TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNGBỘ MÔN CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ BẢN TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI : Công Nghệ Luyện Nhôm Bằng Phương Phát Kiềm Thiêu Kết & C
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
BỘ MÔN CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ BẢN
TIỂU LUẬN
ĐỀ TÀI : Công Nghệ Luyện Nhôm Bằng Phương Phát Kiềm Thiêu Kết
& Các Chất Thải Đặc Trưng Kèm Theo Trong Công Nghệ
Giáo viên hướng dẫn : TH.S Đinh Bách Khoa
Trang 2PHẦN MỘT : MỞ ĐẦU
1.1 Khái niệm chung
Nhôm là kim loại nhẹ quan trọng nhất trong cuộc sống con người và là một
trong bốn kim loại màu cơ bảnNhôm là một kim loại mềm, nhẹ, tỷ trọng nhỏ,
dễ uốn, dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc) Nhôm có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ Nó cũng không nhiễm từ và không cháy khi để ở ngoài không khí với điều kiện thông thường
Ngày nay, nhôm và các hợp chất của nhôm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống như chế tạo máy bay, ôtô, kỹ thuật điện, xây dựng,sản xuất gạch chịu lửa, sản xuất sơn, phèn, dụng cụ gia đình, Về khối lượng sử dụng, nhôm chỉ đứng sau sắt và thép Nhôm còn được sử dụng nhiều trong côngnghiệp quốc phòng, nên được coilà một trong những kim loại chiến lược
1.2 Vai trò trong nền kinh tế
Phát triển công nghiệp nhôm sẽ góp phần công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tạo điều kiện phát triển các ngành công nghiệp liên quan ở trung ương và địa phương, phát triển kinh tế xã hội, nâng cao dân trí cho đồng bào vùng miền
Trang 3đối ngoại tệ, tăng thu ngân sách, tạo công ăn việc làm và cải thiện đời sống cho hàng vạn người lao động.
Nhu cầu thị trường
Nước ta do chưa có công nghệ sản xuất nhôm nên với nhu cầu sử dụng ,nước ta nằm trong khu vực có nhu cầu nhập khẩu nhôm vào loại lớn nhất trên thế giới Hàng năm các nước ASEAN, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan phải nhập trên 4 triệu tấn nhôm, Trung Quốc và Nga nhập 3-4 triệu tấn alumin để điện phân nhôm(1) Với vị trí địa lý thuận lợi và mối quan hệ kinh tế truyền thống, đây là thịtrường và là khu vực tiềm tàng cho các sản phẩm nhôm của nước ta
Nhu cầu về sản phẩm nhôm trong nước ta hiện nay cũng khá lớn, mỗi năm nước
ta nhập khoảng 70.000 tấn nhôm kim loại(1) Dự báo nhu cầu nhôm trong những năm tới sẽ như sau:
Dự báo nhu cầu nhôm đến 2015(1) (đơn vị:tấn)
Về nhôm oxyt, nhu cầu nước ta hiện nay như sau: (1)
Lĩnh vực sử dụng Nhu cầu hiện nay (tấn Al2O3/năm)
Trang 4Nếu tính cả tới nhu cầu của các ngành khác, nhất là khi Việt Nam thực hiện chiến lược phát triển ngành công nghiệp luyện nhôm, thì triển vọng thị trường của ngành sản xuất và cung cấp nhôm oxit kỹ thuật trong tương lai là rất lớn.Nước ta cũng có nhu cầu lớn về sản phẩm phèn nhôm, ngoài ra phèn nhôm còn
có thể được xuất khẩu sang một số nước trong khu vực Năm 2001, Công ty Hóachất cơ bản Miền Nam đã xuất được 1500 tấn phèn nhôm
Tình hình ngành công nghiệp nhôm ở một số nước
Những nước và khu vực có nhiều quặng boxit là các nước Địa Trung Hải của châu Âu như Pháp, Italia, Nam Tư, Rumani, Hy Lạp, và một số nước châu Âu khác như Hungari, Nga, Cadăctan Những mỏ boxit lớn nhất thế giới nằm ở các nước châu Mỹ như Hoa Kỳ, Guyana, Haiti, Giamaica Các nước như ấn Độ, Trung Quốc, Auxtralia, Gana, Camơrun, Modămbich, Madagasca, Thổ Nhĩ Kỳ, Inđônexia, … cũng có những mỏ boxit lớn
Hiện nay, trên thế giới có khoảng 20 nước khai thác boxit, 25 nước sản xuất alumin và 40 nước sản xuất nhôm bằng phương pháp điện phân Năm 2000, tổng sản lượng các sản phẩm đó trên toàn thế giới như sau(1):
- boxit : 135 triệu tấn
- alumin : 52,8 triệu tấn
- nhôm : 24,4 triệu tấn
Những nước sản xuất boxit, alumin và nhôm quy mô lớn trên thế giới hiện nay
là (sản lượng năm 2000, triệu tấn) (1):
Trang 52.1 Nguyên liệu và năng lượng luyện nhôm:
Nguyên liệu luyện nhôm gồm có 2 loại : nguyên liệu tái sinh và quặng Nhôm sản xuất từ nguyên liệu tái sinh chiếm 30 – 32%(2) tổng sản lượng nhôm sản xuất
ra Quặng nhôm vẫn là nguyên liệu chủ yếu để luyện nhôm Nhôm là nguyên liệu có trữ lượng lớn trên vỏ trái đất ( lớn hơn sắt rất nhiều ) Chưa phát hiện nhôm thiên nhiên vì nhôm có ái lực rất lớn với oxy Theo Phec-man có tới 50 loại quặng có nhôm trong đó phần lớn là hợp chất của nhôm với oxy và SiO2 Nhưng quan trọng nhất , có giá trị công nghiệp là loại quặng : Boxit, nephelin, alumit, cao lanh và đất sét.Bên cạnh đó còn có các dung môi hòa tách…
QUẶNG BOXIT
Việt Nam có hai loại hình quặng boxit:
1/ Loại quặng bơsmit và diaspo, tập trung chủ yếu ở Miền Bắc Việt Nam, phân
bố ở các tỉnh Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang) Tổng trữ lượng dự đoán khoảng trên 350 triệu tấn, hàm lượng nhôm dao động trong khoảng 39-65
%(1) Cụ thể, quặng boxit phân bố như sau(1) :
Trang 6- nhóm tụ khoáng Hà Giang: tài nguyên ước đoán khoảng 60 triệu tấn.
- nhóm tụ khoáng Cao Bằng: tài nguyên ước đoán khoảng 240 triệu tấn
- nhóm tụ khoáng Lạng Sơn: tài nguyên đã được thăm dò và ước đoán khoảng
* Tài nguyên vùng Đắc Nông – Phước Long khoảng 1.570 triệu tấn
* Tài nguyên boxit vùng Lâm Đồng tập trung ở hai tụ khoáng là Tân Rai và BảoLộc
- Trữ lượng vùng khoáng Tân Rai khoảng 57 triệu tấn cấp C1, 120 triệu tấn cấp C2, hàm lượng Al2O3 khoảng : 44,69 %
- Trữ lượng vùng tụ khoáng Bảo Lộc khoảng 378 triệu tấn
Nói chung, quặng boxit nguyên khai ở Lâm Đồng đều có chất lượng không cao, hàm lượng Al2O3 chỉ khoảng 35 – 37%(1) Người ta phải tuyển rửa quặng nguyênkhai để thu được tinh quặng giàu nhôm hơn Sau khi tuyển, tinh quặng boxit ở các tụ khoáng Lâm Đồng cũng chỉ đạt hàm lượng 45 – 49% Al2O3(1)
Tuy nhiên, trừ những khu mỏ lớn ở Lâm Đồng, trữ lượng quặng còn lại được phân bố dàn trải, vỉa quặng không dày và hầu hết đều nằm trong các vùng canh tác nông, lâm nghiệp, có những khó khăn nhất định trong quá trình khai thác để sản xuất nhôm quy mô, do đụng chạm trực tiếp đến việc sử dụng đất canh tác, vấn đề cân bằng nước mặt, quặng thải, nước thái và nói chung là vấn đề sinh thái
Năng Lượng : Sử dụng năng lượng điện chuyển hóa thành nhiệt để ổn định
nhiệt độ trong các quá trình và điện phân
Trang 72.2 Sản xuất oxyt nhôm bằng phương pháp kiềm thiêu kết:
2.2.1 SƠ ĐỒ SẢN XUẤT NHÔM(2):
Điện phânCriolit sạch
Trang 9Dung dịch Natri Aluminat sạch
Xay nghiền
Nghiền thiêu kết phẩm
Cô đặc
Cacbonat hóaLắng lọc
Cặn đỏ
Trang 102.2.2 thiêu kết:(sơ đồ trên)
• Mục đính của thiêu kết là biến oxyt nhôm thành aluminat dễ tan và silit thành muối Silicat khó tan.Để đạt mụ đích ấy phải phối liệu theo tỉ lệ sau(2):
1 phân tử gam phối với 1 phân tử
1 phân tử gam SiO2 phối với 1 phần tử gam CaCO3
• Quặng boxit,dung dịch và cùng hồi liệu cho vào máy
nghiền,trộn nghiền rồi cho vào bể chứa.Phân tích thành phần hóa học ,điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu thiêu kết.Lò thiêu kết thường dùng nhất là lò ốngquay,chiều dài 60-70m(hiện nay có lò trên 100m) (2)đường kính 3-4m(nay có lò 5m) (2).Liệu ờ trong lò được nung đàn ,nước bốc hơi.Quặng khô lăn dần tới vùng nhiệt độ cao(1200-1300 C) (2) và xảy ra các phản ứng sau đây :
Nung lên 900 (2) trong liệu sẽ hết sút tự do.sản phẩm của phản ứng
1 và 2 lại tác dụng với oxyt canxi và oxyt nhôm:
Trang 11Ngoài ra , còn có các phản ứng tạo thành aluminat canxi pherit canxi và các hợpchất khác Nhiều công trình nghiên cứu đều thấy rằng nung lên 1200 C(2) thì đại
bộ phận ôxyt nhôm kết hợp thành aluminat Natri.Chúng vón thành hòn
,to,xốp,màu xám tro.Sản phẩm thiêu kết có 2 thứ:liệu chính và khí lò.Liệu chính
Có thể hòa tan bằng 2 cách: thấm tan và quấy tan.Phương pháp quấy tan được dùng phổ biến hơn
.Liệu chin’khi hòa tan trải qua các quá trình sau:
Aluminat Natri tan nhanh vào dung dịch Cũng có một số aluminat Natri bị thủy phân.Phản ứng này làm cho mất vào bã
Ferit Natri bị phân hủy như sau:
Trang 12Một số Silicat Natri cũng tan làm cho dung dịch không sạch vì vậy phải đem dung dịch khử
Trong quá trình hòa tan lượng , tan vào trong dung dịch nhiều hay ít phụ thuộc vào chất lượng và độ hạt của liệu chứa,phụ thuộc vào thiết bị hòa tan ,thời gian hòa tan,…v…v…Thực tế sản xuất phải qua thí nghiệm để chọn điều kiện hòa tan lợi nhất
2.2.4 Khử Silic ( )
Vì trong dung dịch có , này sẽ làm bẩn ôxyt nhôm cho nên phải khử trước khi kết tủa Hydroxyt Thực chất của quá trình khử là làm cho tạo thành hợp chất khó tan tách khỏi dung dịch aluminat Natri
Có hai phương pháp khử
(1)Nấu nóng lâu dài dung dịch để tạo thành alumosilicat Natri kết tủa,khó tan theo phản ứng :
+ 4 +2.2
Kết tủa này màu trắng gọi là bã trắng
(2)Nấu nóng dung dịch với vôi sẽ sinh ra alumôsiliccat Canxi là hợp chất kết tủa khó tan hơn alumosilicat Natr,do đó khử sạch hơn phương pháp trên
.2
Trang 13Mức độ khử ở cả 2 phương pháp trên đều phụ thuộc vào nồng
độ aluminat,nhiệt độ và thời gian.Dung dịch đặc có khả năng hòa tan nhiều alumosilicat và làm giảm tác dụng của vôi cho nên thường trước khi khử
phải pha loãng dung dịch.Nhiệt độ cao thời gian lâu có lợi cho quá trình khử cho nên tiến hành khử trong thùng áp lực với nhiệt độ là 150 C(2) và trong thời gian 2 đến 4 h.Dù sao , vẫn không thể khử hết hoàn toàn cho nên người ta dùng tỉ số silit để đánh giá mức độ khử.Tỉ số này càng lớn càng tốt.Thông thường khống chế lớn hơn400 ,500(2)
Sau khi khử đưa dung dịch để lắng và lọc ép Bã đưa về trộn cùng quặng và thiêu kết,dung dịch đệm được đưa đi cacbonat hóa
D Cacbonat hóa và thủy phân:
Tác dụng cacbonat hóa ,thủy phân là thong qua thổi khí vào dung dịch thúc đẩy aluminat Natri thủy phân kết tủa ở dạng hydroxyt nhôm theo phản ứng dưới đây.Khi thổi , tác dụng với NaOH
2NaOH + = Sau khi NaOH đều tạo thành , aluminat Natri trở nên khôngvững nữa mà thủy phân sinh ra hydroxyt nhôm
Trang 14dài >5 giờ thì sẽ tiết ra,hydroxyt nhôm sẽ bị bẩn Do đó quá trình
cacbonat hóa ,thủy phân phải kết thúc trước
Khi tiết ra nghĩa là kết thúc trước 4 giờ hay chỉ tiến hành thủy phân một nửa số trong dung dịch
Cacbonat hóa thủy phân tiến hành trong thùng cacbonat hóa giấy bằng máy quay cơ giới.Dung dịch khống chế ở 75 C-80 C(2) Dùng khí lò 12%-14%(2) sau khi đã làm sạch để cacbonat hóa.Sau khi cacbonat hóa ,thủy phânxong để trăng rồi lọc.Hydroxyt nhôm lọc ra đem nung trong lò ống quay,dung dịch tuần hoàn dùng lại
Trang 152.3 Sản xuất criolit và chất fluorua:
Criolit để luyện nhôm đều sản xuất theo phương pháp nhân tạo
Thường dùng nhất là phương pháp axit.Quá trình sản xuất như sau:dùng tinh quặng fluorin trộn với axit sunfuaric đậm đặc và nấu ở 200 được HF
Ca + + 2HF
Hơi dẫn HF vòa tháp hấp thụ bằng nước được dung dịch axit fluoric.Vì trong hơi HF có cho nên phải khử chất này trước khi dùng bằng cách cho sút vào:
Lọc bã, cho vào dung dịch trong,sẽ được
Cho nó tác dụng với sẽ được
Đem lọc sấy khô ở 130 đến 140 đóng bao và đưa về xưởng điện phân
nhôm.Sản xuất 1 tấn Criolit tốn (2):
Trang 162.5,Điện phân nhôm:
Điện phân nhôm thực hiện trong bể điện phân.Đáy bể nối với cực âm của nguồn điện khối than đã thiêu hay tự thiêu phía trên nối với cực dương Criolit+
.Khi có dòng điện một chiều tác dụng,nhôm bay ra ở cực dương.Oxy này đốt cháy cực than sinh ra CO và bốc ra.Trên mặt dung dịch quanh bể tạo thành lớp vỏ cứng trên lớp vỏ này rãi oxyt nhôm, cứ một thời gian lại cho vào dung dịch điện phân một ít oxyt nhôm bổ sung cho số đã bị điện phân
Chỉ tiêu kĩ thuật sản xuất 1 Tấn Al tốn(2):
Trang 171,92 T ,0,065 T criolit,0,035T ,0,7 T hồ cực dương.
Điện năng tốn 18200KW giờ
2.6 Tinh luyện Nhôm:
2.6.1 Các tạp chất trong nhôm thô
a Các tạp chất kim loại : gồm sắt, silic, titan, canxi, natri, đồng, ma-nhê, vanađi, ăng-ti-noan, măng-gan và ao-xê-nich Nhưng đồng thời các hợp chất này chỉ có sắt và silic là có nhiều nhất
b Các tạp chất phi kim loại : có thể gồm chất điện phân, ôxit nhôm, nitrit nhôm, các muối florua, các hạt than
c Các tạp chất thể khí : nhiều nhất là H2, H2 sẽ làm giảm cơ tính của nhôm và khiđúc và khi cán sẽ gây ra các khuyết tật như rỗ xốp, kẽ nứt, bọt khí,
2.6.2 Tinh luyện nhôm bằng phương pháp clorua hóa và nấu lại
a Thổi khí clo : Việc tinh luyện clorua hóa tiến hành trực tiếp trong thùng rót đặt trong xưởng điện phân Ta dung ống thạch anh hay ống graphit thổi khí clo qua nhôm lỏng Khi đó khí clo sẽ phản ứng mạnh với một phần của nhôm tạo khí AlCl3 Ở nhiệt độ này AlCl3 còn hấp phụ cả những muối florua, cacbit và hạt than rất nhỏ, những chất này dễ nổi lên bề mặt kim loại nóng chảy tạo ra bột xốp, Thổi khí clo vào nhôm lỏng còn lôi kéo cả những chất khí hòa tan trong
nhôm.Việc tinh luyện nhôm bằng phương pháp clorua hóa tiến hành ở
750-770oC(2) Ta thổi khí clo vào khoảng 10-15(2) phút tốn khoảng 0,5-1 kg(2) clo hao hụt nhôm là 1%
b Nấu lại nhôm trong lò điện : Sau khiclorua hóa còn nấu lại trong lò điện Lò điện để tinh luyện là lò điện trở kiểu lò phản ứng xa, dưới vòm lò ta đặt giây xoắn
to bằng Ni-Cr Khi đúc lò có thể quay được để rót kim loại vào đúc Năng lượng
Trang 18dung để nấu lại là 550-600kw/giờ(2) cho một tấn nhôm, khi nấu lại hao hụt kim loại là 1,5-2%(2).
2.6.3 Tinh luyện nhôm bằng điện phân
Như ta đã thấy thì sắt và silic là các tạp chất quan trọng nhất Kim loại nào có độ nguyên chất cao thỏa mãn được yêu cầu kĩ thuật nhưng nếu ta tăng mức độ
nguyên chất của nhôm lên nữa thì có độ dẫn điện cao, tính dẻo lớn và độ bền chống ăn mòn tăng cho nên nhôm có độ nguyên chất cao được dùng nhiều trong
kĩ thuật Vì vậy ta thực hiện điện phân ba lớp nộ dung như sau :
Nhôm thô làm cực dương do tác dụng của dòng điện nhôm nằm trong nhôm thô
bị hòa tan thành ion Al3+ , Al3+ về cực âm nhận electron biến thành nhôm nguyên chất Những nguyên tố có điện thế dương lớn hơn sẽ không bị hòa tan ở cực dương và sẽ bị nằm lại trong hợp kim cực dương Những kim loại có điện dương nhỏ hơn sẽ hòa tan ỏ cực dương và chuyển vào chất điện phân ở dạng ion và còn lại trong chất điện phân Trong khi tinh luyện nhôm bằng điện phân quá trình dương cực về mặt năng lượng cân bằng với quá trình âm cực vho nên điện thế của bể tinh luyện chỉ bằng sự giảm điện thế trong chất điện phân, trong dây dẫn
và trong các chỗ tiếp xúc Nhưng trong khi bể làm việc sẽ sinh ra 2 dây nồng độ,
do hai dây nồng độ này nên sinh ra một sức phẩn điện động nào đó, cho nên phải tăng dần điện thế ngoài bể
Bể điện phân dung để tinh luyện nhôm có cường độ dòng điện 1000 Ampe(2) Nhiệt độ thích hợp của quá trình điện phân là 760-800oC(2) Khi chiều cao của
;lớp hợp kim dương cực là 20-25 cm(2), lớp điện phân là 12-15cm(2), lớp nhôm âmcực là 10-15cm(2), điện thế của bể là 6-7 volt(2), mật độ dòng điện là 0,5 a/cm2. (2)
Hiệu suất dòng điện đạt tới 95%(2) Nhôm tinh luyện theo phương pháp này có độ nguyên chất khá cao 99,9986% Al Tạp chất cơ bản <0,0001% Fe, <0,002% Si và
<0,001% Cu(2)
Trang 19PHẦN 3 :ĐẶC TÍNH DÒNG THẢI VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
3.1 Bụi
3.1.1 lọc bụi trong xưởng thiêu kết:
Khí thoát ra từ máy thiêu kết phụ thuộc vào độ thấu khí của phối liệu,lượng
nhiên liệu có trong phối liệu và lượng không khí rò vào máy thiêu kết Lượng
khí thoát ra chiếm khoảng 2500 -4800 (3).Cho một tấn quặng thiêu kết hoặc
3000-4000 (3) cho 1 (3)hữu hiệu máy thiêu kết
Bụi có trong không khí thoát ra từ máy thiêu kết phụ thuộc lượng hạt nhỏ có
trong phối liệu,độ ẩm phối liệu và việc chuẩn bị.Giá trị của nó dao động trong
giới hạn 5-30 kg/T (3)quặng thiêu kết.Lượng bụi có trong không khí thường
khoảng 2-6 g/ (3).Hàm lượng các khí : ,CO phụ thuộc vào thành phần
quặng có thể dao động trong phạm vi lớn
Sự phân bố khí theo các buồng chân không của máy thiêu kết giống nhau.Lượngkhí thoát ra nhiều nhất ở các buồng đầu tiên và các buồng cuối cùng điều này
được chứng minh ở bảng dưới (3)
là nguội máy thiêu kết %
theo khối lượng
Khí thải ra từ hộp góp khí của nhà máy thiêu kết qua hệ thống thu bụi cho đến
nay ứng dụng thiết bị cuối cùng của hệ thống lọc bụi là xiclôn chùm.Qua nghiêncứu thực nghiệm nhiều năm chỉ rõ,hệ thống thiết bị này làm việc trong nhà máy
thiêu kết sẽ không thích hợp vì sự phân bố khí không đồng đều trong thiết bị do
kích thước của chúng lớn,các đơn nguyên xiclôn bị bào mòn nhanh và dễ bị tắc
Trang 20bẩn lượng không khí bị hút vào làm giảm hiệu quả bụi xuống 60-70% (3).Lượng khí làm sạch ra,một mặt không đạt nồng độ bụi yêu cầu trong khí ra môi trường khí quyển,mặt khác gây ăn mòn nhanh rôto của máy hút.Sơ đồ(3):
Những năm gần đây ,nhiều nhà máy thiêu kết đã bắt đầu áp dụng nhiều hệ
thống thiết bị lọc bụi theo phương pháp ẩm khác nhau Sơ đồ(3):
Thiết bị lọc bụi khí dùng tháp rửa ly tâm đặt sau xiclôn chum.Với hệ thống lọc khí này cho đạt hiệu suất thu bụi đến 0,96 -0,98 và hàm lượng bụi ra khỏi hệ thống còn lại 80-150 g/ Sơ đồ(3):
trong một số nhà máy khác chọn sơ đồ lọc bụi theo sơ đồ dưới đây
Các hệ thống lọc bụi đã phần nào làm giảm tác hại của bụi đến môi
trường,nhưng chưa đủ đáp ứng làm sạch đến địch mức vệ sinh môi trường
3 1.2.Làm sạch khí bằng phương pháp hóa học:
các cấu tử khí gây độc hại có trong không khí ra từ nhà máy thiêu kết là
,CO,CO2
Lượng thoát ra phụ thuộc vào dạng liên kết lưu huỳnh trong quặng-sunfat
Để làm sạch có thể dùng các phương pháp khác nhau: sữa
vôi,amooniac,sút,magiê ôxit(MgO)
máy thiêu kết hộp góp khí ống venturi Máy hút
ống khói
máy thiêu kết
máy thiêu kết hộp góp khí tháp rửa li tâm máy hút ống khói
máy thiêu kết hộp góp khí thiết bị lọc điện Máy hút ống khói
bình tách bọt