các quá trình sản xuất cơ bản của luyện nhôm

TIỂU LUẬN CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ BẢN *** - LUYỆN NHÔM Nhóm thực Trịnh quang Vinh Hồng Thị Lưu Chu Văn Thiện Đoàn Thanh Tuấn Mục lục PHẦN I I TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TRÊN THẾ GIỚI HIỆN NAY I.1 Giới thiệu chung nhôm I.2 Lịch sử ngành Sản xuất nhôm I.3 Tình hình sản xuất sử dụng nhơm giới II TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TẠI VIỆT NAM HIỆN NAY II.1 Phân bố quặng nhơm tình hình sản xuất nước II.2 Một số nhà máy luyện nhôm sản xuất thành phẩm nhôm l ớn Việt Nam PHẦN II phẦN III PHẦN IV XỬ LÝ DÒNG THẢI I CHẤT THẢI RẮN I.2.1 Công Nghệ Chôn Lấp II.2.3 Cơng Nghệ Hóa Lý II- KHÍ THẢI II.1 Thành Phần Hỗn Hợp Khí II.1.1 Qui Trình Xử Lý Bụi III NƯỚC THẢI IV ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI KHÍ HẬU 46 PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÌNH HÌNH LUYỆN NHƠM HIỆN NAY TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM I TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHƠM TRÊN THẾ GIỚI HIỆN NAY I.1 Giới thiệu chung nhôm Nhôm kim loại mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, có lớp mỏng ơxi hóa tạo thành nhanh để trần ngồi khơng khí Tỷ trọng riêng nhơm khoảng phần ba sắt hay đồng; mềm (chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) dễ dàng gia công máy móc hay đúc; có khả chống ăn mịn bền vững lớp ơxít bảo vệ Nó khơng nhiễm từ khơng cháy để ngồi khơng khí điều kiện thơng thường Tổng quát Tên, Ký hiệu, Số Nhôm, Al, 13 Phân loại kim loại yếu Nhóm, Chu kỳ, Khối 13, 3, p Khối lượng riêng, Độ cứng 2.700 kg/m³, 2,75 Bề màu trắng bạc Tính chất nguyên tử Khối lượng nguyên tử 26,981538 đ.v Bán kính nguyên tử (calc.) 125 (118) pm Bán kính cộng hố trị 118 pm Cấu hình electron [Ne]3s 3p Trạng thái ơxi hóa (Ơxít) (lưỡng tính) Cấu trúc tinh thể hình lập phương Tính chất vật lý Trạng thái vật chất rắn Điểm nóng chảy 933,47 K (1.220,58 °F) Điểm sơi 2.792 K (4.566 °F) Trạng thái trật tự từ thuận từ -6 Thể tích phân tử 10 ×10 m³/mol Nhiệt bay 293,4 kJ/mol Nhiệt nóng chảy 10,79 kJ/mol Áp suất 100.000 Pa 2.792 K Thông tin khác Độ âm điện 1,61 (thang Pauling) Nhiệt dung riêng 897 J/(kg·K) Độ dẫn điện 3,774x10 /Ω·m Năng lượng ion hóa 577,5 kJ/mol 1.816,7 kJ/mol 2.744,8 kJ/mol 11.577 kJ/mol 14.842 kJ/mol 18.379 kJ/mol 23.326 kJ/mol 27.465 kJ/mol 31.853 kJ/mol 10 38.473 kJ/mol 11 42.647 kJ/mol 12 201.266 kJ/mol 13 222.316 kJ/mol I.2 Lịch sử ngành Sản xuất nhôm Mặc dù nhôm nguyên tố phổ biến vỏ trái đất (8,1%), lại dạng tự cho kim loại q có giá trị vàng (Người ta nói Napoleon III Pháp có đồ ăn nhơm dự phịng cho người khách quý ông Những người khách khác có đồ ăn vàng) Vì nhơm kim loại tương đối công nghiệp sản xuất với số lượng công nghiệp khoảng 100 năm Khi phát nhôm khó tách khỏi loại đá có chứa Vì tồn nhơm Trái Đất nằm hợp chất nên kim loại khó nhận Lý nhơm bị ơxi hóa nhanh ơxít nhơm hợp chất ổn định, khơng giống gỉ sắt, khơng bị bong Người khởi nghiệp Vào cuối kỷ thứ XIX, nhơm thứ kim loại q, cịn bạc Tổng lượng nhôm sản xuất Mỹ vào năm 1884 có 125 pound (01 pound tương đương 450 gram) Tại Trường Cao đẳng Oberlin Bang Ohio, Giáo sư Frank Jewett cho sinh viên thấy mẩu nhơm nhỏ nói với họ rằng, người tìm phương pháp sản xuất cách kinh tế thứ kim loại q người trở nên giàu có Charless Martin Hall số sinh viên Say mê với mẩu kim loại từ 12 tuổi, Hall nung nấu lòng khát vọng sản xuất nhôm ông biến nhà kho gỗ nhỏ đằng sau vườn nhà thành phịng thí nghiệm thơ sơ để hàng ngày vùi vào nghiên cứu Tài liệu tham khảo Suốt thời gian học sau tốt nghiệp, Hall liên tục miệt mài với thí nghiệm nhà kho tự chế tạo nồi nấu kim loại cacbon để phục vụ việc tạo ôxít nhôm-alumina Đầu năm 1886, ông đổ đầy dung dịch cryolite có chứa alumina (Al2O3) vào nồi nấu kim loại cho dịng điện chạy qua Kết ông thu đống lổn nhổn chất đông cứng, ơng chúng nguội đi, sau dùng búa đập vụn Trong đám bụi bốc lên có thấy vài mảnh nhôm nguyên chất Điện phân nhôm tiêu tốn lượng điện lớn, chi phí điện chiếm 25% giá thành; để làm chảy nhôm cần khoảng 13,5 - 18,5 MWh để tách nhôm khỏi oxi alumina; mức tiêu thụ thấp 13.500 kWh/tấn nhôm nhà máy điện phân nhôm Moral BHP Mozambic, cao 16.292 Kwh/tấn nhơm nhà máy Bratsk Nga Vì vậy, sản xuất nhôm đem lại hiệu giá điện thấp < US cent/kWh Để có giá thành hạ, cơng ty thường có nhà máy điện riêng, hầu hết thuỷ điện Alcan có tới 11 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 4.156 MW, Alcoa tự sản xuất 25% lượng điện cho sản xuất Tái chế nhôm Sự tái chế nhôm từ phế thải trở thành thành phần quan trọng công nghiệp luyện nhôm Việc tái chế đơn giản nấu chảy kim loại, rẻ nhiều so với sản xuất từ quặng Việc tinh chế nhôm tiêu hao nhiều điện năng; việc tái chế tiêu hao khoảng 5% lượng để sản xuất khối lượng sản phẩm Một thực tế phổ biến đầu thập niên 1900 việc tái chế nhôm không Tuy nhiên, lĩnh vực hoạt động trầm lắng tận năm cuối thập niên 1960 bùng nổ việc sử dụng nhôm để làm vỏ loại đồ uống cuối đưa việc tái chế nhôm vào tầm ý cộng đồng Các nguồn tái chế nhôm bao gồm ô tô cũ, cửa cửa sổ nhôm cũ, thiết bị gia đình cũ, contener sản phẩm khác I.3 Tình hình sản xuất sử dụng nhơm giới Tình hình sản xuất nhơm từ năm 2000 đến hết năm 2007 giới: ( Số liệu IAI ) Tình hình sản xuất tháng đầu năm 2008 : 10 PHẦN IV XỬ LÝ DỊNG THẢI ********** Cơng nghệ sản xuất nhơm gồm nhiều trình phức hợp, mà chất thải trình khác chất chứa chúng khác tùy thuộc vào q trình Một cách tương đói chia dòng thải thành loại: + chất thải rắn + khí thải + nước thải + ảnh hưởng đến vi khí hậu I CHẤT THẢI RẮN 34 I.1 Thành phần Trong q trình có loại chất thải khác đa phần đất đá có lẫn bụi quặng kim loại tạp dạng hợp chất, ngồi cịn có loại chất thải phát sinh ngồi q trình luyện Quặng đưa vào luyện nhơm chứa nhiều tạp chất đất, đá,các kim loại tạp chất tồn dạng hợp chất… Vì trước đưa vào lò luyện quặng cần xử lý sơ bộ.Quá trình xử lý gồm nghiền, sàng, tuyển rửa quặng làm sinh quặng, bụi quặng rơi vãi,cặn đất, đá sàng, tuyển Thành phần chứa tỷ lệ kim loại thấp nhập vào dòng thải đem xử lý Quặng sau xử lý đem sản xuất nhôm oxit phương pháp Bayer hòa tan hòa tách Octola áp suất cao Phương pháp tiêu tốn nhiều nguyên liệu hao phí nhiều kim loại cặn thải chứa tỷ lệ kim loại cao Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng phương pháp kiềm thiêu kết giảm tỷ lệ kim loại vào cặn thải Tuy nhiên nói chung hai phương pháp có kim loại thất Khi nung oxit nhơm nhiệt độ cao cần có chất trợ dung(thường CaO) Cặn thải q trình chứa oxit silic,oxit nhơm thất thoát, kim loại nặng, cặn lắng chất vơ khác…Với loại cặn có tỷ lệ kim loại cao tái sử dụng để thu hồi kim loại Oxit nhôm sau làm đem điện phân thu nhôm thô.Để thu nhôm ta tiếp tục tiến hành điện phân, số lần điện phân nhiều nhơm tinh khiết.Dung dịch điện phân muối Criolit khơng hịa tan kim loại dương nhơm Vì bùn điện phân chứa kim loại dương nhôm Thành phần chủ yếu kim loại nặng độc hại 35 Ngồi q trình sản xuất cịn phát sinh nguồn thải khác bao bì đựng hóa chất cịn dính hóa chất độc hại, cần xử lý kỹ để đảm bảo an tồn sức khỏe mơi trường I.2 Qui Trình Xử Lý Đối với chất thải rắn hai phương pháp phổ biến áp dụng nhiều nước giới chôn lấp thiêu hủy.trong thiêu hủy cho Ngồi cịn có phương pháp hóa lý dùng xỉ làm nguyên liệu cho ngành xây dựng ép gạch viên làm vật liệu phụ cho sản xuất xi măng Tuy nhiên khơng an tồn xỉ có chứa lượng nhỏ kim loại nặng gây nguy hiểm người sử dụng tiếp xúc lâu dài với sản phẩm Chất thải rắn trước tiên phân loại xử lý học gồm: nghiền, sang, tuyển từ…rồi xử lý phương pháp khác I.2.1 Công Nghệ Chôn Lấp Là biện pháp tiêu hủy áp dụng rộng rãi giới Theo công nghệ chất thải rắn cố định dạng viên hay khối đem chôn lấp bãi chôn lấp bãi chôn lấp phải đảm bảo cách xa khu dân cư 5km, đất ổn định, chống thấm tốt, mực nước ngầm thấp,cách xa sông hồ Để tăng hiệu chơn lấp chất thải rắn thường hóa rắn trước chơn thơng qua việc thay đổi tính chất hóa lý, tăng sức bền, giảm độ hòa 36 tan,giảm độ lan truyền chất thải độc hại Vật liệu đóng rắn chủ yếu xi măng trộn thêm vài chất vơ khác để tăng độ ổn định kết cấu Tỷ lệ phối trộn phụ thuộc vào loại chất thải cụ thể Thường sau đóng rắn người ta kiểm tra khả hịa tan phân tích mẫu nước lọc để xác định tiêu đặc trưng so sánh với tiêu chuẩn Nếu đạt tiêu chuẩn chôn bãi rác công nghiệp, không đạt tiêu chuẩn phải tăng tỷ lệ xi măng Ở Việt Nam chưa có tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn Nhật Bản chất thải rắn sau hóa rắn đem ngâm khuấy liên tục 6h nước cất sau đem lọc phân tích Tuy nhiên nước ta việc đóng rắn chưa thực tiêu chuẩn chôn lấp chất thải công nghiệp chưa đạt Bãi chôn lấp rác thải rắn : I.2.2 Thiêu Đốt Đây trình oxi hóa chất thải nhiệt độ cao phù hợp để xử lý chất o o thải rắn ( thường từ 1200 C đến 1300 C ) cung cấp đủ oxi Phương pháp hiệu vật liệu khó cháy chất thải 30% Có hai phương pháp thiêu đốt 37 + Đốt tự nhiên trực tiếp đốt chất thải môi trường tự nhiên xa khu dân cư, cách lại gây nhiễm khơng khí,khơng tận dụng nhiệt áp dụng với chất dễ cháy + Đốt lò thiêu sử dụng lò đốt chuyên dụng để đốt Các lị đốt sử dụng qui trình đốt khép kín có hệ thống tận dụng nhiệt Phương pháp an toàn sử dụng nhiều nước phát triển Tuy nhiên nước ta phương pháp áp dụng để đốt chất thải y tế sở lớn Cịn nhà máy luyện kim chưa có điều kiện tiếp cận cơng nghệ Cơng nghệ có nhiều ưu điểm : khả tận dung nhiệt, xử lý triệt để khối lượng, tương đối sạch, không tốn đất chôn Nhược điểm công nghệ chi phí lớn, dễ tạo sản phẩm phụ nguy hiểm II.2.3 Cơng Nghệ Hóa Lý Là cơng nghệ xử lý sử dụng q trình biến đổi hóa lý Cơng nghệ có hiệu với nhà máy có qui mơ lớn, phù hợp để thu hồi chất thải rắn có chứa kim loại nặng hay dung mơi hữu cơ.Một số biện pháp hóa lý sau + Trích ly : trình tách cấu tử khỏi hợp nhờ dung mơi có khả hịa tan chọn lọc số chất có hỗn hợp đó, sản phẩm trích ly tái sử dụng cho mục đích khác + Chưng cất : Là trình hỗn hợp chất lỏng bay thành pha cấu tử từ tách chất cần tách + Oxi hóa khử : Sử dụng tác nhân oxi hóa khử để tiến hành phản ứng oxi hóa khử chuyển chất thải độc hại thành chất không độc độc 38 hơn.Thường sử dụng số chất oxi hóa sau : Na 2S2O4 , KmnO4 , K2Cr2O7 , H2O2 … để xử lý số kim loại đa hóa trị II- KHÍ THẢI II.1 Thành Phần Hỗn Hợp Khí Khí thải q trình sản xuất nhơm chứa nhiều loại khí bụi Trong nhiều bụi quặng từ khâu nghiền tuyển quặng CO2, CO từ trình điện phân, đốt nhiên liệu lượng nhỏ từ thiết bị vận chuyển nhà máy , nước từ octola có tính kiềm , ngồi cịn có khí Cl2, F2, H2 từ trình điện phân tinh luyện nhơm Một lượng nhỏ kim loại từ lò luyện tinh luyện Ở nước SNG, oxit nhôm sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu khác lượng khí lớn chứa hàm lượng bụi cao Nếu sử dụng Alunit để sản xuất nhơm oxit khí cịn chứa SO2 Bụi từ q trình nung vôi, thiêu kết, nung oxit nhôm gia công chuẩn bị nguyên liệu Các hợp chất sunphua thoát ủ hoàn nguyên Alunit … Sau bảng thống kê hàm lượng bụi từ số thiết bị : NGUồN KHÍ Các lị thiêu kết 39 Lị nung oxit nhơm Lị đứng nung vơi Đây hình ảnh khí thải từ lị luyện II.1.1 Qui Trình Xử Lý Bụi Các khí từ lị thiêu kết lò nung làm hệ thống lọc bụi gồm thiết bị lọc điện kiểu ngang, quạt hút, máy bơm, tháp rửa làm nguội Sau sơ đồ hệ thống thiết bị làm khí từ lị thiêu 40 K: khí dùng cacbonat hóa : thiết bị lọc điện khô kiểu đáy ngang : quạt hút : tháp rửa : máy bơm : tháp rửa làm nguội : thiết bị lọc điện ẩm 41 Khí từ lị nung oxit nhơm đưa qua thiết bị lọc điện khơ(1) sau qua quạt hút (2) đưa vào tháp rửa (3), phần khí đẩy khí quyển, bụi lắng xuống đáy tháp Tháp rửa làm nguội phun nước theo chu trình kín đơi dùng dung dịch phun kiềm yếu Phần khí từ lị thiêu kết dùng vào trình thấm cacbon dẫn qua tháp rửa làm nguội thiết bị lọc điện ẩm Nước phun vào tháp không hồi lại mà chảy thẳng ngồi Hàm lượng bụi khí sau thiết bị lọc khoảng 0,02 đến 0,1 g/m Khí từ bể điện phân hút qua phễu chụp làm phương pháp rửa khí sử dụng dung dịch Na2CO3 loãng khoảng 4% - 6% khử HF thu dược NaF: HF HF Thường sử dụng dư Na2CO3 Khi dung dịch hấp thụ NaF đạt 35 – 40 g đem chế tạo Criolit Phương pháp rửa khí dung dịch Na 2CO3 loãng sử dụng thiết bị khác , tháp rửa rỗng, tháp rửa có đệm, tháp bọt… Mặc dù chủ yếu khí khỏi bể điện phân dược hút qua phễu chụp nhiên cịn phần khí vào xưởng qua quạt hút đẩy ngồi làm bẩn mơi trường Một số nhà máy thử nghệm làm khí hệ thống tháp rỗng có đường kính 6m, phía mở rộng lên 10m, tổng chiều cao tháp khoảng 20m, vận tốc dịng khí tháp khoảng 5m/s 42 HF có khí dễ làm thiết bị làm khí đến bụi cuối hạt nhựa vô nhỏ Bụi khơng thu hồi hồn tồn phần chúng có kích thước q nhỏ ( m ) Gần để làm hạt bụi nhựa nhỏ người ta sử dụng thiết bị lọc điện kiểu đứng có hiệu suất thu bụi tới 90% Sau khí làm tháp rửa rỗng để loại khí tạp chất có khí HF Ngồi cịn có thiết bị lọc trọng lực dùng để thu hạt bụi nhỏ III NƯỚC THẢI III.1 Nguồn Nước thải Nước thải luyện kim chứa nhiều tạp chất vô Nước rửa khâu tuyển quặng chứa oxit kim loại, muối Aluminat, muối silicat, tạp chất vô khác đất đá, chất rắn lơ lửng Nước từ q trình hịa tan hòa tách octola, rửa sản phẩm lắng gạn sản phẩm chứa kiềm, kim loại,một số chất hòa tan As, F… Dung dịch điện phân thường xuyên thay ra, dung dịch chứa số kim loại tan trình điện phân Nước làm khí làm nguội xỉ chứa chất rắn lơ lửng, kim loại nặng , có hợp chất S Để sản xuất oxit nhôm thải khoảng 3m nước thải loại Để tinh luyện nhôm thải khoảng 30m nước thải 43 Nước thải chứa kim loại nặng gây bệnh viêm loét dày, dày,hô hấp,ung thư máu bệnh đường ruột III.2 Qui Trình xử Lý Nước thải xử lý qua nhiều bước Ban đầu nước thải lọc sơ hệ thống thiết bị lọc để loại bỏ cặn bã chất rắn lơ lửng Trong công nghiệp người ta thường sử dụng bể lọc với lớp vật liệu lọc dạng hạt thạch anh, than cốc, sỏi nghiền… Tùy thuộc vào loại nước thải mà lựa chọn vật liệu lọc Sau nước thải đưa khử chất độc hại gồm kim loại nặng, muối, kiềm, F… Để xử lý kiềm thường dùng cách trung hòa axit tạo muối Để khử F dùng sữa vôi tạo kết tủa CaF2 Kim loại nước thải khử nhiều cách kết tủa, điện hóa, sinh học,trao đổi ion Trong kết tủa phương pháp ứng dụng nhiều + Phương Pháp Trao Đổi Ion Đây phương pháp dùng Ionit ( nhựa hữu tổng hợp ), chất cao phân tử có gốc hyđrơcacbon nhóm chức trao đổi ion để trình trao đổi tiến hành cột cationit anionit + Phương Pháp Điện Hóa Phương pháp dựa sở q trình oxi hóa khử để tách kim loại điện cực nhúng nước thải chứa kim loại cho dòng điện 44 chiều chạy qua Từ tách ion kim loại khỏi nước thải mà không cần bổ sung hóa chất Phương pháp thích hợp để xử lý nước thải có nồng độ kim loại cao 1mg/l Tuy nhiên phương pháp cần chi phí lớn +Phương pháp Sinh Học Phương pháp dựa nguyên tắc số loài thực vật, vi sinh vật nước sử dụng kim loại chất vi lượng Nói chung phương pháp khó áp dụng cơng nghiệp xử lý nước có nồng độ chất thải thấp, phương pháp tốn diện tích +Phương Pháp Kết Tủa Hóa Học Phương pháp dựa phản ứng hóa học chất đưa vào nước thải với kim loại cần tách, PH thích hợp tạo kết tủa tách kết tủa khỏi nước thải Ở PH định dung dịch nồng độ kim loại vượt nồng độ bão hịa kim loại tạo kết tủa Rất kim loại tạo kết tủa PH=7 hay môi trường axit mà phần lớn PH khoảng kiềm yếu kiềm Để điều chỉnh PH người ta thường dùng sữa vôi, sô đa xút Nếu nước thải chứa hàm lượng kim loại cao cần xử lý nguồn để thu hồi kim loại tạo hội tuần hoàn lại nước giảm hàm lượng kim loại dòng thải trước xử lý tập trung 45 IV ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI KHÍ HẬU Nói chung môi trường làm việc nhà máy luyện nhôm luyện kim bụi ồn, khơng khí nóng, ngột ngạt Q trình nghiền tuyển quặng gây ồn, rung sinh bụi Để giảm ồn rung tăng khối lượng thiết bị tạo lớp đệm giảm rung thiết bị lắp đặt hệ thống hút bụi, thơng gió bên nhà máy Các nhà máy phải đặt xa khu dân cư để giảm gây ồn tới khu dân cư Nhiệt phát sinh từ lò nung thiêu kết, khí phát tán từ q trình nung, kim loại, oxit kim loại từ lò tinh luyện, bể điện phân… phát tán môi trường gây ảnh hưởng tới sức khỏe cơng nhân viên Nói chung khắc phục phần vấn đề cách tăng cường áp dụng khoa học kĩ thuật, công nghệ, máy móc đại nhằm giảm thiểu rị rỉ, phát tán chất 46 độc hại Tăng cường khí hóa, tự động hóa công đoạn, hạn chế việc người tiếp xúc trực tiếp với trình nguy hiểm Tài liệu tham khảo Kỹ thuật môi trường – NXBKHKT – Xử lý nước cấp sinh hoạt công nghiệp – nguyễn thị thu thủy Xử lý nước thải - NXB Xây Dựng 47 Webside : moitruong.xaydung.gov.vn www.techmartvietnam.com.vn Những người thực : Trịnh quang Vinh Hoàng Thị Lưu Chu Văn Thiện Đoàn Thanh Tuấn Lớp QLMT 48 ... tạo chu trình sản xuất từ bauxite đến sản phẩm nhôm hợp kim Tuy nhiên tại, Việt Nam chưa có ngành cơng nghiệp nhôm riêng với quy mô lớn II.2 Một số nhà máy luyện nhôm sản xuất thành phẩm nhôm l... TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHƠM TRÊN THẾ GIỚI HIỆN NAY I.1 Giới thiệu chung nhôm I.2 Lịch sử ngành Sản xuất nhôm I.3 Tình hình sản xuất sử dụng nhôm giới II TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHƠM... NGUN LIỆU SẢN XUẤT NHƠM Q trình luyện nhôm từ sản phẩm quặng nhôm nghèo (boxit -nhôm tồn dạng Al2O3 phức đơn chất) từ nhôm phế liệu Quặng nhôm khống nhơm tạo thành, có khoảng 250 loại khống nhôm khác