Ugrás a tartalomhoz

Ipari technológiák

Dr. Német Béla (2013)

Pécsi Tudományegyetem

A fémek feldolgozásának energiaigénye és környezeti hatásuk.

A fémek feldolgozásának energiaigénye és környezeti hatásuk.

A feldolgozó technológiák energiaigénye

A timföldből elektrolízissel 99,7 %-os 99,5 %-os és 99,0 %-os tisztaságú kohóalumíniumot lehet előállítani. Ez jó korrózióállóságú, kis villamos ellenállású, de kis szilárdságú fém. Előnyös tulajdonságai a szennyezők csökkentésével javulnak. Az alumínium finomítását többszöri elektrolízissel végzik. Ezzel a módszerrel 99,99%-os tisztaságú alumínium állítható elő. Ez a művelet igen energiaigényes: 1 kg kohóalumínium előállításához 20 kWh, 1 kg nagytisztaságú alumíniumhoz pedig 39-40 kWh villamos energia szükséges. A tiszta alumínium képlékeny alakíthatósága kitűnő, de nehezen forgácsolható (kenődik).

Az alumíniumelektrolízis elve és alaptörvénye.

http://www.szubjektum.hu/bauxit/text/Alugyar.htm

Az alumínium normál elektródpotenciálja Al/Al3+ = -1,66 V, ezért vizes oldatból elektrolízissel nem lehet kiválasztani, ugyanis H2 leválás kezdődik. A tűzzel folyó olvadék alkalmas az Al2O3 elektrolízises bontására és az alumínium leválasztására. Az Al2O3-nak nagy olvadáspontja (2045 °C) miatt nem a timföld-olvadékot, hanem a kriolitban (Na2AlF6) oldott Al2O3-at ~ 950°C hőmérsékleten elektrolizálják.

5.12. ábra - Alumínium elektrolizáló kádak

Alumínium elektrolizáló kádak

http://www.szubjektum.hu/bauxit/text/Alugyar.htm

Az elektrolízishez használt katódként illetve anódként a szénelektródok váltak be. Az anódon levált oxigén folyamatosan oxidálja a szénanódot, ezért azt állandóan pótolni kell. A szénanód használata hőtechnikai szempontból előnyös, mert a reakció közben keletkező reakcióhő csökkenti az Al2O3 elbontásának villamosenergia-igényét, vagyis az anód égése jó hatásfokkal hasznosul.

A fémek elektrolízisét a Faraday törvénye írja le. Az elektrokémiai egyenérték tömegű mennyiség leválasztásához (96500 Coulomb) 26,8 Ah elektromos töltésmennyiség szükséges. A 3 vegyértékű alumíniumból tehát 1000 Ah árammennyiség 0,3354 kg alumíniumot választ le. Az 1 kA áramerősségű cellában (kádban) elméletileg naponta 8 kg, évente 2938 kg alumínium nyerhető. Az ipari termeléshez nagy, 10-20 kA-es áramerősségre van szükség. A II. világháború után már 100-130 kA áramerősséggel épültek kohók. A legmodernebb kohók 150-250 kA árammal üzemelnek.

Az alumíniumkohók energiaellátása

Az alumínium előállításához felhasznált összenergia mintegy 75 %-a villamos energia. Korszerű alumínium kohókban 14500-15000 kWh elektromos energia szükséges 1 tonna alumínium előállításához. Ennek megfelelően, ha egy év alatt (azaz 8800 óra alatt) akarunk 1 tonna alumíniumot előállítani, ehhez folyamatosan 1,7-1,8 kW villamos teljesítményt szükséges biztosítani szükséges. Tehát egy 100 kt éves kapacitású kohó mintegy 175 MW villamos teljesítményt igényel. Egy kohókádsor, amely 180-220 db sorba kapcsolt kádat jelent, egyenáramú feszültsége általában 800-1000 V. A számolt elektromos teljesítményhez szükséges a kádsoron 150-200 kA-es áramerősség. A transzformátorok primer oldala általában 30-35 kV. Ezek a rendszerek külön transzformátorral kapcsolódnak a 200-400 kV-os hálózathoz.

Az elektrolízis reakciói és folyamata

Az elektrolízis hőmérséklete 950-970 °C, az olvadt kriolit és az oldott timföld disszociált állapotban van. A gyakorlati és az elméleti leválasztás viszonya általában 0,85-0,95 közötti érték (a katódon megjelenő alumínium tömege kisebb lesz, mint a Faraday törvénye szerint várható elméleti érték. Ennek okai: az alumínium egy része visszaoxidálódik, az áram szennyezőket is leválaszt (Fe, Si, Cu, ) és kisebb rövidzárlatok is létrejönnek. A kohók a termelés gazdaságosságát szem előtt tartva minél nagyobb áramhatásfok elérésére törekszenek.

A feldolgozó technológiák környezeti hatása

2. táblázat. A különböző gyártási folyamatok során keletkező CO2 évi mennyisége

Az évi CO2 kibocsátás 1012 kg)

Az emberiség által CO2 kibocsátott teljes mennyiség %-ában

Vas (nagyolvasztó)

1,11

5,4

Alumínium (elektrolízis)

0,52

2,5

Cink (elektrolízis + Imperial-Smelting eljárás

0,07

0,3

Szintézisgáz (földgáz-átalakítás)

0,30

1,4

Összesen

2,00

8,6

A vasgyártás káros hatásai

Az alkalmazott hagyományos vasgyártási módszer rendkívül környezetszennyező. A hagyományos olvasztás során a vasércet koksszal keverik, ami reakcióba lépve a vasoxiddal széndioxidot és szénmonoxidot termel. Egy tonna nyersvas előállításánál egy tonna szén-dioxid képződik. Nem tüzeléses módszer, az elektrolízis: A vasércet szilícium dioxid oldatban 1600 Celsius fokon feloldják, majd elektromos áramot vezetnek át rajta. A negatív töltésű oxigén ionok a pozitív töltésű anódhoz vándorolnak, ebben az esetben kizárólag oxigén távozik. A pozitív töltésű ionok ennek megfelelően a negatív katódnál gyűlnek meg, ahol folyékony elemi vasra redukálódnak, amit miután leülepszik, egyszerűen kiszippantanak. Azonban ez a módszer is számos problémát rejt magában. Nagyon nagy az elektromos teljesítmény igénye, tonnánként megközelítőleg 2000 kWh, így az eljárás ipari alkalmazása még fejlesztésre szorul.

3. Táblázat. A Bayer-eljárás 1 tonna timföldre eső anyag és energiaigénye a magyar timföldgyárakban

Száraz bauxit

2,33 t

Friss marónátron

150 kg

Nagynyomású gőz

1,4 t

Kisnyomású gőz

1,3 t

Fűtőolaj (kalcináláshoz)

95 kg

Villamos energia

320 kWh

Elsődleges hőenergia

15,4 GJ