Η πολυπλοκότητα της εξόρυξης αλουμινίου

Η εξόρυξη αλουμινίου από βωξίτη είναι μια από τις πιο πολύπλοκες βιομηχανικές διαδικασίες στον κόσμο, η οποία περιλαμβάνει ένα τεράστιο έργο επιστημονικής και μηχανικής αριστείας που εξασφαλίζει την αδιάλειπτη παροχή αυτού του βασικού μετάλλου.

Η όξινη διεργασία χρησιμοποιεί θειικό, υδροχλωρικό ή νιτρικό οξύ ως διαλύτες για την έκπλυση ακαθαρσιών όπως οξείδια σιδήρου και τιτανίου από τον βωξίτη. Τα πρότυπα XRD έδειξαν ότι όσο αυξανόταν η συγκέντρωση αλκαλίων, τόσο αυξανόταν και ο λόγος εκχύλισης αλουμίνας.

Πέψη

Το αλουμίνιο είναι ένα από τα πιο άφθονα μέταλλα στη Γη, αλλά η καθαρή μορφή του δεν μπορεί να βρεθεί στη φύση. Αντίθετα, η εξόρυξή του απαιτεί πολλά στάδια που περιλαμβάνουν χώνευση, διαύγαση, καταβύθιση και πύρωση προκειμένου να φτάσει στην κατάσταση του τελικού προϊόντος - αυτό καθιστά το αλουμίνιο ένα από τα πιο ενεργοβόρα βιομηχανικά προϊόντα στον κόσμο.

Η χώνευση αποτελεί βασικό στάδιο της διαδικασίας Bayer για την εξόρυξη αλουμινίου από το μετάλλευμα βωξίτη. Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν την απόδοσή της, όπως η θερμοκρασία του αιωρήματος, η συγκέντρωση καυστικής σόδας και η αναλογία καυστικού. Για τη βελτιστοποίηση του ρυθμού χώνευσης θα μπορούσατε να μειώσετε τη θερμοκρασία, να αυξήσετε την αναλογία καυστικού ή να χρησιμοποιήσετε υψηλότερες συγκεντρώσεις καυστικού, αλλά αυτά τα μέτρα θα αποδειχθούν πιθανότατα πιο δαπανηρά και ενοχλητικά για τα διυλιστήρια από ό,τι χρειάζεται.

Στο πλαίσιο της διαδικασίας χώνευσης, το μεγαλύτερο μέρος του σιδήρου του βωξίτη μετατρέπεται σε ανεξάρτητη φάση ιλμενίτη, ενώ το μη μαγνητικό υλικό παραμένει ως διαογυδαϊτοειδές και αργιλοπυριτικό νάτριο. Ο διαχωρισμός των μη μαγνητικών υλικών βελτιώνει τη χώνευση της αλουμίνας- ωστόσο, λόγω των κλειστών ορυκτών που υπάρχουν στη δομή του, ο διαογυνταοΐτης μπορεί να μην χωνεύεται εύκολα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες χώνευσης.

Το μέσο ενεργειακό κόστος που σχετίζεται με την παραγωγή αλουμίνας διαφέρει σημαντικά μεταξύ των χωρών λόγω παραγόντων όπως ο τύπος της χρησιμοποιούμενης τεχνολογίας, ο βωξίτης που χρησιμοποιείται και οι διαδικασίες χώνευσης που διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους. Υπάρχουν, ωστόσο, ορισμένοι κοινοί παράγοντες που συμβάλλουν στην αυξημένη χρήση ενέργειας, όπως

Η διαδικασία χώνευσης αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της χρήσης ενέργειας κατά την παραγωγή αλουμίνας, καθώς απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια και νερό για τη θέρμανση και την ανάδευση του πολτού, καθώς και για την απομάκρυνση των αργιλικών ακαθαρσιών από αυτόν. Για να γίνει η βέλτιστη χώνευση και να μειωθεί η σπατάλη ενέργειας, οι επιστήμονες πρέπει να μελετήσουν τις τρέχουσες συνθήκες που περιβάλλουν τη χρήση της. Οι επιστήμονες μπορούν να το επιτύχουν αυτό συγκεντρώνοντας δεδομένα και πληροφορίες από το κέντρο εγγράφων και παίρνοντας συνεντεύξεις από ειδικούς της γραμμής παραγωγής, και στη συνέχεια συγκρίνοντας την τρέχουσα κατάσταση της διαδικασίας χώνευσης με τον αρχικό σχεδιασμό της, προκειμένου να εντοπίσουν τις σημαντικότερες αποκλίσεις.

Διευκρινίσεις

Η εξόρυξη αλουμινίου μπορεί να είναι μια πολύπλοκη και ενεργοβόρα διαδικασία, αλλά απαραίτητη για πολλές εμπορικές και βιομηχανικές εφαρμογές. Ως εκ τούτου, η κατανόηση αυτής της πολύπλοκης διαδικασίας για τη διασφάλιση της επιτυχίας της είναι εξαιρετικά σημαντική - τα διαγράμματα μπορούν να βοηθήσουν να φωτιστούν οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της παραγωγής και συνθέτουν αυτή την πολύπλοκη διαδικασία και η σημασία τους για την εφαρμογή της.

Ένα από τα βασικά στάδια περιλαμβάνει τη διύλιση του βωξίτη σε αλουμίνα και τελικά σε μέταλλο αλουμινίου, είτε μέσω ηλεκτρόλυσης είτε μέσω της διαδικασίας Bayer. Και οι δύο διαδικασίες παρέχουν αξιόπιστες προμήθειες μεταλλικού αλουμινίου μέσω αυτών των διαδικασιών. Και οι δύο εξαρτώνται από την ηλεκτρόλυση ως πηγή παραγωγής.

Το μετάλλευμα βωξίτη είναι μια άφθονη πηγή αλουμινίου και απαιτεί σημαντική επεξεργασία για να μετατραπεί σε διάλυμα πλούσιο σε αλουμίνα, έτοιμο για το επόμενο στάδιο. Η χώνευση περιλαμβάνει τη θραύση του μεταλλεύματος βωξίτη πριν από την ανάμιξή του με θερμά πυκνά διαλύματα υδροξειδίου του νατρίου, προκειμένου να διαλυθεί η περιεκτικότητά του σε αλουμίνα, οδηγώντας σε διαυγές υγρό. Ακολουθεί η διαύγαση, όπου οι προσμίξεις (συλλογικά γνωστές ως ερυθρά ιλύς) διαχωρίζονται πριν από την καταβύθιση και την πύρωση που μπορούν να λάβουν χώρα στο διαυγασμένο υγρό.

Για τη μετατροπή της αλουμίνας σε καθαρό αλουμίνιο απαιτείται τήξη μέσω ηλεκτρόλυσης. Το μίγμα αλουμίνας-υδροξειδίου του νατρίου τοποθετείται στη συνέχεια σε διάλυμα κρυολίθου (φθοριούχο αργίλιο του νατρίου), όπου πρέπει να δαπανηθεί εξαιρετικά μεγάλη ποσότητα ενέργειας για τη διατήρηση αυτής της κατάστασης- για την παραγωγή ενός τόνου αλουμίνας απαιτούνται 14.000-16.000 κιλοβατώρες.

Η θερμότητα που παράγεται κατά τη διαδικασία αυτή οδηγεί σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση. Καθώς το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσα από το σύστημα, το οξυγόνο παράγεται στην άνοδο και συνδυάζεται με τον άνθρακα για να σχηματίσει αέριο διοξείδιο του άνθρακα- το υπόλοιπο λιωμένο αλουμίνιο συγκεντρώνεται στην κάθοδο, η οποία είναι επενδεδυμένη με γραφίτη ή άνθρακα- αφαιρείται περιοδικά και μεταφέρεται σε φούρνους συγκράτησης- αφού καθαριστεί περαιτέρω και προστεθούν κραματικά στοιχεία όπως απαιτείται, χύνεται σε ράβδους για μελλοντικές εφαρμογές.

Βροχόπτωση

Ένα από τα βασικά στάδια της εξόρυξης αλουμίνας είναι η καταβύθιση. Οι αντιδράσεις καταβύθισης γίνονται με διάφορες μορφές, με σκοπό την εξαγωγή κρυστάλλων υδροξειδίου του αργιλίου από ρεύματα αποβλήτων. Ο Karl Bayer χρησιμοποίησε λεπτόκοκκους κρυστάλλους ως σπόρο για το αρχικό αναπτυξιακό του έργο- η προσέγγιση αυτή αυξάνει την απόδοση, αλλά μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερες συγκεντρώσεις ανθρακικών αλάτων και να αυξήσει την παραγωγή ακαθαρσιών, όπως πυρίτιο, το οποίο μειώνει το ποσοστό ανάκτησης του αλουμινίου.

Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, διάφορα ερευνητικά προγράμματα αξιολογούν επί του παρόντος την αποτελεσματικότητα των διαφόρων ρητινών ανταλλαγής ιόντων στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της καθίζησης. Οι ρητίνες ανταλλαγής ιόντων είναι πολυμερή υλικά υψηλού μοριακού βάρους που περιέχουν πολυάριθμες ιοντικές λειτουργικές ομάδες σε κάθε μόριο, οι οποίες συνήθως περιλαμβάνουν είτε ομάδες σουλφονικού οξέος είτε ομάδες καρβοξυλικού οξέος για την ανταλλαγή. Και οι δύο τύποι ρητίνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκχύλιση σόδας από καυστικά διαλύματα, οδηγώντας σε μείωση τόσο του ολικού καυστικού (TC) όσο και του ολικού αλκαλίου (TA). Επιπλέον, οι ρητίνες ανταλλαγής κατιόντων μπορούν να εξουδετερώσουν τα ιόντα νατρίου που υπάρχουν στο χρησιμοποιημένο υγρό Bayer με αποτέλεσμα την αύξηση του υπερκορεσμού σε σχέση με τη διαλυτότητα της αλουμίνας.

Σε διάφορες συνθήκες ενανθράκωσης, παρατηρήθηκε ότι η παρουσία οξυγόνου είχε ευεργετικό αντίκτυπο στα ποσοστά καθίζησης. Πιο συγκεκριμένα, η θερμοκρασία στην οποία ξεκίνησε η καταβύθιση αυξήθηκε σημαντικά, ενώ η ανάλυση XRD του ιζήματος έδειξε ότι περιείχε dawsonite, όπως προέβλεπαν οι θερμοδυναμικοί υπολογισμοί.

Η καταβύθιση της αλουμίνας είναι ένα από τα πιο κρίσιμα και δύσκολα στάδια στην παραγωγή αλουμινίου από τη χώνευση του βωξίτη. Η καταβύθιση πρέπει να λάβει χώρα για την παραγωγή υδροξειδίου της αλουμίνας για κατανάλωση από τους κλιβάνους πύρωσης των χυτηρίων αλουμινίου- συνεπώς, ο εξοπλισμός φίλτρων και διαχωρισμού που χρησιμοποιείται στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας πρέπει να λειτουργεί υπό εξαιρετικά αυστηρές συνθήκες.

Ο εξοπλισμός διήθησης και διαχωρισμού που βρίσκεται σε εργοστάσια αλουμίνας πρέπει να είναι στιβαρός, ανθεκτικός, αξιόπιστος και μακράς διάρκειας για σωστή λειτουργία σε σκληρά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων, ενώ παράλληλα απομακρύνει τα ιδιαίτερα λειαντικά υπολείμματα βωξίτη που μπορεί να προκαλέσουν ζημιά σε άλλο εξοπλισμό, όπως αντλίες, αναμίκτες και αναδευτήρες. Ως εκ τούτου, μερικές από τις καλύτερες συσκευές φιλτραρίσματος και διαχωρισμού στον κόσμο μπορούν να βρεθούν σε τέτοιες εγκαταστάσεις.

Πυράκτωση

Η πύρωση είναι το τελικό συνθετικό στάδιο της διαδικασίας και επηρεάζει πολλαπλά τη μορφολογία, τη σύσταση φάσεων και τη χημική σύσταση της αλουμίνας. Η θερμοκρασία και η διάρκεια της αντίδρασης έχουν συνήθως τη μεγαλύτερη επιρροή- η θερμοκρασία πρέπει να καθορίζεται ανάλογα με τους επιθυμητούς στόχους μορφολογίας/σύνθεσης καθώς και με την κατασκευή ή άλλες χρήσεις αυτού του υλικού αλουμίνας- ο χρόνος που απαιτείται για την επίτευξη αυτού του αποτελέσματος θα υπαγορεύσει τη διάρκειά της.

Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος πύρωσης περιλαμβάνει έκπλυση αργίλων καολίνη με υδροχλωρικό οξύ πριν από την καταβύθιση εξαϋδρικών κρυστάλλων χλωριούχου αργιλίου με υδροχλωρικό οξύ και στη συνέχεια πύρωση σε υψηλή θερμοκρασία με αέρα για την παραγωγή αλουμίνας. Αυτή η προσέγγιση έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι των διαδικασιών που χρησιμοποιούν θειικό ή νιτρικό οξύ, καθώς είναι ευκολότερη η αναγέννηση του υδροχλωρικού οξέος από τις εναλλακτικές του.

Οι προηγούμενες διεργασίες πύρωσης κατανάλωναν σημαντική ενέργεια για την ανύψωση των εξαϋδρικών κρυστάλλων πάνω από 500-1.100 βαθμούς Κελσίου για την παραγωγή αλουμίνας, αλλά μεγάλο μέρος της ενέργειας αυτής καταναλωνόταν κατά τα στάδια χαμηλής θερμοκρασίας για την εξαγωγή του συνδυασμένου νερού και την ανύψωση των ενδιάμεσων κρυσταλλικών μορφών της εξαϋδρικής κρυσταλλικής μορφής. Επιπλέον, κάθε στάδιο κατανάλωνε μόνο ένα μέρος της συνολικής διαθέσιμης ενέργειας.

Αναπτύχθηκε μια καινοτόμος διαδικασία πύρωσης που μειώνει σημαντικά τη χρήση ενέργειας τόσο στα στάδια πύρωσης υψηλής θερμοκρασίας όσο και στα στάδια ψύξης, μειώνοντας σημαντικά τις συνολικές ενεργειακές απαιτήσεις για την παραγωγή αλουμίνας. Στο επίκεντρο βρίσκεται ένα σύστημα ανταλλαγής θερμότητας το οποίο χρησιμοποιεί σταδιακή θέρμανση του εξαϋδρικού άλατος μέσω πολλαπλών σταδίων ανταλλαγής θερμότητας σε σταδιακά υψηλότερες θερμοκρασίες που πλησιάζουν τη θερμοκρασία πύρωσης πριν από την τροφοδοσία του σε έναν κλίβανο για την τελική μετατροπή σε αλουμίνα. Ο εξαϋδρίτης ψύχεται περαιτέρω μέσω διαφόρων σταδίων ανταλλαγής θερμότητας, με την αισθητή θερμότητα να μεταφέρεται από τα στάδια ψύξης στα στάδια θέρμανσης σε θερμοκρασίες ελαφρώς υψηλότερες από εκείνες στις οποίες καταναλώνεται στο συγκεκριμένο στάδιο.