–400 hodin bez grafitizace, aby se zvýšila její pevnost rozkladem a karbonizací pojiva. Vyšší teploty pečení zvyšují mechanické vlastnosti a tepelnou vodivost a snižují reaktivitu vzduchu a CO 2 . Specifický elektrický odpor anod koksového typu je vyšší než u grafitizovaných anod, ale mají vyšší pevnost v tlaku a nižší pórovitost.

Soderbergovy elektrody (in-situ pečení), použité poprvé v roce 1923 v Norsku, se skládají z ocelového pláště a uhlíkaté hmoty, která se peče teplem unikajícím z elektrolytického článku. Materiály na bázi uhlíku Soderberg, jako je koks a antracit, jsou drceny, tepelně zpracovávány a klasifikovány. Tyto agregáty se smíchají s smolou nebo olejem jako pojivem, briketují se a naloží do skořápky. Teplota se zvyšuje od spodní části k horní části kolony a in-situ pečení probíhá, když je anoda spuštěna do lázně. Během pečení se uvolňuje značné množství uhlovodíků, což je u tohoto typu elektrod nevýhodou. Většina moderních hutí používá předpečené anody, protože řízení procesu je snazší a ve srovnání se Soderbergovými anodami je dosaženo o něco lepší energetické účinnosti.

Environmentální problémy hliníkových hutí

Tento proces produkuje množství fluoridového odpadu: perfluorované uhlovodíky a fluorovodík jako plyny a fluoridy sodíku a hliníku a nepoužitý kryolit jako částice. V nejlepších závodech v roce 2007 to může být až 0,5 kg na tunu hliníku, ve starších provedeních až 4 kg na tunu hliníku v roce 1974. Pokud nejsou pečlivě kontrolovány, fluorovodíky bývají velmi toxické pro vegetaci kolem rostlin. Plyny perfluorokarbonů jsou silné skleníkové plyny s dlouhou životností.

Soderbergův proces, který peče směs antracit/smola, když se spotřebovává anoda, produkuje značné emise polycyklických aromatických uhlovodíků, protože smůla se spotřebovává v huti.

Obložení hrnců skončí kontaminováno materiály tvořícími kyanid; Alcoa má způsob přeměny použitých obložení na fluorid hlinitý pro opětovné použití a syntetický písek použitelný pro stavební účely a inertní odpad.

Spotřeba energie

Tavení hliníku je energeticky velmi náročné a v některých zemích je ekonomické pouze tehdy, pokud existují levné zdroje elektřiny. V některých zemích mají hutě výjimky z energetické politiky, jako jsou cíle v oblasti obnovitelné energie .

Příklad hutí hliníku

Viz také

Reference