Nhà máy đã xây dựng 1 bồn chứa có kết cấu bằng thép có trọng tải lưu trữ khoảng 60.000 tấn Alumina, có cấu tạo rất phức tạp nhưng nó bao gồm các cơ cấu chính sau: - Hệ thống chống tắc, c
Trang 1QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NHÔM BẰNG PHƯƠNG
PHÁP ĐIỆN PHÂN
Trang 2QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHÂN NHÔM
(CÔNG TY TNHH LUYỆN KIM TRẦN HỒNG QUÂN)
Nhà máy điện phân nhôm Đắk Nông tại KCN Nhân Cơ, xã Nhân Cơ, huyện Đắk R’lấp, tỉnh Đắk Nông thuộc Công ty TNHH Luyện Kim Trần Hồng Quân Nhà máy có công suất thiết kế 450.000 tấn sản phẩm nhôm/năm
1 Quy trình công nghệ sản xuất
1.1 Phương án công nghệ
Hiện nay, quy trình sản xuất nhôm đều dựa trên quy trình Hall - Heroult Nguyên lý cơ bản của quy trình này được thể hiện như sau:
2 Al2O3 + 3 C (Năng lượng nhiệt) 4 Al + 3 CO2
Có 02 phương pháp luyện nhôm chính sử dụng quy trình Hall - Heroult Đó là phương pháp Soderberg và phương pháp Prebake Sự khác biệt của 02 phương pháp này là loại cực dương được sử dụng
Phương pháp Pre-bake: là phương pháp sử dụng khối các bon đã được nung
Khối các bon này được sản xuất từ hỗn hợpt han cốc và nhựa than, sáu đó nung ở nhà máy sản xuất các bon trước khi lắp vào bể điện phân
Phương pháp Soederberg là phương pháp mà hỗn hợp các bon tươi được đổ
trực tiếp vào bể điện phân, và hỗn hợp này sẽ được nung bởi sức nóng tỏa ra trong quá trình điện phân
Phương pháp Pre-bake có điểm vượt trội hơn phương pháp Soederberg chính là lượng khí thải ra môi trường trong quá trình điện phân rất thấp Chính vì vậy, tất cả các xưởng luyện nhôm xây dựng từ đầu những năm 1970 đều sử dụng công nghệ theo phương pháp Pre-bake Hiện nay hầu hết các nhà cung cấp công nghệ đều lựa chọn phát triển công nghệ của mình theo phương pháp Pre-bake như ở Canada, Iran, Braxin…
Do vậy, nhà máy điện phân nhôm Đắk Nông cũng chọn phương án này
1.2 Quy trình công nghệ sản xuất nhôm
Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nhôm được trình bày trong hình sau:
Trang 3Hình 1 : Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nhôm
Thuyết minh quy trình công nghệ:
Quy trình sản xuất nhôm gồm 4 quá trình:
A Quá trình vận chuyển và lưu trữ alumina
Kho lưu giữ
Với những điều kiện yêu cầu rất nghiêm ngặt về vấn đề chất lượng Alumina, vấn đề điều khiển vận hành và giám sát quá trình vận chuyển Alumina cũng như giám sát khối lượng tồn kho và nó cần phải lưu trữ được lượng Alumina ít nhất 30 ngày sử dụng cho nhà máy Nhà máy đã xây dựng 1 bồn chứa có kết cấu bằng thép có trọng tải lưu trữ khoảng 60.000 tấn Alumina, có cấu tạo rất phức tạp nhưng nó bao gồm các cơ cấu chính sau:
- Hệ thống chống tắc, chống vón cục
- Hệ thống thang đi lên đỉnh silo
- Hệ thống báo mức của silo
- Thiết bị làm sạch silo
- Thiết bị bảo vệ áp suất silo
Xưởng gắn cực dương
Bể điện phân nhôm
Nhôm thành phẩm Xưởng đúc nhôm
Vật liệu phủ còn sót lại trên cực dương; ồn, bụi
Khối các bon
Bụi: Nguyên liệu đầu vào Khí thải: HF, CO, CO2, SO2, CF4, C2F6
Chất thải rắn: khối cực dương còn lại, khối cực âm, lớp lót đáy
Hỗ hợp chất điện phân: Cryolite và AlF3
Ồn
Alumina đã được flo hóa
Cryolite (Na3AlF6)
AlF3
Điện năng
Nước làm mát Cặn váng xỉ Ồn
Trang 4- Nắp silo để có thể vào bảo trì bảo dưỡng vệ sinh Silo
- Thiết bị báo mức Alumina
- Thân chính của silo
Tuy nhiên Alumina trước khi đưa vào bể điện phân nó cần qua công đoạn làm giầu Alumina vì vậy không hệ thống lưu trữ và vận chuyển Alumina nó còn bao gồm các bồn chứa khác được gọi là các bồn chứa trung gian hay còn gọi là bồn chứa thứ cấp và bồn chứa sơ cấp Cấu tạo của các bồn chứa này giống cấu tạo của các bồn chứa chínhnhư trên, tuy nhiên vì yêu cầu lưu giữ không nhiều, và nó là nơi lưu trữ Alumina đã được làm giầu trước khi được đưa vào bể điện phân, nên có trọng tải lưu giữ khoảng 2.000 tấn Alumina
Không những thế các bồn chứa đều phải bố trí các hệ thống cảm biến báo mức và thiết bị van điều khiển bằng khí nén để phục vụ cho quá trình vận chuyển tự động
Alumina trước khi được vận chuyển tới kho trung gian (Silo) thứ cấp nó cần được xử lý hay làm giầu Alumina trước khi đưa vào quá trình điện phân nó cần được xử lý làm khô, và hấp thụ chất Florua được tách ra từ quá trình điện phân, và hấp thụ một lượng Alumina thoát
ra từ bể điện phân trong quá trình điện phân Vì vậy Alumina được chuyển qua trạm xử lý khí trước khi đưa vào bể điện phân
Trạm xử lý khí
Chức năng chính của trạm xử lý khí là kiểm soát lượng khí thải và bụi thoát ra
từ quá trình điện phân hoặc quá trình thông gió của các hệ thống thông gió trong nhà máy
Đối với bể điện phân, trạm xử lý khí có chức năng bao gồm:
- Kiểm soát lưu lượng khí thải ổn định từ các bể điện phân theo đúng quy định
- Thu gom và tái chế hiệu quả lượng khí Flo từ quá trình luyện
- Đảm bảo cung cấp đủ lượng Alumina flo hóa cho hệ thống nạp nguyên liệu cho
bể điện phân
- Nâng cao chất lượng môi trường làm việc trong xưởng luyện
Đối với hệ thống thông gió, trạm xử lý khí sẽ xử lý luồng khí từ các quạt thông gió sau đây:
- Quạt thông gió của hệ thống nạp nguyên liệu cho bể điện phân
- Quạt thông gió cho các thiết bị xử lý nguyên liệu và xử lý alumina
- Quạt thông gió của bể chứa alumina flo hóa và alumina tươi
Trang 5Quy trình hoạt động của trạm xử lý khí:
Khí thải, bụi từ bể điện phân và các luồng khí của quạt thông gió từ các hệ thống nạp nguyên liệu và bể chứa nguyên liệu sẽ theo các đường ống dẫn khí đến trạm xử lý khí thải (GTC) Alumina tươi sẽ được bơm đều đặn và liên tục từ silo chứa Alumina tươi vào lò phản ứng để hấp thụ hỗn hợp khí florua và hạt bụi này Alumina tươi sẽ được đưa vào theo hướng ngược chiều với luồng khí thải từ bể điện phân trong lò phản ứng, với phương thức này sẽ làm tăng hiệu quả của quá trình hấp thụ florua Hỗn hợp khí Alumina sau khi hấp thụ khí florua được gọi là Alumina flo hóa và sẽ được dẫn vào silo chứa alumina flo hóa Tuy nhiên trong quá trình alumina hấp thụ florua trong lò phản ứng chỉ hấp thụ được 95% khí florua thoát ra từ bể điện phân, phần còn lại khoảng 5% khí florua kèm theo các hạt bụi, hỗn hợp khí khác và một phần alumina Phần còn lại này sẽ được dẫn tiếp vào khoang chứa có các túi lọc
Tại túi lọc, alumina flo hóa sẽ được lọc và xử lý để tách lượng khí và bụi trong hỗn hợp và chuyển tới ống khói bằng hệ thống quạt để thải ra bên ngoài, còn alumina flo hóa đã được làm sạch sẽ sẽ được đưa tới băng tải khí để chuyển tới silo chứa Alumian flo hóa
Nhà máy xây dựng 03 hệ thống xử lý khí thải, chiều cao ống khói thải ra cao 35m
2 A l2O3+6 HF❑→ 3 (A l2O3.2 HF ) 3(A l2O3.2 HF)→ 2 Al F3+3 H2O+2 A l2O3
A l2O3+6 HF →2 Al F3+3 H2O
Quy trình hấp làm dầu alumina trong hệ thống xử lý khí
Hệ thống vận chuyển
Để vận chuyển Alumina từ nơi sản xuất alumina vào bể điện phân, hệ thống phù hợp nhất là hệ thống băng tải vận tải trực tiếp vào bồn chứa Alumina
Các nhà máy trên thế giới thông thường để vận chuyển Alumina từ bồn chứa vào các bể trung gian, qua trạm xử lý khí và tới bể điện phân người ta sử dụng hệ thống băng tải, nhưng với kỹ thuật tiên tiến hiện nay việc vận chuyển như thế là không
Phản ứng Hấp thụ
Phản ứng chung
Trang 6phù hợp với không gian bố trí và lắp đặt băng tải, không những thế nó không đảm bảo
độ sạch và độ ẩm do tác động của môi trường bên ngoài tới nguyên liệu Alumina đầu vào đồng thời làm tăng chi phí lắp đặt và làm phức tạp hóa quá trình điều khiển Vì vậy, nhà máy dùng hệ thống ống dẫn để sử dụng vận chuyển để vận chuyển Alumina, kết hợp với nguồn năng lượng thủy khí được dẫn từ trạm nén khí kết hợp với các thiết
bị lắp đặt trên hệ thống nén khí như van khí áp lực, và các cảm biến báo mức tại các kho lưu trữ, và cảm biến trong bể điện phân, mà quá trình vận chuyển Alumina được vận chuyển hoàn toàn một cách tự động bằng phần mềm điều khiển
Vị trí lắp đặt của hệ thống lưu trữ và vận chuyển Alumina
Kho lưu trữ alumina được đặt gần nhà máy sản xuất alumina để thuận tiện cho công việc vận chuyển alumina vào kho lưu trữ
Với chức năng làm kho lưu trữ trung gian của alumina trước và sau khi được làm giàu Alumina bằng trạm xử lý khí thải, không những thế, trạm xử lý khí thải còn chức năng quan trọng khác là nó có nhiệm vụ xử lý khí trực tiếp được dẫn từ các bể điện phân trước khi đưa ra ngoài môi trường vì vậy toàn bộ nhà máy được xây dựng hai trạm xử lý khí cùng bể trung gian và được bố trí ở giữa 2 phân xưởng luyện nhôm
B Quá trình gắn cực dương
Khối cực dương sau mỗi quá trình điện phân sẽ bị ăn mòn và được đưa về xưởng lắp ráp để tạo cực dương mới cho quá trình điện phân tiếp theo Đầu tiên, khối cực dương sẽ được làm sạch sơ qua bằng công đoạn thủ công và tiếp đó được làm sạch bằng máy bắn (bắn những viên bi nhỏ bằng sắt) để tiếp tục loại bỏ phần nguyên liệu phủ còn sót lại, bụi các bon và bụi sắt Sau đó khối cực dương chuyển sang máy áp lực cao để tách bỏ phần chân gà và phần cácbon Các chan gà được chuyển tới máy bắn để làm sạch rỉ sét và cặn bám xung quanh chân, sau đó tiếp tục được chuyển tới khu vực kiểm tra và nắn thẳng chân Sau khi nắn thẳng, máy kiểm tra để xác định chan đã được nắn thẳng và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật hay chưa Những chân chưa đảm bảo tiêu chuẩn sẽ mang đi sửa lại, những chân đảm bảo tiêu chuẩn sẽ được gắn khối các bon mới vào thành khối cực dương hoàn chỉnh
C Quá trình điện phân
Trang 7Quá trình phản ứng này diễn ra trong các bể điện phân Bể điện phân được cấu tạo gồm lớp đáy và đâ bên là các lớp cách nhiệt, lớp các bon cực âm và lớp chất phủ nóng chảy (lớp chất phủ này chủ yếu được làm từ cryolit và nhôm florua và là nơi nhôm oxit được hòa tan trong quá trình điện phân) Phía trên bể điện phân là các khối các boncó chức năng làm cực dương của dòng điện Khi dòng điện có cường độ cao chạy từ điện cực dương qua các hỗn hợp chất điện phân sau đó qua điện cực âm của bể điện phân, tại đây dòng điện sẽ sinh ra một nguồn nhiệt rất lớn khoảng 960OC, ở môi trường nhiệt độ cao Alumina sẽ nóng chảy và khi đó oxit nhôm Al2O3 sẽ được tách thành phân tử nhôm Al và phân tử O Các phân tử nhôm sẽ được hút về cực âm được lắng dưới đáy bể điện phân, và các phân tử Oxi sẽ bị hút về phía cực dương của dòng điện và nó kết hợp với phân tử C được tạo ra từ cực dương tạo thành khí CO2 và được dẫn đi bằng hệ thống dẫn khí đến hệ thống xử lý khí thải Các thanh các bon cực dương sẽ bị ăn mòn dần do các phản ứng và sẽ được thay thế sau mỗi 24h (kết thúc quá trình điện phân) Nhôm lỏng lắng đọng ở dưới đáy bể điện phân sẽ được hút ra bằng 1 cần trục và đổ vào thùng đựng nhôm lỏng chuyên dung, sau đó sẽ được chuyển tới xưởng đúc Khí CO2 và các khí thải khác trong quá trình điện phân như (Florua, SO2, CF4, C2F6…) thoát ra theo đường ống dẫn khí để tới trạm xử lý khí
Cấu tạo của Bể điện phân
Vỏ bể điện phân:
Vỏ bể điện phân được làm từ loại thép cứng và đặc chủng, được thiết kế để chịu được tải của các vật liệu đặt bên trong nó Lớp vỏ bể điện phân được đỡ bằng các cột
bê tông và dầm cách điện
Đáy bể điện phân và khối cực âm:
Toàn bộ lớp đáy của bể điện phân đặt trong phần vỏ, lớp đầu tien sẽ được lắp đặt ngay tại phân xưởng khi các vỏ bể đã được lắp giáp cố định vào dây chuyền tuy nhiên, những lần sau khi nhà máy đã đi vào hoạt động thì bể điện phân sẽ được chuyển bằng hệ thống cẩu đến phân xưởng bảo trì bảo dưỡng và lớp đáy sẽ được thay thế và lắp đặt tại đây
Kim loại nóng được sử dụng để gắn chặt các thanh dẫn điện bằng thép (collector bar) vào rãnh của các khối các bon cực âm tạo ra một khối kết cấu hoàn
Trang 8chỉnh để đảm bảo dòng điện chạy từ khối cực âm vào trong thanh dẫn điện này được
ổn định
Cấu tạo của lớp đáy bể điện phân bao gồm:
- Các bon silicon hai bên thành của bể điện phân có tác dụng bảo vệ vỏ bể
khỏi sức nóng;
- Lớp gạch chịu lửa và cách nhiêỵ ở phía dưới đáy bể điện phân
- Khói các bon cực âm
- Lớp keo các bon gắn các khối các bon cực âm với nhau và gắn khối các bon
cực âm với khối các bon silicon ở hai bên thành để cố định lớp đáy của bể điện phân
Hệ thống thanh cái dẫn điện (busbar)
Dòng điện một chiều từ bộ chỉnh lưu được dẫn vào bể điện phân bằng hệ thống thanh cái dẫn điện và tạo thành 01 mạch điện khép kín còn được gọi là hệ thống thanh cái
Hệ thống thanh cái dẫn điện của nhà máy bao gồm: thanh cái đi vào nối từ trạm chỉnh lưu tới bể điện phân đầu tiên của dây chuyền thứ 2 tới trạm chỉnh lưu, các bể điện được kết nối với nhau bằng hệ thống thanh cái và nó được đấu nối theo nguyên tắc cực dương của bể này được đấu nối với cực âm của bể kế tiếp Thanh cái cực âm chạy xung quanh mỗi bể điện phân (thanh cái này sẽ được đấu nối với các khối cực âm bằng thanh dẫn điện) Thanh cái cực dương (chính là giá đỡ cực dương) được gắn vào kết cấu trên của bể điện phân, các mấu nối và thanh riser nối thanh cái cực âm của bể điện phân này tới thanh cái cực dương của bể điện phân tiếp theo, thanh cái ngang nối
từ bể điện phân cuối cùng của phân xưởng này tới bể cuối cùng của phân xưởng khác, thanh cái ở lối đi trung tâm Tất cả các loại thanh cái dẫn điện của nhà máy đều được làm từ nhôm và được đấu nối với nhau thành một mạch điện khép kín Mỗi bể điện phân được xem là một thiết bị tiêu thụ điện độc lập trong mạch khép kín này
Hệ thống thanh cái được cách điện với mặt đất bởi các bệ đỡ khối bê tông
Hệ thống thanh cái nói trên được chia làm 02 loại: các thanh busbar âm và thanh busbar dương Thanh cái âm chính là các thanh cái cực âm được đặt ở dưới tàng hầm của phân xưởng và được nối với nhau bằng các tấm hàn Các thanh cái dương bao
Trang 9gồm các thanh riser và giá đỡ cực dương (anode beam) Trọng lượng của hệ thống thanh cái cho mỗi vỏ điện phân là khoảng 50 tấn
Kết cấu phía trên của bể điện phân
Kết cấu này là một phần của bể điện phân và nằm phía trên vỏ bể điện phân Kết cấu bao gồm hệ thống khung đỡ cực dương (còn gọi là thanh cái cực dương) có các chức năng sau:
- Phân phối dòng điện từ khung đỡ cực dương tới cực dương
- Điều chỉnh độ cao của giá đỡ cực dương và cực dương bằng hệ thống nâng
kích cực dương
- Vận chuyển, dự trữ và phân phối alumina và muối nhôm florua vào bể điện
phân bằng các thiết bị nạp nguyên liệu và thiết bị phá lớp nguyên liệu phủ
- Hút khí thoát ra từ bể điện phân
Phía trong của kết cấu sẽ bao gồm hệ thống các phễu chứa nguyên liệu đầu vào (alumina flo hóa và muối nhôm florua, cryolite) và hệ thống hút khí được làm bằng tôn mỏng được hàn chắc chắn phái trên cùng của kết cấu là một băng tải khí để vận chuyển alumina vào bể
Kết cấu phía trên sẽ bao gồm các bộ phận sau:
- Giá đỡ chính là một khung thép được làm bằng các tấm tôn định hình, thanh
thép mỏng và các dầm thép được hàn với nhau Giá đỡ này có tác dụng làm bệ
đỡ cho toàn bộ thiết bị của kết cấu phía trên Trọng lượng của giá đỡ này hoảng
16 tấn
- Khung đỡ cực dương và các thanh riser (tất cả đều được làm bằng nhôm) sẽ
được gắn vào giá đỡ chính này
Hệ thống nâng hạ cực dương
- Hệ thống gắn anode: sẽ bao gồm các móc để gắn chặt thanh nhôm của khối cực
dương vào khung đỡ cực dương
- Nguồn cung cấp năng lượng điện và khí nén: sẽ cung cấp năng lượng tới các
điểm kết nối đặt dọc kết cấu
- Lớp cách nhiệt: Ống cách nhiệt dẻo được sử dụng để nối kết cấu với các ống
dẫn khí của trạm xử lý khí và nối băng tải khí tới hệ thống nạp alumina vào bể điện phân Kết cấu được đặt trên 4 cột đỡ cách nhiệt
Trang 10 Hệ thống cực dương
Vì nhiệt độ trong bể điện phân là rất cao, do vậy việc chọn vật liệu các cực điện
là một vấn đề quan trọng bởi nó vừa phải đảm bảo chức năng dẫn điện và khi bị tan chảy cũng không làm ảnh hưởng đến chất lượng của nhôm lỏng sau quá trình điện phân Khối cực dương được làm từ vật liệu than cácbon đảm bảo được những yêu cầu này vì nó vừa có tính năng dẫn điện, hơn nữa trong quá trình nung nóng chảy phân tử các bon sẽ kết hợp phân tử oxy tạo ra khí CO2 nên không ảnh hưởng tới chất lượng của nhôm lỏng thành phẩm
Mỗi bể điện phân sẽ được lắp ráp các bộ cực dương và mỗi bộ cực dương này
sẽ được đính với khung đỡ phía trên bể điện phân Bộ cực dương sẽ bao gồm khối các bon cực dương được gắn chặt vào bộ phận chân gà bằng théo và bộ chân gà này sẽ được kết nối với một thanh nhôm bằng một lớp nhựa đặc biệt Lớp nhựa này có chức năng gắn kết thanh nhôm và chân gắn mà nó vẫn đảm bảo tính dẫn điện
Khối các bon cực dương được đóng vào các chân gà bằng kim loại nóng chảy Việc lắp ráp bộ cực dương này sẽ được tiến hành tại xưởng lắp ráp cực dương các bon Các bộ cực dương này sẽ được thay thế bằng cầu dịch vụ
Sàn di động và các tấm lưới
Để đảm bảo cho việc tản nhiệt cho tầng hầm và hệ thống thanh cái dẫn điện dưới tầng hầm cũng như thuận tiện cho quá trình bảo trì bảo dưỡng bể điện phân và hệ thống dẫn điện busbar Hệ thống sàn thao tác di động sẽ được lắp ráp trên bề mặt của
hệ thống thanh cái và xung quanh bể điện phân với cao độ bằng sàn thao tác trong phân xưởng ở giữa các bể điện phân và các sàn di động này là các tấm lưới sàng có tác dụng thông hơi Khí ở dưới tầng hầm ( nơi để vỏ bể và hệ thống thanh busbar cực âm) sẽ được thoát ra qua các tấm lưới này đi lên hệ thống thông gió bên trên nóc nhà
Trong quá trình thay thế bể điện phân, các sàn di động sẽ được tháo để trục cẩu tiến hành nhấc các bể điện phân ra
Hệ thống nắp bể điện phân
Để ngăn khí thoát ra ngoài cũng như đảm bảo dự án toàn cho người vận hành trong quá trình điện phân, mỗi bể điện phân sẽ được trang bị một hệ thống nắp đậy xung quanh bể Hệ thống này bao gồm trần, hai tấm chắn hai đầu bể, và các nắp đậy
