एल्युमीनियम गलाना

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Point Henry smelter in Australia
Overview of the Point Henry smelter, operated by Alcoa World Alumina and Chemicals in Australia
Straumsvik aluminum smelter in Iceland
Straumsvik aluminum smelter, operated by Rio Tinto Alcan in Iceland.

अल्युमीनियम गलाना आम तौर पर हॉल-हेरोल्ट प्रक्रिया द्वारा इसके ऑक्साइड, अल्युमिना से एल्युमीनियम निकालने की प्रक्रिया है। एल्यूमिना रिफाइनरियों की सूची में बायर प्रक्रिया के माध्यम से एल्यूमिना को अयस्क बाक्साइट से निकाला जाता है।

यह एक इलेक्ट्रोलीज़ प्रक्रिया है, इसलिए एल्युमीनियम गलाने में भारी मात्रा में विद्युत शक्ति का उपयोग होता है; स्मेल्टर लागत को कम करने और समग्र कार्बन पदचिह्न को कम करने के लिए बड़े बिजली स्टेशनों, अक्सर जलविद्युत शक्ति संयंत्र | हाइड्रो-इलेक्ट्रिक वाले के करीब स्थित होते हैं। स्मेल्टर अक्सर बंदरगाहों के पास स्थित होते हैं, क्योंकि कई स्मेल्टर आयातित एल्यूमिना का उपयोग करते हैं।

एल्यूमीनियम स्मेल्टर का लेआउट

हॉल-हेरोल्ट इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया प्राथमिक एल्यूमीनियम के लिए प्रमुख उत्पादन मार्ग है। एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल दुर्दम्य सामग्री की इन्सुलेट लाइनिंग की एक श्रृंखला के साथ स्टील के खोल से बना होता है। सेल में एक कंटेनर और समर्थन के रूप में एक ईंट-रेखांकित बाहरी स्टील खोल होता है। खोल के अंदर, कैथोड ब्लॉकों को रैमिंग पेस्ट द्वारा एक साथ सीमेंट किया जाता है। शीर्ष परत पिघली हुई धातु के संपर्क में है और कैथोड के रूप में कार्य करती है। पिघला हुआ इलेक्ट्रोलाइट कोशिका के अंदर उच्च तापमान पर बनाए रखा जाता है। पूर्व-बेक्ड उपभोज्य कार्बन एनोड भी इलेक्ट्रोलाइट में निलंबित बड़े सिंटर ब्लॉक के रूप में कार्बन से बना होता है। एक एकल सोडरबर्ग इलेक्ट्रोड या कई पूर्व-बेक्ड कार्बन ब्लॉकों का उपयोग एनोड के रूप में किया जाता है, जबकि मुख्य सूत्रीकरण और उनकी सतह पर होने वाली मौलिक प्रतिक्रियाएं समान होती हैं।

एल्युमीनियम स्मेल्टर में बड़ी संख्या में सेल (बर्तन) होते हैं जिनमें इलेक्ट्रोलिसिस होता है। एक सामान्य स्मेल्टर में 300 से 720 तक बर्तन होते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक दिन में लगभग एक टन एल्यूमीनियम का उत्पादन करता है, हालांकि सबसे बड़े प्रस्तावित स्मेल्टर उस क्षमता से पांच गुना तक हैं। गलाने को एक बैच प्रक्रिया के रूप में चलाया जाता है, जिसमें एल्यूमीनियम धातु को बर्तनों के तल पर जमा किया जाता है और समय-समय पर निकाला जाता है। विशेष रूप से ऑस्ट्रेलिया में इन स्मेल्टरों का उपयोग विद्युत नेटवर्क की मांग को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है, और परिणामस्वरूप स्मेल्टर को बहुत कम कीमत पर बिजली की आपूर्ति की जाती है। हालाँकि बिजली 4-5 घंटे से अधिक बाधित नहीं होनी चाहिए, क्योंकि यदि तरल धातु जम जाती है तो बर्तनों की मरम्मत में काफी खर्च करना पड़ता है।

सिद्धांत

पिघले हुए क्रायोलाइट में घुले एल्युमीनियम ऑक्साइड के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा एल्युमीनियम का उत्पादन किया जाता है।

उसी समय कार्बन इलेक्ट्रोड ऑक्सीकृत हो जाता है, प्रारंभ में कार्बन मोनोऑक्साइड में

यद्यपि प्रतिक्रिया तापमान पर कार्बन मोनोआक्साइड (CO) का निर्माण थर्मोडायनामिक रूप से अनुकूल होता है, लेकिन काफी अधिक वोल्टेज (प्रतिवर्ती और ध्रुवीकरण क्षमता के बीच अंतर) की उपस्थिति थर्मोडायनामिक संतुलन और CO और के मिश्रण को बदल देती है। CO2 उत्पादन किया जाता है।[1][2] इस प्रकार आदर्शीकृत समग्र प्रतिक्रियाओं को इस प्रकार लिखा जा सकता है

धारा घनत्व को 1 ए/सेमी तक बढ़ाकर2, का अनुपात CO2 बढ़ता है और कार्बन की खपत कम हो जाती है।[3][4] चूंकि एल्यूमीनियम के प्रत्येक परमाणु का उत्पादन करने के लिए तीन इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है, इस प्रक्रिया में बड़ी मात्रा में बिजली की खपत होती है। इस कारण से एल्युमीनियम स्मेल्टर जलविद्युत जैसे सस्ती बिजली के स्रोतों के करीब स्थित हैं।

सेल घटक

इलेक्ट्रोलाइट: इलेक्ट्रोलाइट क्रायोलाइट (Na) का पिघला हुआ स्नान है3एएलएफ6) और विघटित एल्युमिना। क्रायोलाइट कम गलनांक, संतोषजनक चिपचिपाहट और कम वाष्प दबाव के साथ एल्यूमिना के लिए एक अच्छा विलायक है। इसका घनत्व तरल एल्यूमीनियम (2 बनाम 2.3 ग्राम/सेमी) से भी कम है3), जो कोशिका के निचले भाग में नमक से उत्पाद को प्राकृतिक रूप से अलग करने की अनुमति देता है। क्रायोलाइट अनुपात (NaF/AlF3) शुद्ध क्रायोलाइट में 3 है, जिसका पिघलने का तापमान 1010 डिग्री सेल्सियस है, और यह 960 डिग्री सेल्सियस पर 11% एल्यूमिना के साथ एक यूटेक्टिक बनाता है। औद्योगिक कोशिकाओं में इसके पिघलने के तापमान को 940-980 डिग्री सेल्सियस तक कम करने के लिए क्रायोलाइट अनुपात 2 और 3 के बीच रखा जाता है।[5][6] कैथोड: कार्बन कैथोड अनिवार्य रूप से एन्थ्रेसाइट, ग्रेफाइट और पेट्रोलियम कोक से बने होते हैं, जिन्हें कैथोड निर्माण में उपयोग करने से पहले लगभग 1200 डिग्री सेल्सियस पर कैलक्लाइंड किया जाता है और कुचल और छलनी किया जाता है। समुच्चय को कोयला-तार पिच के साथ मिलाया जाता है, बनाया जाता है और पकाया जाता है। एनोड के लिए कार्बन शुद्धता उतनी कठोर नहीं है, क्योंकि कैथोड से धातु संदूषण महत्वपूर्ण नहीं है। कार्बन कैथोड में पर्याप्त शक्ति, अच्छी विद्युत चालकता और पहनने और सोडियम प्रवेश के लिए उच्च प्रतिरोध होना चाहिए। एन्थ्रेसाइट कैथोड में पहनने का प्रतिरोध अधिक होता है[7] और ग्रेफाइटिक और ग्रेफाइटाइज्ड पेट्रोलियम कोक कैथोड की तुलना में कम आयाम के साथ धीमी गति से रेंगना [15]। इसके बजाय, अधिक ग्रेफाइटिक क्रम वाले घने कैथोड में उच्च विद्युत चालकता, कम ऊर्जा खपत [14] और सोडियम प्रवेश के कारण कम सूजन होती है।[8] सूजन के परिणामस्वरूप कैथोड ब्लॉक जल्दी और असमान रूप से खराब हो जाते हैं।

एनोड: एल्यूमीनियम गलाने में कार्बन एनोड की एक विशिष्ट स्थिति होती है और एनोड के प्रकार के आधार पर, एल्यूमीनियम गलाने को दो अलग-अलग तकनीकों में विभाजित किया जाता है; "सोडरबर्ग" और "प्रीबेक्ड" एनोड। एनोड भी पेट्रोलियम कोक से बनाए जाते हैं, जिन्हें कोयला-टार-पिच के साथ मिलाया जाता है, इसके बाद ऊंचे तापमान पर बनाया और पकाया जाता है। एनोड की गुणवत्ता एल्यूमीनियम उत्पादन के तकनीकी, आर्थिक और पर्यावरणीय पहलुओं को प्रभावित करती है। ऊर्जा दक्षता एनोड सामग्री की प्रकृति, साथ ही पके हुए एनोड की सरंध्रता से संबंधित है। प्रीबेक्ड एनोड (50-60 μΩm) के विद्युत प्रतिरोध को दूर करने के लिए लगभग 10% सेल बिजली की खपत होती है।[5]कम वर्तमान दक्षता और गैर-इलेक्ट्रोलाइटिक खपत के कारण सैद्धांतिक मूल्य से अधिक कार्बन की खपत होती है। कच्चे माल और उत्पादन मापदंडों में भिन्नता के कारण अमानवीय एनोड गुणवत्ता भी इसके प्रदर्शन और सेल स्थिरता को प्रभावित करती है।

पूर्व-बेक्ड उपभोज्य कार्बन एनोड को ग्रेफाइटाइज्ड और कोक प्रकारों में विभाजित किया गया है। ग्रेफाइटाइज्ड एनोड के निर्माण के लिए, एन्थ्रेसाइट और पेट्रोलियम कोक को कैलक्लाइंड और वर्गीकृत किया जाता है। फिर उन्हें कोयला-तार पिच के साथ मिलाया जाता है और दबाया जाता है। दबाए गए हरे एनोड को फिर 1200°C पर बेक किया जाता है और ग्रेफाइटाइज़ किया जाता है। कोक एनोड कैलक्लाइंड पेट्रोलियम कोक, पुनर्नवीनीकृत एनोड बट्स और कोयला-टार पिच (बाइंडर) से बने होते हैं। एनोड का निर्माण कोल टार पिच के साथ समुच्चय को मिलाकर एक आटे जैसी स्थिरता वाला पेस्ट बनाने के लिए किया जाता है। यह सामग्री प्रायः वाइब्रो-कॉम्पैक्ट होती है लेकिन कुछ पौधों में दबाई जाती है। बाइंडर के अपघटन और कार्बोनाइजेशन के माध्यम से इसकी ताकत बढ़ाने के लिए हरे एनोड को ग्रेफाइटाइजेशन के बिना, 300-400 घंटों के लिए 1100-1200 डिग्री सेल्सियस पर sintered किया जाता है। उच्च बेकिंग तापमान यांत्रिक गुणों और तापीय चालकता को बढ़ाता है, और हवा और CO को कम करता है2 प्रतिक्रियाशीलता.[9] कोक-प्रकार के एनोड का विशिष्ट विद्युत प्रतिरोध ग्रेफाइटाइज्ड एनोड की तुलना में अधिक होता है, लेकिन उनमें उच्च संपीड़न शक्ति और कम छिद्र होता है।[10] नॉर्वे में 1923 में पहली बार इस्तेमाल किए गए सोडरबर्ग इलेक्ट्रोड (इन-सीटू बेकिंग) एक स्टील के खोल और एक कार्बनयुक्त द्रव्यमान से बने होते हैं, जो इलेक्ट्रोलिसिस सेल से निकलने वाली गर्मी से पकाया जाता है। सोडरबर्ग कार्बन-आधारित सामग्री जैसे कोक और एन्थ्रेसाइट को कुचल दिया जाता है, गर्मी से उपचारित किया जाता है और वर्गीकृत किया जाता है। इन समुच्चय को बाइंडर के रूप में पिच या तेल के साथ मिलाया जाता है, ब्रिकेट किया जाता है और खोल में लोड किया जाता है। कॉलम के नीचे से ऊपर तक तापमान बढ़ता है और जैसे ही एनोड को स्नान में उतारा जाता है, इन-सीटू बेकिंग होती है। बेकिंग के दौरान महत्वपूर्ण मात्रा में हाइड्रोकार्बन उत्सर्जित होते हैं जो इस प्रकार के इलेक्ट्रोड का एक नुकसान है। अधिकांश आधुनिक स्मेल्टर प्रीबेक्ड एनोड का उपयोग करते हैं क्योंकि प्रक्रिया नियंत्रण आसान होता है और सोडरबर्ग एनोड की तुलना में थोड़ी बेहतर ऊर्जा दक्षता हासिल की जाती है।

एल्यूमीनियम स्मेल्टर के पर्यावरणीय मुद्दे

इस प्रक्रिया से बड़ी मात्रा में फ्लोराइड अपशिष्ट उत्पन्न होता है: गैसों के रूप में पेरफ्लूरोकार्बन और हाइड्रोजिन फ्लोराइड , और कणों के रूप में सोडियम फ्लोराइड और एल्यूमीनियम फ्लोराइड और अप्रयुक्त क्रायोलाइट। 2007 में सबसे अच्छे संयंत्रों में यह 0.5 किलोग्राम प्रति टन एल्यूमीनियम के बराबर हो सकता है, 1974 में पुराने डिजाइनों में 4 किलोग्राम प्रति टन एल्यूमीनियम तक हो सकता है। जब तक सावधानी से नियंत्रित नहीं किया जाता, तब तक हाइड्रोजन फ्लोराइड पौधों के आसपास की वनस्पति के लिए बहुत जहरीला होता है।

सोडरबर्ग प्रक्रिया जो एनोड के उपभोग के रूप में एन्थ्रेसाइट/पिच मिश्रण को पकाती है, स्मेल्टर में पिच के उपभोग के रूप में पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन के महत्वपूर्ण उत्सर्जन का उत्पादन करती है।

बर्तनों की परत साइनाइड बनाने वाली सामग्री से दूषित हो जाती है; अल्कोआ के पास पुन: उपयोग के लिए पॉटलाइनिंग में खर्च किया को एल्यूमीनियम फ्लोराइड और निर्माण उद्देश्यों के लिए उपयोग करने योग्य सिंथेटिक रेत और निष्क्रिय कचरे में परिवर्तित करने की एक प्रक्रिया है।

एल्यूमीनियम गलाने के पर्यावरणीय प्रभावों को कम करने के लिए एक निष्क्रिय एनोड विकसित करने के लिए अनुसंधान प्रयास चल रहे हैं।[11] एल्कोआ और रियो टिंटो (निगम) ने एल्कोआ द्वारा विकसित निष्क्रिय एनोड तकनीक का व्यावसायीकरण करने के लिए एक संयुक्त उद्यम, एलीसिस का गठन किया है।[12] अक्रिय एनोड एक सेरमेट सामग्री है, जो निकल फेराइट के सिरेमिक मैट्रिक्स में तांबे मिश्र धातु का एक धात्विक फैलाव है।[11]


ऊर्जा का उपयोग

एल्युमीनियम गलाना अत्यधिक ऊर्जा गहन है, और कुछ देशों में यह तभी किफायती है जब बिजली के सस्ते स्रोत हों।[13][14] कुछ देशों में, स्मेल्टरों को अनिवार्य नवीकरणीय ऊर्जा लक्ष्य जैसी ऊर्जा नीति में छूट दी जाती है।[15][16]


उदाहरण एल्यूमीनियम स्मेल्टर

यह भी देखें

संदर्भ

  1. K. Grjotheim and C. Krohn, Aluminium electrolysis: The chemistry of the Hall-Heroult process: Aluminium-Verlag GmbH, 1977.
  2. F. Habashi, Handbook of Extractive Metallurgy vol. 2: Wiley-VCH, 1997.
  3. Kuang, Z.; Thonstad, J.; Rolseth, S.; Sørlie, M. (April 1996). "एनोड कार्बन खपत पर बेकिंग तापमान और एनोड वर्तमान घनत्व का प्रभाव". Metallurgical and Materials Transactions B. 27 (2): 177–183. doi:10.1007/BF02915043. S2CID 97620903.
  4. Farr-Wharton, R.; Welch, B.J.; Hannah, R.C.; Dorin, R.; Gardner, H.J. (February 1980). "विषम कार्बन एनोड का रासायनिक और विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण". Electrochimica Acta. 25 (2): 217–221. doi:10.1016/0013-4686(80)80046-6.
  5. 5.0 5.1 F. Habashi, "Extractive metallurgy of aluminum," in Handbook of Aluminum: Volume 2: Alloy production and materials manufacturing. vol. 2, G. E. Totten and D. S. MacKenzie, Eds., First ed: Marcel Dekker, 2003, pp. 1–45
  6. P. A. Foster, "Phase diagram of a portion of system Na3AlF6-AlF3-Al2O3," Journal of the American Ceramic Society, vol. 58, pp. 288–291, 1975
  7. Welch, B. J.; Hyland, M. M.; James, B. J. (February 2001). "एल्यूमीनियम के उच्च-ऊर्जा-तीव्रता उत्पादन के लिए भविष्य की सामग्री की आवश्यकताएं". JOM. 53 (2): 13–18. Bibcode:2001JOM....53b..13W. doi:10.1007/s11837-001-0114-8. S2CID 136787092.
  8. Brisson, P.-Y.; Darmstadt, H.; Fafard, M.; Adnot, A.; Servant, G.; Soucy, G. (July 2006). "एल्यूमीनियम ऑक्साइड कटौती कोशिकाओं के कार्बन कैथोड ब्लॉक में सोडियम प्रतिक्रियाओं का एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययन". Carbon. 44 (8): 1438–1447. doi:10.1016/j.carbon.2005.11.030.
  9. W. K. Fischer, et al., "Baking parameters and the resulting anode quality," in TMS Annual Meeting, Denver, CO, USA, 1993, pp. 683–689
  10. M. M. Gasik and M. L. Gasik, "Smelting of aluminum," in Handbook of Aluminum: Volume 2: Alloy production and materials manufacturing. vol. 2, G. E. Totten and D. S. MacKenzie, Eds., ed: Marcel Dekker, 2003, pp. 47–79
  11. 11.0 11.1 Sadoway, Donald (May 2001). "Inert Anodes for the Hall-Héroult Cell: The Ultimate Materials Challenge" (PDF). Retrieved 29 April 2022.
  12. "Rio Tinto and Alcoa announce world's first carbon-free aluminum smelting process; Apple assist; Elysis JV to commercialize". Green Car Congress. Retrieved 2022-04-30.
  13. "World Aluminium — Primary Aluminium Smelting Energy Intensity".
  14. "एल्यूमिनियम फैक्ट शीट". Geoscience Australia. Archived from the original on 2015-09-23. Retrieved 2015-09-02. A great amount of energy is consumed during the smelting process; from 14 – 16 MWh of electrical energy is needed to produce one tonne of aluminium from about two tonnes of alumina. The availability of cheap electricity is therefore essential for economic production.
  15. "ऑस्ट्रेलियाई एल्यूमीनियम उद्योग में ऊर्जा दक्षता सर्वोत्तम अभ्यास" (PDF). Department of Industry, Science and Resources – Australian Government. July 2000. Archived from the original (PDF) on 2015-09-24. Retrieved 2015-09-02.
  16. "Australian Aluminium Council – Submission to the Productivity Commission Inquiry into Energy Efficiency" (PDF).