các quá trình sản xuất cơ bản của luyện nhôm

1





TIỂU LUẬN
CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ BẢN
***

LUYỆN NHÔM


Nhóm thực hiện
Trịnh quang Vinh
Hoàng Thị Lưu
Chu Văn Thiện
Đoàn Thanh Tuấn
2




Mục lục
PHẦN I 4
I. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TRÊN THẾ GIỚI HIỆN NAY 4
I.1 Giới thiệu chung về nhôm 4
I.2 Lịch sử ngành Sản xuất nhôm 6
I.3 Tình hình sản xuất và sử dụng nhôm hiện nay trên thế giới 8
II. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TẠI VIỆT NAM HIỆN NAY 11
II.1 Phân bố quặng nhôm và tình hình sản xuất trong nước 11

II.2 Một số nhà máy luyện nhôm và sản xuất thành phẩm nhôm l ớn ở Việt
Nam 12
PHẦN II 14
phẦN III 15
PHẦN IV 34
XỬ LÝ DÒNG THẢI . 34
I. CHẤT THẢI RẮN 34
I.2.1 Công Nghệ Chôn Lấp 36
II.2.3 Công Nghệ Hóa Lý. 38
II- KHÍ THẢI 39
II.1 Thành Phần Hỗn Hợp Khí 39
II.1.1 Qui Trình Xử Lý Bụi. 40
III NƯỚC THẢI 43
3



IV ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI KHÍ HẬU 46
4




PHẦN I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÌNH HÌNH LUYỆN NHÔM HIỆN
NAY TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

I. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TRÊN THẾ GIỚI HIỆN NAY

I.1 Giới thiệu chung về nhôm

Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, vì có một lớp
mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài không khí. Tỷ trọng
riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm (chỉ sau
vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó
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 ở điều kiện thông 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 ngoài màu trắng bạc

Tính chất nguyên tử
5



Khối lượng nguyên tử 26,981538 đ.v.
Bán kính nguyên tử (calc.) 125 (118) pm
Bán kính cộng hoá trị 118 pm
Cấu hình electron [Ne]3s
2
3p
1

e
-
trên mức năng lượng 2, 8, 3

Trạng thái ôxi hóa (Ôxít) 3 (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 sôi 2.792 K (4.566 °F)
Trạng thái trật tự từ thuận từ
Thể tích phân tử 10 ×10
-6
m³/mol
Nhiệt bay hơi 293,4 kJ/mol
Nhiệt nóng chảy 10,79 kJ/mol
Áp suất hơi 100.000 Pa tại 2.792 K
Vận tốc âm thanh 5.100 m/s tại 933 K

Thông tin khác
Độ âm điện 1,61 (thang Pauling)
Nhiệt dung riêng 897 J/(kg·K)
Độ dẫn điện 3,774x10
7
/Ω·m
Độ dẫn nhiệt 237 W/(m·K)

Năng lượng ion hóa
6



1. 577,5 kJ/mol

2. 1.816,7 kJ/mol
3. 2.744,8 kJ/mol
4. 11.577 kJ/mol
5. 14.842 kJ/mol
6. 18.379 kJ/mol
7. 23.326 kJ/mol
8. 27.465 kJ/mol
9. 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 là nguyên tố phổ biến trong vỏ trái đất (8,1%), nó lại hiếm ở
dạng tự do và đã từng được cho là kim loại quí có giá trị hơn vàng (Người ta
nói rằng Napoleon III của Pháp có các bộ đồ ăn bằng nhôm dự phòng cho
những người khách quý nhất của ông. Những người khách khác chỉ có bộ đồ
ăn bằng vàng). Vì thế nhôm là kim loại tương đối mới trong công nghiệp và
được sản xuất với số lượng công nghiệp chỉ khoảng trên 100 năm.
Khi mới được phát hiện nhôm rất khó tách ra khỏi các loại đá có chứa nó. Vì
toàn bộ nhôm của Trái Đất nằm trong các hợp chất nên nó là kim loại khó
nhận được nhất. Lý do là nhôm bị ôxi hóa rất nhanh và ôxít nhôm là một hợp
chất cực kỳ ổn định, không giống như gỉ sắt, nó không bị bong ra.
7




Người khởi nghiệp

Vào cuối thế kỷ thứ XIX, nhôm là thứ kim loại quí, còn hiếm hơn cả bạc.
Tổng lượng nhôm sản xuất ở Mỹ vào năm 1884 chỉ có 125 pound (01 pound
tương đương 450 gram). Tại Trường Cao đẳng Oberlin ở Bang Ohio, Giáo sư
Frank Jewett đã chỉ cho các sinh viên thấy một mẩu nhôm nhỏ và nói với họ
rằng, bất cứ người nào có thể tìm ra được phương pháp sản xuất một cách
kinh tế thứ kim loại quí này thì người đó sẽ trở nên giàu có. Charless Martin
Hall là một trong số những sinh viên đó. Say mê với các mẩu kim loại từ khi
mới 12 tuổi, Hall đã nung nấu trong lòng khát vọng sản xuất nhôm và ông đã
biến ngôi nhà kho bằng gỗ nhỏ đằng sau vườn nhà mình thành một phòng thí
nghiệm thô sơ để hàng ngày vùi mình vào đó nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo
Suốt trong thời gian học và sau khi tốt nghiệp, Hall liên tục miệt mài với các
thí nghiệm trong nhà kho và đã tự chế tạo được một nồi nấu kim loại bằng
cacbon để phục vụ việc tạo ra ôxít nhôm-alumina. Đầu năm 1886, ông đổ đầy
dung dịch cryolite có chứa alumina (Al2O3) vào nồi nấu kim loại đó và cho
dòng điện chạy qua. Kết quả là ông thu được một đống lổn nhổn những chất
đông cứng, ông để cho chúng nguội đi, sau đó dùng búa đập vụn ra. Trong
đám bụi bốc lên có thấy một vài mảnh nhôm nguyên chất.


Điện phân nhôm tiêu tốn một lượng điện rất lớn, chi phí điện đã chiếm 25%
giá thành; để làm chảy 1 tấn nhôm cần khoảng 13,5 - 18,5 MWh để tách nhôm
ra khỏi oxi trong alumina; mức tiêu thụ thấp nhất là 13.500 kWh/tấn nhôm ở
8



nhà máy điện phân nhôm Moral của BHP ở Mozambic, cao là 16.292 Kwh/tấn
nhôm ở nhà máy Bratsk ở Nga. Vì vậy, sản xuất nhôm chỉ đem lại hiệu quả

khi giá điện thấp < 3 US cent/kWh. Để có được giá thành hạ, các công ty
thường có nhà máy điện riêng, hầu hết là thuỷ điện như Alcan có tới 11 nhà
máy thuỷ điện với tổng công suất 4.156 MW, Alcoa tự sản xuất được 25%
lượng điện cho sản xuất

Tái chế nhôm

Sự tái chế nhôm từ các phế thải đã trở thành một trong những thành phần quan
trọng của công nghiệp luyện nhôm. Việc tái chế đơn giản là nấu chảy kim
loại, nó rẻ hơn rất nhiều so với sản xuất từ quặng. Việc tinh chế nhôm tiêu hao
nhiều điện năng; việc tái chế chỉ tiêu hao khoảng 5% năng lượng để sản xuất
ra nó trên cùng một khối lượng sản phẩm. Một thực tế phổ biến cho đến đầu
thập niên 1900 là việc tái chế nhôm là không mới. Tuy nhiên, nó là lĩnh vực
hoạt động trầm lắng cho đến tận những năm cuối thập niên 1960 khi sự bùng
nổ của việc sử dụng nhôm để làm vỏ của các loại đồ uống cuối cùng đã đưa
việc tái chế nhôm vào trong tầm chú ý của cộng đồng. Các nguồn tái chế
nhôm bao gồm ô tô cũ, cửa và cửa sổ nhôm cũ, các thiết bị gia đình cũ,
contener và các sản phẩm khác.
I.3 Tình hình sản xuất và sử dụng nhôm hiện nay trên thế giới

9





Tình hình sản xuất nhôm từ năm 2000 đến hết năm 2007 trên
thế giới: ( Số liệu của IAI )

10

Tình hình sản xuất 8 tháng đầu năm 2008 :

11




Như vậy Bắc Mỹ và Châu Âu vẫn dẫn đầu về sản xuất nhôm hiện nay.
II. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TẠI VIỆT NAM HIỆN NAY

II.1 Phân bố quặng nhôm và tình hình sản xuất trong nước

12




Việt Nam là quốc gia có nguồn năng lượng dồi dào với nhiều mỏ quặng
bauxite, là cơ hội rất tốt cho việc phát triển năng lượng mới và các dự án kim
loại, tạo ra một chu trình sản xuất từ bauxite đến sản phẩm nhôm và hợp kim.
Tuy nhiên hiện tại, Việt Nam chưa có ngành công nghiệp nhôm riêng với quy
mô lớn.

II.2 Một số nhà máy luyện nhôm và sản xuất thành phẩm nhôm l
ớn ở Việt Nam

II.2.1 Nh à máy luyện nhôm Bảo Lâm-Lâm Đồng( trực thuộc Tổng công ty
khoáng sản Việt Nam thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt
Nam )
Công suất : 600.000 tấn/năm.
Dự kiến bắt đầu hoạt động năm 2009
13



II.2.2 Nhà máy nhôm Asia Vina – Taiwan (thuộc Công ty Thương mại tổng
hợp Quảng Bình)
Nhà máy nhôm Asia Vina - Taiwan là một trong 5 doanh nghiệp hàng đầu ở
Việt Nam kể cả doanh nghiệp có hơn 100% vốn nước ngoài và liên doanh về
sản xuất các loại nhôm thanh định hình đạt tiêu chuẩn chất lượng quốc tế, có
sức cạnh tranh cao. Nhà máy hiện có 3 dây chuyền công nghệ hiện đại sản
xuất các loại nhôm thanh, 2 hệ thống mạ hoàn thiện sản phẩm, hệ thống đúc
nhôm để nấu lại toàn bộ dư liệu trong quá trình sản xuất, vừa triệt để tiết kiệm
nguyên liệu đắt tiền, vừa làm cho nhà máy giảm thiểu phế thải đến mức cao
nhất, cùng với các máy kiểm tra độ cứng của thanh nhôm, độ dày lớp mạ sản
phẩm và hệ thống kiểm tra cơ, lý hoá của sản phẩm đạt yêu cầu chính xác cao.
Công suất : Từ 3.500 đến 3.700 tấn sản phẩm/ năm

Ngoài ra còn rất nhiều các cơ sở đúc nhôm và chế tạo nhôm thành phẩm
nhỏ l ẻ.

Tham khảo :
-

14










PHẦN II
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT NHÔM

Quá trình luyện nhôm đi từ các sản phẩm quặng nhôm nghèo (boxit-nhôm tồn tại
dưới dạng Al
2
O
3
trong phức hoặc đơn chất) hoặc từ nhôm phế liệu.
Quặng nhôm do các khoáng nhôm tạo thành, có khoảng hơn 250 loại khoáng
nhôm khác nhau nhưng thường được sử dụng nhiều 8 loại sau:
Tên khoáng vật Công thức hóa học Hàm lượng Al
2
O
3

(%)
Corundum Al

2
O
3
100
Diaspo, bơmit Al
2
O
3
. H
2
O (AlOOH) 85
Spinel Al
2
O
3
. MgO 71
Hydraogilit, ghipxit

Al
2
O
3
. 2H
2
O; Al(OH)
3

65,4

Kianit, antalunit, silimanit Al

2
O
3
. SiO
2
63
15



Caolinit Al
2
O
3
. 2SiO
2
.2H
2
O 39,5
Alunit

K
2
SO
4
.Al
2
(SO
4
)

3
.4Al(OH)
3

37

Nephelin (Na,K)
2
O.Al
2
O
3
. 2SiO
2
32,3 – 35,9

Trong các loại quặng, Boxit là quặng nhôm quan trọng nhất, trong boxit nhôm
tồn tại dưới dạng diaspo, bơmit, hydraghilit, ghipxit và đôi khi cả caolinit và
corundum. Thành phần hóa học của quặng bôxit dao động khá lớn:
Al
2
O
3
: 35-60% SiO
2
: 0,5-25%
Fe
2
O
3

: 2-40% TiO
2
: vết – 11%
Để đánh giá chất lượng quặng nhôm, người ta đánh gia thông qua chỉ tiêu gọi là
modun silic 
SiO2
= tỷ số lượng Al
2
O
3
/SiO
2
. tỷ số này càng cao quặng càng tốt.




phẦN III
Quy tr×nh s¶n xuÊt nh«m

I.Kh¸i qu¸t vÒ c«ng nghÖ s¶n xuÊt Nh«m

16



-Năm 1886, Hall ng-ời Mỹ và Heroult ng-ời Pháp đồng thời phát minh ra ph-ơng
pháp điện phân nhôm trong dung dịch muối nhôm nóng chảy. Từ đó đến
nay,Al đ-ợc sản xuất với quy mô công nghiệp, sản l-ợng tăng lên không ngừng,Al
trở thành kim loại đ-ợc sử dụng ngày càng rộng rãi. Có thể nói, ph-ơng pháp

điện phân Nhôm trong môi tr-ờng nóng chảy chiếm địa vị chủ yếu trong
công nghệ sản xuất nhôm. Sau đây là l-u trình sản xuất nhôm hiện nay:
17







18






II. SN XUT NHễM OXIT

Có 2 ph-ơng pháp sản xuất nhôm oxit chủ yếu:
- Ph-ơng pháp Baye
- Ph-ơng pháp Kiềm thiêu kết





II.1.Ph-ơng pháp Baye

- Ph-ơng pháp Baye thực chất là ph-ơng pháp dùng dung dịch NaOH để hoà

tách bôxit ở nhiệt độ cao và áp suất,do K.I.Baye ng-ời Aó phát minh vào năm
1887. Sau đây là sơ đồ tóm tắt ph-ơng pháp Baye sản xuất nhôm oxit :
19




Boxit

Hoà tách Ôtôcla

CaO
NaOH
Bùn
quặng

Lắng lọc
dd
NaAlO
Khuấy phân hoá
A
l(OH)
3
Nung
Al
2
O
3
Dung
dịch cái

Cô đặc và
costic hoá

Mầm
Al(OH)
20



Các khâu chính của quá trình sản xuất Nhôm ôxit gồm :
1.Hoà tách bôxit
2.Khuấy phân hoá dung dịch NaAlO
2

3.Nung Nhôm hyđrôxit
4.Cô đặc dung dịch cái và costic hoá.

II1.1.Hoà tách bôxit:

- Bôxit sau khi nghiền nhỏ trộn vào với Kiềm cho vào Ôtôcla(thiết bị hoà
tách). Trong Ôtôcla xảy ra tác dụng của dung môi với các thành phần của bôxit.
- Nhôm ôxit trong bôxit phần lớn ở dạng ngậm n-ớc(hiđrôxit) khi hoà tách sẽ
tác dụng với NaOH tạo natri aluminat theo phản ứng sau :
Al(OH)
3
+ NaOH + aq = NaAl(OH)
4
+ aq
AlOOH + NaOH + aq = Na Al(OH)

4
+ aq
- Sắt ôxit không tác dụng với NaOH nên nằm lại trong bã, Silic ôxit tác dụng với
NaOH tạo ra Natri silicat hoà tan vào dung dịch theo phản ứng:
SiO
2
+ 2NaOH = Na
2
SiO
3
+ H
2
O
- Natri silicat lại tác dụng với Natri aluminat tạo thành natri alumosilicat :
Na
2
SiO
3
+ NaAl(OH)
4
+ aq = Na
2
O.Al
2
O
3
.mSiO
2
.nH
2

O + NaOH
21



- Hợp chất Natri alumosilicat ngậm n-ớc không tan trong NaOH ở dạng rắn,
lẫn vào cặn đỏ.
- Phản ứng trên có ích là khử SiO
2
trong dung dịch nh-ng có hại là gây mất
mát Kiềm và Al. Hàm l-ợng SiO
2
trong bôxit càng lớn thì hàm l-ợng mất mát
kiềm và Al càng nhiều => ph-ơng pháp Baye chỉ áp dụng cho các loại
quặng có hàm l-ợng SiO
2
thấp.
- Hiệu suất của quá trình hoà tách phụ thuộc vào nhiều nhân tố : Nhiệt độ,
thời gian, nồng độ dung dịch, tỉ số rắn lỏng, bản chất quặng.

II.1.2.Khuấy phân hoá dung dịch natri aluminat.

- Sau lắng lọc dung dịch natri aluminat đ-ợc đem đi khuấy phân hoá. Dung
dịch này phân hoá tạo ra nhôm hiđrôxit theo phản ứng sau:
Na AlO
2
+ H
2
O -> Al(OH)
3

+ NaOH
- Về cơ chế thì quá trình phân hoá sẽ đ-ợc chia làm 2 giai đoạn :
+ Tạo mầm Al(OH)
3

+ Phát triển mầm
- Nếu nâng cao tỉ số costic thì quá trình tạo mầm sẽ ngừng. Khi tỉ số
costic cao hơn nữa thì quá trình sẽ diễn ra theo chiều ng-ợc lại, tức là tạo ra
natri aluminat. Vì vậy phải khống chế nồng độ kiềm thích hợp. Giảm nồng
độ kiềm sẽ có lợi cho quá trình khuấy phân hoá.Nhiệt độ cũng có tác dụng
với quá trình khuấy phân hoá, nếu giảm nhiệt độ thì quá trình khuấy phân
22



hoá sẽ xảy ra nhanh, nh-ng các hạt Al(OH)
3
kết tinh sẽ nhỏ, không có lợi cho
việc lọc rửa sau này.
- Trong thực tế sản xuất, cần cho thêm Al(OH)
3
vào để làm mầm. Số mầm
Al(OH)
3
cho vào bằng khoảng 1,5-2,5 lần trọng l-ợng Al
2
O
3
có trong dung
dịch.

- Mục đích của khuấy là làm cho nồng độ dung dịch đồng đều và hạt
tinh thể luôn ở trạng thái lơ lửng.
- Sau khi khuấy phân hoá, dung dịch có tỉ số costic là 3,6-3,7.Kết tinh
xong đ-a Al(OH)
3
đi phân cấp. Loại Al(OH)
3
có cỡ hạt lớn đem đi rửa và
nung, còn loại hạt nhỏ cho quay lại mầm kết tinh cho quá trình sau. Dung
dịch cái sau khi khuấy phân hoá đ-ợc đem đi cô đặc và costic hoá.

II.1.3.Nung Al(OH)
3

Mục đích của việc đem nung là làm mất n-ớc của Al(OH)
3
để thu đ-ợc
Al
2
O
3
theo phản ứng:
2Al(OH)
3
Al
2
O
3
+ 3H
2

O

II.1.4.Cô đặc dung dịch cái và costic hoá

- Sau khi lọc, lấy Al(OH)
3
ra, dung dịch cái còn lại chủ yếu chứa NaOH,
nh-ng nồng độ thấp, không đáp ứng đ-ợc yêu cầu của dung dịch tuần hoàn.
23



Vì vậy đem cô đặc để nâng nồng độ lên 300 g/l thì dừng lại.Trong quá
trình vận hành, một l-ợng CO
2
trong không khí tác dụng với NaOH trong
dung dịch tạo ra Na
2
CO
3
. Khi cô đặc sẽ kết tinh ra Na
2
CO
3
, đem lọc tách
Na
2
CO
3
ra. Sau đó dùng Ca(OH)

2
để costic hoá theo phản ứng:
Na
2
CO
3
+ Ca(OH)
2
= 2NaOH + CaCO
3

- Sau đó lắng lọc, thải bã, dung dịch đem dùng lại.

Một số u nhợc điểm của phơng pháp này:

-Ưu điểm: L-u trình đơn giản, chất l-ợng sản phẩm tốt, giá thành hạ.
-Nh-ợc điểm: Chỉ thực hiện với quặng bôxit có hàm l-ợng SiO
2
thấp mới có
lợi về mặt kinh tế.

II.2. Ph-ơng pháp Kiềm thiêu kết

Khi hàm l-ợng SiO
2
trong quặng cao, dùng ph-ơng pháp Baye để sản xuất sẽ
không có lợi về mặt kinh tế do làm mất mát nhôm ôxit và kiềm. Ph-ơng pháp
kiềm thiêu kết cho phép chế biến một cách hợp lí các loại quặng có hàm l-ợng
Silic cao.
Thực chất của ph-ơng pháp là đem hỗn hợp Bôxit - Na

2
CO
3
và đá vôi nung ở
nhiệt độ cao, kết quả là nhận đ-ợc sản phẩm thiêu kết chứa natri aluminat. Sau
đó hoà tách thiêu kết phẩm trong n-ớc, natri aluminat hoà tan ở dạng dung dịch,
24



các hợp chất khác nằm lại ở dạng cặn bã. Lọc tách bã thu đ-ợc dung dịch aluminat
thô. Sau khi khử Silic sẽ thu đ-ợc dung dịch aluminat sạch.Đem cacbonát hoá
bằng khí CO
2
sẽ thu đ-ợc Al(OH)
3
. Sau khi nung Al(OH)
3
ở 1200
0
C sẽ đ-ợc
Al
2
O
3
.L-u trình sản xuất Al
2
O
3
bằng ph-ơng pháp kiềm thiêu kết gồm các khâu

chính sau: Thiêu kết, hoà tách thiêu kết phẩm, khử silic, cacbonat hoá, nung.
25




§¸ v«i

Xay nghiÒn
B«xit

Xay
nghiÒn

Phèi liÖu
Thiªu kÕt
NgiÒn thiªu kÕt
phÈm

Hoµ t¸ch
L¾ng läc
Khö silic
L¾ng läc

dd
NaAlO
s¹ch

Cacbonat
ho¸

Al(OH)
3
Nung Al
2
O
3
dd c¸i

C«

®Æc

X« ®a

CÆn ®á