Добыча бокситов и переработка глинозема

По данным на примерно 85%, добыча бокситов во всем мире служит сырьем для производства глинозема. В Австралии добыча и переработка глинозема осуществляются в Квинсленде, Западной Австралии, Северной Территории и Тасмании с использованием передовых технологий добычи и переработки, которые не создают серьезных рисков для здоровья работников.

В 1886 году Чарльз Холл в Америке и Поль Эру в Франции независимо друг от друга разработали экономичный способ производства алюминия путем электролиза расплавленного криолита; этот способ стал известен как процесс Байера.

Горнодобывающая промышленность

Алюминий — один из самых распространённых элементов в природе, однако в чистом виде его добыть невозможно. Вместо этого он содержится в горных породах и отложениях в виде различных соединений, причём основным источником алюминия в мире является боксит, который необходимо добывать и перерабатывать в глинозем перед производством алюминия на горнодобывающих предприятиях по всему миру.

Процессы добычи и переработки алюминия сопровождаются образованием значительных объемов отходов, в том числе большого количества токсичных отходов, таких как TENORM, которые связаны с рядом заболеваний, включая фиброз, мезотелиому и болезни легких. Кроме того, тяжелые металлы вымываются из отвалов в водные источники, загрязняя их до потенциально опасных уровней, что ставит под угрозу целостность окружающей среды.

Для снижения воздействия на окружающую среду, связанного с производством глинозема, значительные ресурсы вкладываются в рекультивацию горных выработок и восстановление естественных сред обитания. К сожалению, эта деятельность сопряжена с определенными рисками для работников горнодобывающей и перерабатывающей отраслей, которые могут подвергаться риску развития респираторных и кожных заболеваний, включая мезотелиому, рак кожи и почек, дегенеративные заболевания легких или инфекционные заболевания, передаваемые в сообществе, такие как малярия или лихорадка денге, если в данном регионе присутствуют комары.

При добыче бокситов обычно применяются методы открытой добычи, причем на долю Австралии, Гвинеи и Китая приходится большая часть мирового объема добычи бокситов. Поскольку большая часть запасов бокситов находится в тропических зонах, добыча ведется именно там; крупные горнодобывающие компании, как правило, эксплуатируют рудники вблизи портовых сооружений, где имеется квалифицированная рабочая сила.

В соответствии с процессом Байера боксит дробят, промывают и измельчают, а затем растворяют в каустической соде под высоким давлением и при высокой температуре для получения перенасыщенного раствора алюмината натрия, известного как «насыщенный раствор», который затем перекачивают в высокие резервуары, называемые осадителями, куда добавляют зародыши гидроксида алюминия для инициирования осаждения кристаллов твердого гидроксида алюминия по мере охлаждения насыщенного раствора — этот осаждённый глинозем затем фильтруется и направляется непосредственно на площадки хранения бокситовых отходов.

Подготовка

Алюминий — один из самых распространённых элементов на Земле, известный своими такими свойствами, как лёгкость, ковкость, пластичность и устойчивость к коррозии. Однако, к сожалению, алюминий в природе не встречается в металлическом виде, поэтому для его производства необходимо добывать сырьё. Сначала бокситы необходимо переработать в глинозем (оксид алюминия). После получения этого вещества из него можно изготавливать различные формы, такие как заготовки, слитки и бруски, что в конечном итоге приводит к производству металлического алюминия.

Боксит является основным источником алюминия и, как правило, встречается в виде выветренного слоя, известного как латерит или дурикраст, на различных магматических породах; он состоит из оксида алюминия, оксида железа и диоксида кремния. Только месторождения, содержащие гиббит и бёмит с содержанием алюминия 65 и 85 процентов соответственно, могут экономически эффективно разрабатываться для производства глинозема; такие месторождения, как правило, встречаются преимущественно по обе стороны от экватора.

Для растворения алюминиесодержащих минералов, входящих в состав боксита (гиббита, бемита и диаспора), используются горячие растворы каустической соды. Этот процесс называется разложением или выщелачиванием, а получающийся в результате перенасыщенный раствор алюмината натрия — «богатым раствором». После отделения от исходного глинозема нерастворимый диоксид кремния, содержащийся в боксите, необходимо отделить путем фильтрации от остаточного красного шлама, оставшегося после фильтрации, который в конечном итоге будет утилизирован.

Для процесса переработки требуются большие объемы воды. Вода также необходима для производства водного раствора каустической соды и других химических веществ; для промывки руды, остатков, отходов переработанной каустической соды и прочих отходов; а также для борьбы с пылью. Потребление воды варьируется в зависимости от завода в зависимости от качества бокситов, конструкции завода и доступности водных ресурсов в данном регионе.

Традиционные производственные методы предполагали добавление фторида кальция во время прокаливания с целью снижения содержания натрия в исходном сырье для производства глинозема; однако из-за опасений, связанных с выбросами фторидов в атмосферу, от этой практики впоследствии отказались. В связи с этими требованиями пришлось разработать новые технологии переработки глинозема с низким содержанием натрия. Глинозем, полученный этим методом, измельчают в абразивной мельнице с использованием уксусной кислоты для удаления соды и получения продукции с низким содержанием натрия. Осаждение глинозема требует барботирования газообразной соляной кислотой с образованием кристаллов гексагидрата хлорида глинозема, которые затем фильтруются, центрифугируются, промываются соляной кислотой, повторно фильтруются, а затем растворяются в горячей воде с получением суспензии оксида алюминия (ALO), пригодной для дальнейшей переработки.

Переработка

Алюминий, которым мы пользуемся каждый день, получают в результате сложной цепочки химических реакций, начинающейся с переработки бокситов. Глинозем (Al₂O₃) служит сырьем для производства первичного алюминия электролитическим способом; однако его применение выходит далеко за рамки первичного производства; для получения одной тонны первичного алюминия требуется примерно две тонны глинозема; фактически он также играет важную роль во многих других химических процессах, например, в производстве огнеупорных материалов, используемых для футеровки высокотемпературных вращающихся печей и печей, в качестве абразивного материала, а также в процессах очистки воды.

Добыча бокситов в основном осуществляется методами открытой добычи, причем на долю трёх стран — Австралии, Китая и Гвинеи — приходится 72% мирового объёма добычи. Бокситы извлекаются из земли с помощью таких методов, как взрывные работы, бурение и разрыхление с помощью крупных бульдозеров, после чего транспортируются непосредственно на близлежащие глиноземные заводы для дальнейшей переработки.

Очистка глинозема представляет собой сложный четырехэтапный процесс. Сначала бокситы необходимо промыть и отфильтровать для удаления примесей, таких как кремнезем. Затем зелёный раствор нагревают до высоких температур в печи с добавлением каустической соды для перемешивания до тех пор, пока в осадительных чанах не начнётся кристаллизация с использованием в качестве зародышей частиц раствора гидроксида оксида алюминия, засеянных с помощью засевателей; осаждение стимулирует дальнейший рост кристаллов из раствора гидроксида оксида алюминия, после чего процесс переходит к последующим этапам рафинирования.

На глиноземных заводах и в горных цехах часто проводятся сварочные работы, что приводит к воздействию дыма и пыли, способных вызвать заболевания органов дыхания и травмы. Поэтому должны быть внедрены меры контроля для минимизации этого риска, воздействия вибрации и воздействия опасных веществ, поскольку в тропических регионах, где работа на открытом воздухе является нормой, возникают и другие проблемы гигиены труда: потенциально возрастает риск теплового стресса для работников, а усталость от вибрации всего тела связывают с эксплуатацией такого оборудования, как скреперы, буровые установки, грузовики или экскаваторы.

Плавка

Глинозем является основным сырьем, необходимым для производства алюминия. Его получают в ходе четырёхэтапного процесса, известного как процесс Байера — названного в честь его разработчика Карла Йозефа Байера. Бокситовую руду измельчают до мелкой фракции и подают в нагреваемый паром варильный котёл, где она под давлением смешивается с раствором каустической соды с образованием раствора алюмината натрия (зелёного раствора), а отходы каустической соды возвращаются в процесс варки в качестве сырья; Затем глинозем можно извлечь путем выпаривания и кристаллизации, получая белый порошок, известный как гиббит.

Получение слитков из глинозема >>На этапе восстановления глинозем растворяется в так называемых восстановительных ваннах — глубоких прямоугольных стальных корпусах, выстланных углеродом или графитом, в которых находится электролит из криолита. Через эту смесь проходит электрический ток, при этом углеродные аноды служат в качестве катодов; алюминий и кислород из глинозема вступают в реакцию с углеродным анодом с образованием углекислого газа, который затем вступает в реакцию с металлическими алюминиевыми анодами, выступающими в качестве катодов, с образованием углекислого газа, при этом металлические алюминиевые аноды остаются на катоде, оставляя на катоде только металлический алюминий; затем он поступает в выдерживающие печи, где из него удаляются примеси, добавляются легирующие элементы, после чего он разливается в слитки.

Слитки оксида алюминия используются для производства широкого спектра изделий. Их можно прокатывать в листы, фольгу и прутки; экструдировать в длинные стержни, используемые для производства проволоки; либо подвергать сухому изостатическому прессованию или литью для получения длинных стержней, применяемых при изготовлении проволоки. Алюминиевые слитки также могут быть преобразованы в различные формы посредством горячей или холодной прокатки; литья в форму; литья под давлением или методов литья под давлением.

Предприятия горнодобывающей, нефтеперерабатывающей и металлургической отраслей стремятся свести к минимуму свое воздействие на окружающую среду за счет использования энергоэффективного оборудования и разработки технологий вторичной переработки. По завершении добычи полезных ископаемых принимаются меры по восстановлению земель в их первоначальное состояние сразу же после прекращения добычи. Загрязнение воздуха можно контролировать с помощью надлежащих систем вентиляции, а также устройств очистки воздуха, таких как скрубберы. Загрязнение воды можно снизить за счет переработки шлака, сточных жидкостей и газов с целью их повторного использования.