Đề tài Tài nguyên bôxit -Tình hình, triển vọng và công nghệ khai thác, chế biến

ía Tây Bắc. Nhóm này gồm các mỏ Ma Mèo, Đồng Đăng, Tam Lung, Khôn Phích và Bản Lóng, nằm cách nhau từ 0,5 đến 5km. Kết quả tìm kiếm, thăm dò tính được 16,97 nghìn tấn bôxit cấp A + B + C1 + C2 trong đó, mỏ Ma Mèo - Đồng Đăng có trữ lượng lớn nhất và được nghiên cứu chi tiết hơn cả. Bảng 9. Trữ lượng và chất lượng quặng bôxit nhóm mỏ Lạng Sơn Tên mỏ Thân quặng Dài ( m) Rộng ( m) Dày ( m) Hàm lượng % Mod ul Trữ lượng (tri Al2O 3 SiO2 silic ệu tấn) Ma Mèo 22 thân quặn g delu vi 100 - 900 50 - 350 1 - 50 50 6.5 7.7 9.53 Đồn g Đăn g 4 thân delu vi 200 - 800 60 - 400 3 - 30 50 9.2 5.5 4.60 Tam Lun g 1 thân quặn g gốc 1800 30 - 300 30 - 50 49.5 0 12.6 0 4 2.84 Cộn g 16.97 b. Nhóm mỏ Bằng Mạc Nhóm mỏ Bằng Mạc nằm ở phía Tây Nam của tỉnh Lạng Sơn. Nhóm mỏ này gồm những mỏ và điểm quặng nằm gần huyện lỵ Bằng Mạc, cách ga Đồng Mỏ 12km và cách thị xã Lạng Sơn 50km theo đường ô tô. Trữ lượng quặng bôxit của nhóm này là C1 + C2 = 1317 ngàn tấn; trong đó C1 = 722 ngàn tấn. c. Nhóm mỏ Bắc Sơn Nhóm mỏ Bắc Sơn nằm ở phía Tây tỉnh Lạng Sơn, phân bố trên một dải hẹp kéo dài 15km từ làng Đông Y đến làng Hương Cốc dọc theo đường ô tô Thái Nguyên - Lạng Sơn. Mỏ cách đường ô tô xa nhất cũng chỉ 2km. Nhóm mỏ gồm các mỏ Pa Eng, Đông Y, Lân Bạt, Nà Pàn, Vũ Sơn và Hương Cốc. Trong đó mỏ Vũ Sơn là lớn nhất. Trong nhóm mỏ Bắc Sơn đã thăm dò được 1290 nghìn tấn bôxit cấp C1 + C2, chất lượng thấp, trong đó cấp C1 là 960 nghìn tấn. Bôxit loại này có thể dùng làm chất trợ chảy trong lò Mactin. Nhìn chung nhóm mỏ bôxit Bắc Sơn quy mô không lớn, chất lượng không cao, không có loại bôxit đáp ứng yêu cầu sử dụng cho phương pháp Bayer để chế biến. Ngoài ra trong vùng bôxit Lạng Sơn còn có 1 số điểm quặng bôxit như Nà Đông, La Chế, Nà Nậm, Cầu Hin, Đôn Úy, Mỏ Tát... 1.1.1.2. Vùng bôxit Cao Bằng Vùng bôxit Cao Bằng nằm trong tỉnh Cao bằng là một vùng bôxit có triển vọng lớn. Các mỏ bôxit đã biết nằm ở phía Tây Bắc, Bắc và Đông Nam thị xã Cao Bằng, tạo nên 3 nhóm mỏ Táp Ná, Hà Quảng và Quảng Hòa. Các nhóm mỏ Táp Ná, Hà Quảng có triển vọng lớn về mặt địa chất, song ít thuận lợi về mặt kinh tế, còn nhóm mỏ Quảng Hòa ít có triển vọng về mặt địa chất, song điều kiện kinh tế thuận lợi hơn. Vùng bôxit phân bố ở phía Tây Bắc, Bắc và Đông Nam thị xã Cao Bằng. Trữ lượng bôxit là cấp B + C1 + C2 + P = 76826 ngàn tấn, trong đó cấp P (tài nguyên) = 23291 ngàn tấn. a. Nhóm mỏ Táp Ná Nhóm mỏ Táp Ná ở phía Tây Bắc thị xã Cao Bằng thuộc huyện Thông Nông và Nguyên Bình được phát hiện năm 1960. Đây là là nhóm mỏ có triển vọng nhất trong vùng bôxit Cao Bằng, gồm các khu Phu Luông, Bô Rách, Táp Ná, Lũng Giang, Pắc Thảy và Tĩnh Túc. Nhóm mỏ Táp Ná gồm 2 loại bôxit : quặng gốc và quặng deluvi (sa khoáng). Các thân quặng bôxit gốc đã được phát hiện ở Táp Ná, Lũng Móc, Lũng Sứa, Keo Bao, Nậm Ngũ, Lũng Giang, Lũng Nạn, Lũng Luông. b. Nhóm mỏ Hà Quảng Nhóm mỏ Hà Quảng ở về phía Bắc thị xã Cao Bằng, phần lớn thuộc huyện Hà Quảng. Các mỏ đã biết gồm những thân quặng bôxit deluvi và bôxit gốc. Các mỏ Sóc Giang, Tông Cang, Nà Giàng, Chăm Ché và Nà Thang đã được thăm dò sơ bộ, còn các mỏ Lũng Luông, Tông Pô, Ma Líp, Đại Tổng (Kinh Tử) và Lũng Nội đã được tìm kiếm bằng phương pháp lộ trình địa chất theo tỉ lệ 1/100.000. Phần lớn các mỏ đều nằm gần đường ô tô Cao Bằng - Sóc Giang và có thể khai thác bằng phương pháp lộ thiên. c. Nhóm mỏ Quảng Hòa Các nhóm mỏ Tà Lùng và Quảng Uyên gộp chung thành nhóm mỏ Quảng Hòa. Các mỏ của nhóm mỏ này nằm trong huyện Quảng Hòa, Đông Nam thị xã Cao Bằng, và phân bố dọc đường ô tô Cao Bằng - Phục Hòa - Lạng Sơn. Nhóm mỏ Quảng Hòa gồm phần lớn là những thân quặng bôxit deluvi nhỏ, phần lớn trữ lượng là quặng bôxit chất lượng thấp. Hiện tại nhóm mỏ không có giá trị công nghiệp đáng kể. 1.1.1.3. Vùng bôxit Hà Giang Vùng bôxit Hà Giang nằm trong tỉnh Hà Giang gồm các nhóm mỏ Khao Lộc, Đồng Văn, Lũng Phìn và Mèo Vạc. Nhiều điểm mỏ quặng bôxit trầm tích đã được phát hiện trên các vùng Quản Bạ, Đồng Văn, Mèo Vạc. Nhìn chung, mức độ nghiên cứu trên toàn tỉnh còn thấp nên chưa thể đánh giá được giá trị thương mại của chúng, ngoại trừ khu Mèo Vạc được nghiên cứu kỹ hơn cả và trữ lượng cũng chỉ đạt cấp C1. Trữ lượng quặng bôxit toàn vùng được đánh giá cấp C1 + C2 + P = 49323 ngàn tấn, trong đó cấp P = 32995 ngàn tấn. 1.1.1.4. Vùng bôxit Sông Đà Vùng bôxit Sông Đà phân bố dọc bờ phải khúc uốn sông Đà ở Đông Nam thị xã Lai Châu. Triển vọng trữ lượng chưa được đánh giá. 1.1.1.5. Vùng bôxit Nghệ An Phạm vi phân bố bôxit tìm thấy ở các huyện Quỳ Châu và Quỳ Hợp tỉnh Nghệ An. Những điểm bôxit đã biết nằm ở phần rìa Đông Nam của khối nâng Phu Hoạt và có liên quan về không gian với đá vôi, đá vôi đá hoa hóa. Các điểm bôxit Châu Tiến, Đò Ham và Khe Bân ở gần đường ô tô số 48 và Sông Hiếu là những thành tạo deluvi trong vùng địa hình cactơ, với các tảng, mảnh bôxit kích thước đến 3m nằm trong tầng trầm tích cát sét dày đến 15m. Bôxit cứng chắc màu nâu đỏ, xám xanh, kiến trúc hạt đậu, dạng cát kết. Thành phần hóa học như sau (%): Al2O3: 36 - 59; SiO2: 5,9 - 18,8; Fe2O3: 10 - 32; TiO2: 3 - 9; MKN: 7,4 - 14,6. Trữ lượng dự tính ở 3 điểm quặng trên khoảng 4,5 triệu tấn. 1.1.1.6. Các mỏ và điểm quặng bôxit khác Ngoài 5 vùng bôxit nêu trên, Miền Bắc Việt Nam còn có các mỏ bôxit trầm tích nằm ở những vùng riêng lẻ khác như mỏ Lỗ Sơn (Hải Hưng). + Mỏ Lỗ Sơn Mỏ Lỗ Sơn nằm cạnh làng Lỗ Sơn thuộc Kinh Môn, tỉnh Hải Hưng, cách Hà Nội 75km. Đến mỏ có thể đi bằng đường ô tô và đường thủy. Mỏ đã được khai thác và chở sang Nhật Bản 28,5 nghìn tấn bôxit từ 1937 - 1943. Thân quặng ở đây dài 346m, rộng 96m, độ dày dao động từ 0,3 đến 12m, trung bình 3m. Hàm lượng trung bình của bôxit (%): Al2O3: 52,42; SiO2: 6,36; Fe2O3: 26,13; TiO2: 2,12; CaO: 0,53; MgO: 0,24; CO2: 1,10; MKN: 12,47. Trữ lượng đã thăm dò: B + C1 là 122 nghìn tấn. Quy mô mỏ nói chung thuộc loại nhỏ. Tuy vậy có thể khai thác dễ dàng bằng phương pháp lộ thiên; điều kiện thủy địa chất thuận lợi, hiện tại Nhà máy Đá mài Hải Dương đang khai thác bôxit để sản xuất bột corindon. 1.1.2. Đặc điểm chất lượng quặng Theo điều kiện thành tạo và thành phần vật chất, quặng bôxit trầm tích được phân làm 2 loại quặng gốc và quặng sa khoáng. Các thân quặng gốc thường nằm trong tầng bôxit gồm có bôxit, alit, đá phiến sét, phiến sét than và phiến silic. Chất lượng quặng tùy thuộc vào từng mỏ, thay đổi từ thấp, hàm lượng Al2O3: 41% - 47%; SiO2: 5,5% - 14% (mỏ Táp Ná) đến trung bình, hàm lượng Al2O3: 49,51%; SiO2: 12,68%; Fe2O3: 22,19%; TiO2: 2,67%; CaO: 0,73%; SO3: 0,17%; FeO: 3,6%; MKN: 12,72% (mỏ Tam Lung) và khá cao, hàm lượng Al2O3: 49,10% - 56,90%; SiO2: 11,60% - 12,21%; Fe2O3: 9,76 - 25,24%; TiO2: 2,50% - 6,76% (mỏ Mèo Vạc). Thành phần khoáng vật quặng gồm điaspor, bơmit, hydrohematit, caolinit... Quặng sa khoáng là sản phẩm của quá trình phong hóa, phá hủy quặng gốc tại chỗ (sa khoáng eluvi), vận chuyển và tích tụ ở sườn đồi hoặc sườn núi (deluvi) hoặc vận chuyển xa hơn và lắng đọng tại các thung lũng (aluvi). Nhìn chung quặng sa khoáng nguyên khai có lượng thấp vì lẫn nhiều các đất, đá vụn, các vật liệu không chứa quặng, do đó để nâng cao chất lượng, người ta thường phải tuyển đãi bằng phương pháp thông thường. Tinh quặng thu được có thể sử dụng để sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer hoặc thiêu kết. Thành phần khoáng vật quặng thường gồm điaspor và bơmit. 1.2. Các mỏ, điểm quặng bôxit phong hóa laterit Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất, các mỏ bôxit nguồn gốc phong hóa laterit chiếm ưu thế tuyệt đối về quy mô trữ lượng. Ở Miền Bắc, thành tạo bôxit laterit được phát hiện ở Điện Biên Phủ, bôxit hình thành trong vỏ phong hóa đá bazan. Thành phần khoáng chủ yếu là gipxit, ít hơn có bơmit và điaspor. Điểm mỏ này đã được khảo sát từ những năm 1970, song chưa rõ triển vọng. Ngoài ra, ở một số nơi khác như Phủ Quỳ - Nghệ An; Tân Phủ, Tuyên Quang cũng có biểu hiện của quặng bôxit laterit. Ở Miền Nam, các mỏ bôxit laterit phát triển rộng rãi ở hầu hết các tỉnh Tây Nguyên. 1.2.1. Vị trí, quy mô trữ lượng Kết quả hoạt động địa chất từ trước tới nay đã xác minh và khẳng định quy mô trữ lượng tầm cỡ thế giới của bôxit laterit trên cao nguyên Miền Nam. Các mỏ và điểm quặng tập trung thành các vùng : Đắc Nông, Bảo Lộc - Di Linh, Vân Hoà (Phú Yên), Conplong-An Khê (Công Tum), Phước Long. Bảng 10. Đặc điểm quy mô trữ lượng các mỏ bôxit Miền Nam TT Tên mỏ Trữ lượng tinh quặng (triệu tấn) Trữ (khu mỏ) (B + C1) C2 P Cộng lượng quặng nguyên khai I Vùng Đắc Nông 103,14 1.169,17 1.272,41 2.678,75 1 Mỏ 1 - 5 103,14 64,49 167,63 335,00 2 Quảng Sơn 164,50 164,50 362,50 3 Nhân Cơ 164,54 164,54 359,26 4 Gia Nghĩa 155,63 155,63 311,56 5 Bắc Gia Nghĩa 188,94 188,94 401,06 6 Đắc Song 188,47 188,47 372,47 7 Tuy Đức 242,70 242,70 536,90 II Vùng Bảo Lộc - Di Linh 313,05 763,40 1 Bảo Lộc 45,30 91,16 - 136,04 378,00 2 Tân Rai 57,08 119,51 - 176,59 385,40 III Vân Hòa 10,80 - - 10,80 24,30 IV Conplong - An Khê 161,20 367,30 1 Măng Đen 87,50 - 87,50 156,80 2 Kon - Hà Nừng 73,72 - 73,72 210,50 V Phước Long 26,25 116,85 143,10 216,68 Tổng cộng 1.901,16 4.050,43 1.2.2. Đặc điểm địa chất Quặng bôxit laterit Miền Nam được thành tạo trong vỏ phong hóa phát triển trên đá bazan có tuổi N2 - Q1. Mặt cắt đầy đủ của vỏ phong hóa với sự phân đới khá rõ tính từ dưới lên gồm: - Đới dập vỡ cơ học (bazan bán phong hóa) gồm bazan nứt nẻ bị vỡ vụn. - Đới Saprolit gồm chủ yếu là sét chứa các "nhân" bazan còn tươi. Chiều dày đới 0 - 6m. - Đới litoma gồm sét sặc sỡ, đôi chỗ còn sót lại cả "nhân" bazan biến đổi yếu. Chiều dày đới thay đổi mạnh, có khi đạt tới 20m. - Đới chứa bôxit gồm alit và bôxit. Đới này thường có màu nâu đỏ. Bề dày có khi lên tới 14 - 15m. Thành phần trong vỏ phong hóa biến đổi theo quy luật khá rõ rệt ở từng đới. Hàm lượng oxyt silic giảm dần từ dưới lên, song đến đới bôxit chúng giảm đột ngột (tới 5 - 12 lần). Trong đá bazan tươi và bán phong hóa, hàm lượng SiO2 = 53%; còn trong dưới bôxit hàm lượng của nó xấp xỉ từ 3 - 15%. Hàm lượng oxyt nhôm tăng dần từ dưới lên. Trong đá mẹ hàm lượng Al2O3 = 14 - 17%, trong đới bôxit chỉ số này là 30 - 45%. Cũng tương tự như vậy hàm lượng TiO2, Fe2O3 đều có quy luật tăng dần từ dưới lên. Ngược lại hàm lượng FeO, R2O phát triển theo quy luật giảm dần từ dưới lên trên. 1.2.3. Đặc điểm chất lượng Quặng bôxit Miền Nam được hình thành do quá trình phong hóa chưa chín muồi đá phun trào bazan N1 - Q1. Quặng nguyên khai có chất lượng kém. Sau khi tuyển rửa bằng phương pháp thông thường, chất lượng bôxit đạt loại trung bình, đáp ứng yêu cầu sản xuất nhôm bằng phương pháp Bayer. Ở những vùng khác nhau, chất lượng quặng bôxit nguyên khai và tinh quặng khác nhau, song không đáng kể. Về thành phần hóa học, khoáng vật và đặc biệt là đặc tính công nghệ các loại quặng hầu như không có sự khác nhau, hơn nữa chúng được phân bố không theo quy luật nhất định và khả năng khai thác riêng từng loại là không thực hiện được, do vậy các dạng quặng này thường được gộp chung vào một. 2. Tình hình khai thác, nghiên cứu, chế biến quặng bôxit Việt Nam, xu hướng phát triển 2.1. Tình hình khai thác Công nghiệp khai thác bôxit ở nước ta còn rất nhỏ bé. Thời Pháp thuộc ở mỏ Lỗ Sơn (Hải Dương) khai thác được khoảng 36 ngàn tấn. Sau hòa bình lập lại, hàng năm quặng bôxit ở đây vẫn tiếp tục được khai thác với sản lượng rất nhỏ. Ngoài ra các mỏ ở Lạng Sơn, Cao Bằng cũng được khai thác thủ công để cung cấp cho một số nhà máy sản xuất xi măng (Hoàng Thạch) hoặc bán sang Trung Quốc. Ở Miền Nam, năm 1977 mỏ Đồi Nam Phương được chính thức đưa vào khai thác với công suất thiết kế 10.000 tấn tinh quặng/ năm để cung cấp quặng bôxit cho nhà máy sản xuất phèn chua COPHATA (nay là Nhà máy Hóa chất Tân Bình). Cho tới nay xí nghiệp khai thác, tuyển khoáng vẫn tiếp tục sản xuất ổn định và không ngừng phát triển đáp ứng yêu cầu sản xuất không những phèn chua mà cả nhôm hydroxit. Công nghệ khai thác: ô tô - máy xúc. Công tác bảo vệ và khôi phục môi trường được quan tâm thích đáng. 2.2. Tình hình nghiên cứu, chế biến quặng bôxit, đánh giá triển vọng phát triển Trước năm 1977 với sự hợp tác của Liên Xô và đặc biệt là của Hungari, nước ta đã tập trung nghiên cứu đánh giá chất lượng quặng bôxit ở các vùng Miền Bắc như Ma Mèo (Lạng Sơn), Táp Ná (Cao Bằng). Kết quả nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước đã khẳng định bôxit Lạng Sơn và Cao Bằng thuộc loại điaspor có độ kết tinh bền vững, rất khó hoà tách (nhiệt độ 240-2600C, với nồng độ kiềm cao >= 200g/l Na2O, phải có chất xúc tác CaO cao hơn thông thường). Được sự giúp đỡ của Liên Xô, chúng ta đã lập báo cáo nghiên cứu khả thi xây dựng nhà máy sản xuất 100.000 tấn bột và đá mài coranhdon ở Chí Linh, sử dụng nguồn bôxit Ma Mèo. Tại Miền Nam, sau ngày giải phóng với sự hợp tác của khối SEV công tác thăm dò, tìm kiếm, nghiên cứu quặng bôxit mới được đẩy mạnh. Trong thời gian 1977-1986, Viện Luyện kim màu (nay là Viện nghiên cứu Mỏ và Luyện kim) đã triển khai nhiều đề tài nghiên cứu để đánh giá chất lượng quặng và xem xét khả năng sử dụng đối với tất cả các bôxit ở các vùng chủ yếu của Miền Nam như: bôxit Bảo Lộc, Tân Rai (Lâm Đồng), bôxit "1-5" Quảng Sơn (Đắc Nông), bôxit Côngplông Kon - Hà Nừng (Gia Lai - Kontum) và bôxit Vân Hoà (Phú Yên). Nhiều mẫu bôxit Miền Nam cũng được gửi sang Liên Xô, Hunggari để nghiên cứu. Tại Hungary, đã lập báo cáo cơ hội đầu tư xây dựng nhà máy alumin công suất 600.000 t/năm, dùng quặng bôxit Tân Rai…. Các nghiên cứu trong và ngoài nước đối với bôxit Miền Nam đều đi đến kết luận bôxit dưới dạng gipxit-gơtit, chất lượng thuộc loại trung bình, thường phải qua tuyển rửa mới đảm bảo chất lượng để sử dụng cho công nghệ Bayer, bôxit thuộc loại gipxit dễ hoà tách nên có thể được xử lý bằng công nghệ Bayer Châu Mỹ (nhiệt độ, nồng độ kiềm hoà tách thấp), tuy vậy bôxit có chứa nhiều gơtit nên khả năng lắng kém. Một số nghiên cứu xếp loại tụ khoáng Bảo Lộc, Tân Rai và Đăc Nông (xem trang 23) vào vị trí cuối cùng trong bảng xếp hạng 13 vùng bôxit có tiềm năng lớn và chưa được khai thác ở 12 quốc gia trên thế giới. Xếp hạng này căn cứ trên những tiêu chí sau: - Tài nguyên bôxit rất lớn, chất lượng quặng có thể chấp nhận được, tuy nhiên kết quả thăm dò chưa được thẩm tra kỹ. - Có khả năng khai thác dễ dàng. - Tính khả tuyển ở mức thấp. - Thực thu khi tuyển không cao. - Tính khả luyện alumin ở mức trung bình. - Khả năng thu được alumin ở mức thấp. - Giao thông vận tải rất khó khăn. - Tác động đến môi trường thấp. - Rủi ro cao. Tại thành phố Hồ Chí Minh, Nhà máy Hóa chất Tân Bình (là nhà máy duy nhất ở Việt Nam xử lý quặng bôxit) thuộc Công ty Hóa chất Cơ bản Miền Nam đã và đang sản xuất nhôm hydroxit, phèn nhôm với công suất khoảng 10.000 tấn Al(OH)3/năm từ quặng bôxit khu vực Bảo Lộc (Lâm Đồng), với tinh quặng có thành phần Al2O3 47-49%, SiO2 3-5%, Fe2O3 ~20%. Nhà máy sản xuất nhôm hydroxit bằng công nghệ Bayer Châu Mỹ ở điều kiện hoà tách nhiệt độ khoảng 1400C, thời gian 2,5-3h. Dự kiến sẽ mở rộng công suất lên 100.000 tấn Al(OH)3/năm, đặt nhà máy tại khu Bảo Lộc. Ngoài ra đang có một số dự án đang ở giai đoạn ban đầu: - Dự án 100.000 tấn alumin/năm do Tập đoàn Than Việt Nam tự đầu tư xây dựng tại Khu công nghiệp Nhân Cơ (Đắc Nông), sử dụng bôxit mỏ Bắc Gia Nghĩa. Hiện đang ở giai đoạn lập báo cáo nghiên cứu tiền khả thi. - Dự án 600.000 tấn alumin/năm do Tổng Công ty Khoáng sản Việt Nam tự đầu tư xây dựng tại Bảo Lộc (Lâm Đồng), sử dụng quặng bôxit Tân Rai. Hiện đã xong giai đoạn lập báo cáo nghiên cứu khả thi. - Dự án 1,9 triệu tấn alumin/năm do Tập đoàn Than hợp tác với Công ty Chalco TQ, sử dụng quặng bôxit ở mỏ "1-5", Quảng Sơn, Đắc Nông. Hiện đang ở giai đoạn hoàn chỉnh báo cáo nghiên cứu tiền khả thi. Song song với các dự án trên, một số tập đoàn quốc tế như: BHP Billinton (ôxtrâylia), Alcoa (Mỹ)? cũng quan tâm nhiều đến quặng bôxit của Việt Nam. III. CÔNG NGHỆ LÀM GIÀU, CHẾ BIẾN QUẶNG BÔXIT 1. Công nghệ làm giàu quặng bôxit 90% sản lượng bôxit của thế giới được sản xuất bằng công nghệ Bayer, nhưng công nghệ này đòi hỏi bôxit có hàm lượng SiO2 thấp. Bôxit có hàm lượng SiO2 hoạt tính > 5% không thể xử lý kinh tế bằng phương pháp Bayer vì gây mất mát kiềm rất lớn theo bùn đỏ. Nhưng ngược lại, nếu xử lý bằng công nghệ thiêu kết hoặc thiêu kết - Bayer (hỗn hợp) thì tiêu hao năng lượng lớn, thường gấp 2 - 4 lần công nghệ Bayer đơn thuần. Vì lẽ đó, bôxit ở một số nước (Braxin, Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam...) cần phải được làm giàu để giảm hàm lượng SiO2, nâng tỉ lệ Al2O3/ SiO2 lên > 7, thích hợp cho công nghệ Bayer. Trên thế giới, các phương pháp làm giàu đơn giản và phổ biến để giảm hàm lượng SiO2 trong bôxit là : - Đập nghiền kết hợp với sàng khô. - Đập nghiền kết hợp với sàng ướt (tuyển rửa), là phương pháp phổ biến hơn Bằng phương pháp tuyển rửa, phần lớn SiO2 trong hạt mịn được loại bỏ theo quặng thải (quặng đuôi), có khi loại bỏ 50% như bôxit ở Braxin. Bôxit vùng Arkansas (Mỹ) có thành phần Al2O3: 50,4% và SiO2: 15,4%, khi xử lý bằng phương pháp tuyển rửa thu được các sản phẩm như sau: Cấp hạt Tỉ lệ, % Al2O3 SiO2, % < 150 mesh 46,2 51,6 12,3 > 150 mesh 53,8 50,8 4,3 Tương tự, bôxit latenit Việt Nam cũng có thể được loại bỏ đáng kể lượng SiO2 bằng công nghệ tuyển rửa đơn giản. Từ bôxit nguyên khai có hàm lượng Al2O3: 36 - 39%; SiO2: 6 - 13%, sau khi tuyển rửa, loại bỏ cấp hạt < 1mm, thu được tinh quặng có hàm lượng Al2O3: 44 - 58%; SiO2: 1,6 - 4% với thực thu 44 - 50%. Trong một số trường hợp, nếu hàm lượng SiO2 cao nhưng tồn tại trong dạng kết tinh bền vững, hạt thô (thạch anh: quarzt) thì có thể cải tiến công nghệ xử lý bằng cách hòa tách ở nhiệt độ thấp (áp suất thường, 105 - 107oC), thời gian ngắn với nồng độ kiềm cao (~ 200 g/l Na2O). Ngoài phương pháp làm giàu quặng bôxit để giảm hàm lượng SiO2 trong một số vùng bôxit có hàm lượng sắt cao và có từ tính (như bôxit latenit ở vùng thềm lục địa đông Ấn Độ), người ta dùng phương pháp tuyển từ ướt gradien cao, từ quặng bôxit nguyên khai có thành phần : Al2O3: 42,6 %; Fe2O3: 29,9%; TiO2: 2,5% thu được sản phẩm (với thực thu 80%) có thành phần : Al2O3 :58 - 60%, Fe2O3: 9 - 12%, TiO2: 0,75% 2. Công nghệ sản xuất alumin Quá trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al2O3, nhằm tách lượng Al2O3 trong bôxit ra khỏi các tạp chất khác. Alumin thu được phải đảm bảo chất lượng cho quá trình điện phân trong bể muối nóng chảy cryolit (Na3AlF6) để thu được Al kim loại. 2.1. Phương pháp hỏa luyện Trong số các phương pháp hỏa luyện thì phương pháp thiêu kết bôxit với Na2CO3 có sự tham gia của CaCO3 (gọi là phương pháp sôđa-vôi) là phương pháp kinh tế và được ứng dụng công nghiệp. Phương pháp thiêu kết dùng để xử lý quặng bôxit có chất lượng trung bình hoặc kém (hàm lượng SiO2 cao) mà nếu xử lý bằng công nghệ Bayer (công nghệ thủy luyện) thì không có hiệu quả kinh tế. Nguyên lý của phương pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bôxit + Na2CO3 + CaCO3 trong lò quay ở nhiệt độ 1200oC để thực hiện các phản ứng sau: Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2 SiO2 + 2 CaCO3 = 2 CaO.SiO2 + 2CO2 NaAlO2 rắn trong thiêu kết phẩm dễ tan trong nước. Còn 2CaO.SiO2 không tan trong nước và đi vào cặn thải (bùn thải). Phương pháp thiêu kết có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương pháp Bayer: song song hoặc nối tiếp. Phương pháp kết hợp nối tiếp : Xử lý bằng phương pháp Bayer quặng bôxit có hàm lượng SiO2 cao và hàm lượng Fe2O3 thấp, sau đó xử lý bùn đỏ thu được, có hàm lượng alumin và kiềm (liên kết) cao. Sau khi rửa, xử lý bằng công nghệ thiêu kết với Na2CO3 và CaCO3, thu được thiêu kết phẩm và hoà tan thiêu kết phẩm. Sản xuất alumin bằng phương pháp thiêu kết chỉ giới hạn ở một số nước có nguồn bôxit với hàm lượng SiO2 cao như Tiệp Khắc (cũ), Nga, và hiện nay chủ yếu là TQ. Bảng 12 giới thiệu các nhà máy sản xuất alumin của TQ áp dụng công nghệ thiêu kết (thiêu kết đơn thuần hoặc kết hợp thiêu kết với Bayer). Bảng 12: Các nhà máy alumin của TQ áp dụng công nghệ thiêu kết hoặc kết hợp STT Tên nhà máy Công nghệ Công suất đến năm 2005, 103t/ năm Năm vận hành Công suất thực năm 2005, 103t 1 2 3 Sơn Đông Trịnh Châu Mở rộng Sơn Tây Thiêu kết Kết hợp Bayer Kết hợp 860 1200 750 1200 1956 1962 2005 1995 930 1375 1416 4 5 Mở rộng Trụ Châu Mở rộng Quí Châu Mở rộng Bayer Thiêu kết Bayer Kết hợp Bayer 800 800 700 700 400 2005 1993 2004 1968 2005 851 752 Định mức tiêu hao để sản xuất 1 tấn alumin bằng phương pháp thiêu kết như sau: Bôxit khô Đá vôi (CaCO3) Vôi (CaO) Na2CO3 Nhiên liệu Điện năng 3,4 - 3,5 tấn 1,3 - 1,35 tấn 0,02 - 0,03 tấn 0,18 - 0,185 tấn 1,1 - 1,2 tấn ~ 800 KWh Nhìn chung, phương pháp thiêu kết đòi hỏi vốn đầu tư và chi phí năng lượng cao hơn nhiều so với phương pháp Bayer đơn thuần, do đó thường chỉ được áp dụng ở những nước có nguồn bôxit chất lượng kém (hoặc trung bình kém). 2.2. Phương pháp Bayer (thủy luyện) Hiện nay và dự báo trong tương lai, khoảng 90% alumin trên thế giới vẫn được sản xuất bằng công nghệ Bayer do nhà hóa học người Áo Karl Josef Bayer phát minh ra năm 1888 và 1894. Công nghệ Bayer dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau: Al(OH)3 + NaOH NaAlO2 + 2H2O Từ khi phương pháp Bayer được phát minh đến nay, tuy trong quá trình hoàn thiện công nghệ đã có những bổ sung, cải tiến cần thiết cho phù hợp với thành phần - chất lượng quặng bôxit, song nguyên lý cơ bản của công nghệ này không thay đổi. Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn sau: - Bôxit được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH. Lượng Al2O3 được tách ra trong dạng NaAlO2 tan và được tách ra khỏi cặn không tan (gọi là bùn đỏ mà chủ yếu là sắt oxit, titan oxit, silic oxit …). - Dung dịch alumint NaAlO2 được làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 để kết tủa. - Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành Al2O3 thành phẩm. Trong quá trình sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer, tùy theo thành phần khoáng vật của bôxit mà công nghệ Bayer được chia thành 2 giải pháp khác nhau: a. Công nghệ Bayer Châu Mỹ Được áp dụng nếu Al2O3 của bôxit ở dạng gipxit (trihydrate Al2O3.3H2O), có thể được hoà tách dễ dàng. Bôxit này thường được hòa tách ở nhiệt độ tối đa 140-1450C trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm thấp (120-140g/l Na2Oc). b. Công nghệ Bayer Châu âu Được áp dụng nếu Al2O3 của bôxit ở dạng bơmit và điaspor (monohydrate Al2O3.H2O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 2000C (240-2500C trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng điaspor) và trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao hơn (180-250g/l Na2O). So sánh những đặc tính cơ bản của công nghệ Bayer Châu âu và Châu Mỹ: Bảng 13: Những đặc trưng cơ bản của công nghệ Bayer Châu âu và Châu Mỹ Các thông số đặc trưng Bayer Châu âu Bayer Châu Mỹ Kiềm costic Na2O, g/l 180 - 220, khi hòa tách đường ống : 140 - 150 100 - 110 Hàm lượng Na2O trong cả dây chuyền, % 10 - 15 20 - 25 Hàm lượng muối trong cả dây chuyền, % 13 - 18 25 - 30 Tạp chất hữu cơ trong dung dịch alumint, g/l 2 - 5 8 - 10 Nhiệt độ hòa tách, 0C Bôxit gipxit Bôxit bơmit Bôxit điaspor 100 - 150 240 - 260, khi hòa tách đường ống : 260 - 300 100 - 150 240 - 260 Không có xưởng hoạt 240 - 260 động Nồng độ kiềm phân hủy (kết tủa), g/l Na2O 130 - 160 90 - 110 Nhiệt độ khuấy phân huỷ, 0C Bắt đầu Kết thúc 50 - 55 40 - 45 68 - 76 58 - 65 Hệ số ac của dung dịch alumint Bắt đầu Kết thúc 1,5 - 1,7 3,2 - 3,7 1,4-1,6 2,7-3,2 Thời gian khuấy phân huỷ, h 50 - 70 35-45 Tỷ lệ mầm 2 - 3 0,5-1,0 Nồng độ chất rắn sau khi 500 - 700 150-250 khuấy phân huỷ, g/l Phân loại hyđrat Không các bước bằng xyclon thuỷ lực Phương pháp tách hyđrat đã phân hủy lọc xyclon thuỷ lực lắng, lọc Alumin Phân bố cấp hạt, % + 150 mm 75-150 mm 45-75mm -45mm Diện tích bề mặt riêng, m2/g Hàm lượng a-Al2O3, % M.K.N, % Dạng bột - 10 40 50 5 - 10 60 - 70 ~0,5 Dạng cát <5 60 25 <10 >30 <30 ~1 Góc trượt, độ 40 - 50 ~30 Nhiệt độ nung, 0C 1100 - 1200 1000 - 1050 Phương pháp nung Có hoặc không cho chất phụ gia Không có chất phụ gia Cô bay hơi Hệ thống nước dùng nhiều cấp Hệ thống giảm áp Tỷ lệ mầm: Tỷ lệ Al2O3 trong huyền phù mầm với Al2O3 trong dung dịch alumint. Chi phí nguyên nhiên liệu để sản xuất 1 tấn alumin bằng phương pháp Bayer tuỳ thuộc vào loại và chất lượng bôxit. Giá trị công nghiệp của bôxit chủ yếu được xác định bởi các chi phí tiêu hao kiềm và bôxit cho 1 tấn alumin. Các chỉ tiêu này phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng bôxit và được xác định trên cơ sở các kết quả thí nghiệm công nghệ, còn các chỉ tiêu khác (vôi, năng lượng điện, vôi, nhiên liệu đốt, nước…) tuy cũng phụ thuộc vào chất lượng bôxit nhưng chủ yếu phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện về công nghệ, thiết bị công suất nhà máy, trình độ sản xuất và hàng loạt thông số khác. Một số tác giả đề nghị chia bôxit xử lý bằng phương pháp Bayer thành 3 loại: Loại Chất lượng Tiêu hao bôxit (t/t Al2O3) Tiêu hao kiềm (kg Na2O/t Al2O3) I II III Tốt Trung bình Kém < 2,2 2,2 - 2,9 > 2,9 < 40 40 - 80 >80 Theo một số tài liệu, tiêu hao nguyên vật liệu để sản xuất 1 tấn alumin bằng phương pháp Bayer đối với 1 số loại bôxit như sau: Tiêu hao Bôxit vùng Caribê Bôxit vùng Nam Mỹ Bôxit Hungary Bôxit khô, t Kiềm NaOH, kg Vôi, kg Chất trợ lắng, kg 2,35 - 2,5 59 - 61 14 - 45 7 - 9 2,0 - 2,25 50 - 64 23 - 45 1 - 5 2,4 - 2,45 130 - 165 50 - 120 4 - 5 Do thiếu nguồn bôxit chất lượng cao nên một số nước đã sử dụng bôxit có hàm lượng SiO2 cao hơn. Một số hãng lớn như ALCAN (Canađa), ALCOA (Mỹ) đã tập trung nghiên cứu quá trình khử silic trong dây chuyền công nghệ Bayer (bằng các bước khử silic trước và sau quá trình hòa tách). Do nhu cầu về alumin dạng cát cho công nghệ điện phân, các hãng ALUSUISSE (Thuỵ Sỹ), KAISER (Mỹ) đã nghiên cứu các phương pháp như kết tủa 2 giai đoạn với nồng độ kiềm cao. Để nâng cao hiệu suất thu hồi alumin và hiệu quả dây chuyền công nghệ Bayer, người ta đã nghiên cứu các công nghệ hòa tách đặc biệt và đồng xử lý các loại bôxit khác nhau. Các công nghệ hoà tách đặc biệt là: - Hòa tách bằng đường ống. - Hòa tách bôxit điaspor với các chất xúc tác… Các công nghệ đồng xử lý các loại bôxit khác nhau như bôxit điaspor (bơmit) với bôxit gipxit gồm có: - Công nghệ dòng song song - Công nghệ hòa hợp - Công nghệ hòa tách 2 giai đoạn Để xử lý quặng điaspor đặc biệt có hàm lượng Al2O3 và SiO2 cao (môđun silic thấp 5-6), trong những năm gần đây TQ là một trong những nước có nhiều công trình nghiên cứu để tối ưu hóa công nghệ xử lý loại quặng này. TQ có 6 nhà máy alumin thì chỉ có 1 nhà máy duy nhất sản xuất bằng công nghệ Bayer còn 5 nhà máy sản xuất bằng công nghệ thiêu kết đơn thuần hoặc hỗn hợp. Để tiếp kiệm năng lượng và giảm chi phí, TQ đã đề xuất các phương pháp mới và hoàn thiện công nghệ như sau: - Công nghệ mới sản xuất alumin bằng phương pháp làm giàu khoáng sản với công nghệ Bayer - Công nghệ hòa tách trong đường ống - Công nghệ thiêu kết tăng cường Về mặt thiết bị, TQ đã cải tiến các hệ thống thiết bị trong các công đoạn: - Giai đoạn đập: máy đập trục và đập búa - Giai đoạn nghiền: nghiền ướt với hệ thống kín - Giai đoạn hòa tách: chuyển từ giai đoạn gián đoạn sang liên tục Hòa tách trong nồi hấp với toàn bộ hệ thống là nồi hấp, một phần hòa tách trong đường ống (phần gia nhiệt). - Giai đoạn lọc, rửa bùn đỏ: kết hợp hệ thống bể lắng đáy bằng với đáy hình côn, kết hợp với thiết bị lọc. - Giai đoạn kết tủa: kết tủa hai giai đoạn, quá trình ximăng hóa và phát triển tinh thể để tạo ra alumin ở dạng cát (kết hợp với quá trình phân cấp bằng các cyclon thuỷ lực). - Giai đoạn nung: chuyển từ lò nung ống quay sang lò nung tầng sôi. 2.3. Vấn đề môi trường trong sản xuất alumin Vấn đề môi trường lớn nhất trong sản xuất alumin là cặn bôxit thải ra (bùn đỏ). Khối lượng bùn đỏ thải phụ thuộc vào chất lượng bôxit và công nghệ xử lý. Thông thường, khi sản xuất 1 tấn alumin bằng phương pháp Bayer thì lượng bùn đỏ thải ra là 0,8 - 2 tấn, nếu áp dụng công nghệ thiêu kết hoặc công nghệ hỗn hợp thiêu kết - Bayer thì lượng bùn thải là 2 - 3,5 tấn. Bùn đỏ thường có thành phần hóa học như sau: Fe2O3: 25 - 60% Al2O3: 5 - 25% SiO2: 1 - 20% TiO2: 1 - 10% Na2O: 1 - 10% CaO: 2 - 8% Nếu áp dụng công nghệ thiêu kết : Fe2O3: 19 - 34% CaO: 24 - 48% Pha lỏng đi theo bùn đỏ có thành phần như sau: Na2O: 0,6 - 8 g/l Al2O3: 0,5 - 3 g/l Đặc tính của bùn đỏ là các hạt rất mịn, phần lớn <40mm, tỷ trọng 2,7-3,2 tấn/m3. Nếu lấy tỷ trọng trung bình là 3 tấn/m3 thì thể tích 1 tấn bùn đỏ khô là 0,33 m3. Bùn đỏ thường được bơm ra khỏi nhà máy trong dạng huyền phù với nồng độ chất rắn 200-350 g/l, sau đó cho lắng và nén đến nồng độ chất rắn chiếm 40- 60% thể tích chất thải. Trong trường hợp bùn được lọc thì nồng độ chất rắn chiếm 60-70%, nước chiếm 30-40% chất thải. Theo tính toán, nếu thế giới sản xuất 30 triệu tấn alumin/năm và lượng bùn đỏ trung bình là 1 tấn/ tấn alumin thì lượng bùn đỏ thải là 30 triệu tấn/năm. Nếu bùn đỏ thải có nồng độ chất rắn 50% thì sẽ chiếm tổng thể tích 45 triệu m3/năm. Điều đó có nghĩa là mỗi năm sẽ cần các hồ chứa bùn đỏ với tổng thể tích 45 triệu m3/năm, dưới đáy hồ cần được bọc lớp lót chống thấm để bảo vệ nguồn nước ngầm không bị ô nhiễm dung dịch kiềm từ hồ chứa bùn đỏ. Như vậy nhu cầu bãi thải bùn đỏ là rất lớn và đầu tư rất tốn kém đối với công nghiệp sản xuất alumin. Để xem xét khả năng xử lý bùn đỏ, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu. Có thể chia các phương án đề xuất thành các nhóm phương pháp như sau: a. Nhóm 1: Tận thu Na2O và Al2O3 từ bùn đỏ, cặn còn lại để sản xuất thép và titan. Theo hướng này có các phương pháp sau: - Xử lý bùn đỏ trong dung dịch nước có CaO để thu hồi Na2O - Thiêu kết bùn đỏ với các chất phụ gia khác và thiêu phẩm tan để thu hồi Na2O và Al2O3. b. Nhóm 2: - Hoàn nguyên bùn đỏ trong trạng thái rắn hoặc trạng thái nóng chảy với khí hoặc cacbon, tách sản phẩm sắt bằng phương pháp tuyển từ. - Nấu chảy bùn đỏ để tạo ra thép và hợp kim, còn xỉ để sản xuất alumin hoặc ximăng. c. Nhóm 3: Xử lý bùn đỏ bằng các axit hoặc các hợp chất hóa học khác, thu hồi từng kim loại bằng phương pháp kết tinh chọn lọc hoặc bằng phương pháp trao đổi ion. d. Nhóm 4: Dùng bùn đỏ để sản xuất gạch, làm sạch nước, điều chỉnh độ chua của đất… Tuy vậy các phương pháp nêu trên còn nhiều vấn đề về kinh tế kỹ thuật chưa giải quyết được nên áp dụng công nghiệp còn rất hạn chế. Do đó bùn đỏ thải ra từ các nhà máy alumin vẫn là một lượng chất thải rắn rất lớn cần được xử lý. Thế giới hiện có 2 cách để thải bùn đỏ: - Thải trên đất - Thải trong nước Thải trên đất: - Thải trên các vùng được bao quanh bởi đê chắn. - Thải trong các thung lũng có đập chắn. - Chất đống bùn đỏ sau khi lọc. - Thải vào những khai trường mỏ không còn sử dụng sau khi đã khai thác. Thải trong nước: - Thải ra các sông. - Thải ra biển hoặc các đầm phá ven biển. 3. Công nghệ sản xuất nhôm kim loại Khác với sản xuất nhôm oxit (alumin), trong sản xuất nhôm kim loại từ khoảng hơn 100 năm nay chỉ có một phương pháp công nghệ duy nhất, đó là điện phân alumin trong dung dịch criolit nóng chảy. Phương pháp này thường được gọi là phương pháp Hall - Heroult. Phương pháp Hall - Heroult do Paul Louis Toussaint Heroult (người Pháp) và Charles Martin Hall (người Mỹ) phát minh ra hầu như đồng thời vào năm 1886. Trước đó, người ta áp dụng phương pháp hóa học, phải dùng các kim loại đắt tiền như Na, K, Mg…. để hoàn nguyên nhôm từ các muối nhôm halogenua (như AlCl3), sản lượng nhôm rất thấp nhưng giá thành lại rất cao. Ngay sau khi ra đời, phương pháp điện phân nhôm trong criolit nóng chảy đã nhanh chóng được áp dụng công nghiệp. Chỉ hai năm sau phát minh của P. Heroult và C. Hall, cả hai nước Pháp và Mỹ đã xây dựng các bể điện phân nhôm. Sau đó, các nước khác cũng dần dần áp dụng phương pháp này để sản xuất nhôm. Hiện nay, trên toàn thế giới đã có khoảng 300 nhà máy điện phân nhôm tại hơn 40 nước với sản lượng nhôm kim loại năm 2004 đạt khoảng 31 triệu tấn. Như vậy, phương pháp điện phân alumin trong criolit nóng chảy để sản xuất nhôm kim loại là phương pháp hiện đại, được phát triển liên tục, cũng là phương pháp chủ yếu và gần như duy nhất hiện nay trong sản xuất nhôm. Vì vậy, nếu nước ta sản xuất nhôm thì phương pháp công nghệ này là lựa chọn tốt nhất. 3.1. Thiết bị điện phân nhôm Bể điện phân nhôm là thiết bị trung tâm của nhà máy điện phân nhôm. Trên thực tế, kết cấu các bể điện phân đều có thể được chia thành bốn bộ phận: cực âm, cực dương, hệ thống làm sạch khí và dây dẫn chính. 3.1.1. Nguyên lý làm việc của bể điện phân nhôm Quá trình điện phân tiến hành dưới tác dụng của dòng điện 1 chiều có cường độ lớn. Nhiệt độ điện phân vào khoảng 950-9650C. Chất điện phân là hỗn hợp nóng chảy criolit - alumin có tính ăn mòn rất mạnh. Vì vậy chỉ có các vật liệu bằng cacbon mới làm việc được trong điều kiện này, chúng vừa phải chịu được nhiệt độ cao vừa phải chống được sự ăn mòn. Đây cũng là đòi hỏi kỹ thuật cao trong thiết kế và xây dựng bể điện phân nhôm. 3.1.2. Phân loại và cấu tạo các bể điện phân nhôm hiện đại Có nhiều cách phân loại bể điện phân: theo loại hình cực dương, theo quy mô công suất (nhỏ, trung bình, lớn), theo đáy bể (có đáy, không có đáy)? nhưng việc phân loại theo loại hình cực dương phổ biến hơn, vì nó phản ánh tiến trình phát triển của phương pháp điện phân. Theo cách phân loại này có thể chia thành hai loại cực dương (cực dương thiêu trước và cực dương tự thiêu) tương ứng với bốn thời kỳ ứng dụng. a. Thời kỳ đầu: Dùng bể điện phân có cực dương thiêu trước, công suất nhỏ. Các bể điện phân nhôm từ những năm 80 của thế kỷ 19 và các bể điện phân dùng trong công nghiệp đến những năm 20 của thế kỷ qua đều có công suất nhỏ, dòng điện khoảng 10-20 kA. Đặc điểm của thời kỳ này là dùng khối than cực dương thiêu trước, được thay theo chu kỳ. Mật độ dòng điện của loại này bằng 6,5-1,4 A/cm2. Tiêu hao năng lượng khá lớn (80-25 ngàn kWh/t nhôm). b. Thời kỳ thứ hai: Dùng bể điện phân có cực dương tự thiêu cọc xiên, có I = 55-56 kA, xây dựng vào những năm 40 - 50 của thế kỷ qua. Loại bể này sử dụng một cực dương, không phải từ vật liệu than thiêu trước mà là vật liệu hồ cực dương. Trong quá trình điện phân, hồ cực dương được cốc hóa có tác dụng dẫn điện vào bể điện phân. Đây là loại cực điện tự thiêu liên tục (còn gọi là cực điện Soderberg), cọc dẫn điện cắm xiên vào thành cực dương. Việc áp dụng bể điện phân Soderberg cọc xiên đã làm tăng công suất (cường độ dòng điện) của bể điện phân; từ chỗ nhiều cực dương được thay thế bằng một cực dương; từ chỗ cực dương làm việc gián đoạn trở thành làm việc liên tục. Ở thời điểm đó, việc chuyển đổi sang cực dương tự thiêu Soderberg dẫn tới việc tăng sản lượng nhôm và giảm giá thành, do trong quá trình công nghệ loại bỏ được việc ép và thiêu điện cực. c. Thời kỳ thứ ba: Dùng bể điện phân tự thiêu cọc đứng, I = 100-130 kA. Việc đưa vào sử dụng các bể điện phân cỡ lớn (trên 100 kA) của cực dương Soderberg dẫn tới việc dùng cọc cực dương dẫn điện cắm từ trên xuống, thường được gọi là bể điện phân cực dương tự thiêu liên tục cọc đứng. Thời kỳ ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhôm là từ thập kỷ 50 của thế kỷ trước. Hệ thống bể điện phân này cho phép tăng công suất của bể điện phân, do đó tăng năng suất lao động. d. Thời kỳ thứ tư: Quay lại dùng bể điện phân cực dương thiêu trước, I = 100-260 kA. Song song với việc phát triển và đưa vào sử dụng bể điện phân kiểu Soderberg cọc đứng, người ta tiếp tục đi theo hướng từng bước hiện đại hóa và hoàn thiện hệ thống cực dương thiêu trước. Điều này tạo khả năng phát triển tự động hóa sản xuất các khối cực dương có kích thước lớn, cho phép giảm giá thành và cải thiện chất lượng cực dương. Loại bể điện phân dùng cực dương thiêu trước bắt đầu xây dựng từ năm 1969 và xuất hiện nhiều vào những năm 80 của thế kỷ 20. Điểm mấu chốt ở thời kỳ thứ tư là tăng công suất đơn vị, giảm đáng kể mức phát thải các chất có hại ra môi trường, đặc biệt là các chất có khả năng gây ung thư, các chất xảy ra trong quá trình cốc hóa cực dương tự thiêu. Yêu cầu bức bách về cải thiện điều kiện lao động và bảo vệ môi trường là một trong những yếu tố làm cho kiểu bể cực dương thiêu trước trở thành loại bể có triển vọng nhất. Điểm khác biệt của bể điện phân thời kỳ thứ tư so với thời kỳ đầu là cường độ dòng điện lớn hơn nhiều, đồng thời áp dụng các biện pháp cơ khí hóa, tự động hóa, bảo vệ môi trường. Ngày nay, khi xây mới hoặc hiện đại hóa dây chuyền sản xuất, các công ty lớn trên thế giới như Pechiney (Pháp), Alcoa, Kaiser (Mỹ), Hydro Aluminium (Na- uy), VAW (Đức), các xí nghiệp sản xuất nhôm của Nga và các nước SNG đều sử dụng các bể điện phân có cực dương thiêu trước công suất lớn, I = 160 kA- 300 kA. Công ty Alcoa (Mỹ) gần đây còn thí nghiệm bể điện phân cực dương thiêu trước có cường độ dòng điện 400 kA. Ưu điểm của bể điện phân nhôm cực dương thiêu trước: Bể điện phân nhôm cực dương thiêu trước có những ưu điểm chính sau: - Cho phép vận hành công suất lớn. Hiện nay, trong công nghiệp người ta đã vận hành các bể điện phân công suất lớn, với cường độ dòng điện có thể lên đến 350 kA. Công ty Alcoa đang thử nghiệm bể điện phân có cường độ dòng điện trên 400 kA. - Cho phép thay đổi kết cấu bể để áp dụng cường độ và mật độ dòng điện kinh tế tuỳ theo giá điện. Mật độ dòng điện sử dụng trong công nghiệp dao động trong phạm vi 0,7-0,95 A/cm2. - Đạt các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao của quá trình điện phân : hiệu suất dòng điện 93-95%, tiêu hao điện năng thấp (13.000 KWh/t Al), cho phép tiết kiệm 2500 - 3000 KWh/t Al, tức khoảng 20% điện lượng cần thiết. - Khi sử dụng bể điện phân cực dương thiêu trước, có thể giải quyết được vấn đề môi trường vì hấp phụ flo trong khí thải, không thải các chất dầu. - Cho phép cơ giới hóa quá trình điện phân và giảm chi phí lao động. Các thao tác công nghệ được cơ giới hóa, tự động hóa tối đa nhờ cầu trục đặc biệt và kỹ thuật nạp liệu. Bảng 16 trình bày một số thông số công nghệ và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của các bể điện phân thiêu trước trong khoảng thời gian 1960-1996. Bảng 16: So sánh thông số công nghệ và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của bể điện phân cực dương thiêu trước trong các thời kỳ Thông số công nghệ và chỉ tiêu KTKT Alcoa Kaiser (1960) Kaiser P69 (1970) Alcoa 6017 (1986) Pechiney AP 300 (1996) Cường độ dòng điện, kA 74 150 180 280 Điện áp 5,1 4,65 4,2 4,23 Mật độ dòng điện, A/cm2 1,33 1 0,72 0,72 Nhiệt độ điện phân, 0C 975 970 945 950 Phương pháp nạp liệu trung tâm trung tâm điểm nạp tự động điểm nạp tự động Hiệu suất dòng, % 86,2 88,5 93 95 Tiêu thụ điện năng, 18100 15700 13500 13300 KWh/t Al Năng suất bể, kg Al/ngày 514 1068 1350 2146 Tiêu hao điện cực, kg/tAl 471 450 450 415 Tuổi thọ bể, ngày 600 1500 1825 2500 Do những ưu điểm của bể điện phân cực dương thiêu trước nên xu hướng hiện nay là khi xây dựng mới người ta thường chọn loại bể này. Đồng thời, một số nhà máy còn tìm cách cải tạo, chuyển đổi loại bể điện phân cực dương Soderberg thành bể điện phân cực dương thiêu trước. Việc chuyển đổi cực dương Soderberg cọc xiên sang cực dương thiêu trước đã được thực hiện ở Nhà máy Nhôm Uran (Nga) có cường độ dòng điện 160 kA. Kết quả đã tiết kiệm năng lượng khoảng 1000 kWh/t nhôm, tiêu hao muối flo 28 kg/t, hợp chất florua thải ra môi trường dưới 1,3 kg/t, thực tế không thải chất dầu. Việc chuyển đổi cực dương Soderberg cọc đứng sang cực dương thiêu trước được thực hiện ở nhà máy Cratnoiarski (Nga), có cường độ dòng điện 160 kA. Kết quả: hiệu suất dòng điện 91-92%, tiêu hao cực dương khoảng 530 kg/t Al; tiêu hao điện năng 14.950 kWh/t Al. Tuy nhiên cũng cần lưu ý là việc chuyển đổi này đòi hỏi kinh phí đầu tư khá lớn. Ví dụ ở Nga, Nhà máy luyện nhôm Novokuznetski, xây dựng năm 1943, loại bể Soderberg cọc xiên và cọc đứng, muốn chuyển sang bể cực dương thiêu trước, theo tính toán kinh tế phải tốn 500 triệu USD, khoảng 2000 USD cho 1 tấn công suất. 3.2. Một số xu hướng hiện nay về thiết bị và công nghệ: Một số xu hướng đáng lưu ý hiện nay về mặt thiết bị và công nghệ điện phân nhôm là: + Dùng bể điện phân có cường độ dòng điện lớn Cường độ dòng điện chạy qua bể điện phân quyết định công suất của bể. Từ ngày ra đời phương pháp điện phân đến nay, cường độ dòng điện được sử dụng đã tăng lên liên tục. Bể điện phân công nghiệp đầu tiên ở Mỹ chỉ dùng cường độ dòng điện 1,8 kA. Hiện nay Công ty Pechiney (Pháp) đã thiết kế, xây dựng các bể điện phân 300 kA và lớn hơn. Có thể xem việc tăng cường độ dòng điện của bể (hay sử dụng bể có công suất lớn) là xu hướng chung. Tuy nhiên việc lựa chọn quy mô công suất của bể điện phân còn tùy thuộc vào trình độ cơ khí hóa của nhà máy. + Dùng bể điện phân có cực dương thiêu trước Với trình độ công nghệ hiện nay, có thể sử dụng loại bể điện phân nhôm cực dương thiêu trước có công suất lớn. Các bể điện phân loại này có nhiều ưu điểm, đang được phổ biến và thể hiện nhiều chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tiên tiến. + Về mặt công nghệ: - Lựa chọn thích hợp thành phần chất điện phân có tỷ số criolit thấp và hạn chế chất cho thêm. - Áp dụng quá trình điện phân ở tỷ lệ mol NaF/AlF3 thấp (dưới 2,2), 4-6% CaF2. Tỷ lệ này được sử dụng rộng rãi trong thực tế ở các bể điện phân cực dương thiêu trước trên thế giới nhằm đảm bảo hiệu suất dòng đạt 95%. ưu điểm cơ bản của chất điện phân như vậy là cho phép điện phân ở nhiệt độ thấp hơn. Thực tiễn đã chứng minh, khi hạ nhiệt độ xuống 10C thì hiệu suất dòng tăng 0,25-0,30%. + Tăng cường cơ khí hóa, tự động hóa và bảo vệ môi trường Nét nổi bật trong xu hướng này là việc cấp liệu tự động cho bể. Mỗi tấn nhôm sản xuất ra đòi hỏi phải cung cấp cho bể điện phân 2 tấn alumin dạng bột. Vấn đề này càng có ý nghĩa khi công suất của bể càng lớn. Có thể coi việc tự động hóa khi nạp nhôm oxit vào bể điện phân là một tiến bộ kỹ thuật nổi bật trong công nghệ điện phân nhôm. Vấn đề thu bụi và làm sạch khí trong công nghiệp điện phân nhôm cũng được các nhà nghiên cứu và sản xuất đặc biệt quan tâm, nhằm cải tạo điều kiện lao động và bảo vệ môi trường sinh thái. Cho đến nay, một số nhà máy còn sử dụng hệ thống lọc bụi ướt, chỉ đơn thuần là tháp rửa (lọc bụi một bậc) hoặc gồm pin điện và tháp rửa (lọc bụi hai bậc). Ở tháp rửa, dung dịch Na2CO3 được sử dụng để khử HF và SO2. Tuy nhiên, hệ thống lọc bụi ướt bộc lộ nhiều nhược điểm. Cụ thể là: - Hiệu suất khử bụi thấp. Khi dùng tháp rửa hai bậc thì hiệu quả khử bụi và fluorua rắn đạt 80-90%, khử HF đạt 95-98%, khử SO2 đạt khoảng 90%, khử chất dầu đạt 60-70%. Đối với hệ thống thu bụi một bậc, các chỉ tiêu còn thấp hơn nhiều. - Tốc độ ăn mòn thiết bị cao. - Muốn sử dụng lại các thành phần có giá trị trong bụi thì phải thêm công đoạn tái chế phức tạp và tốn kém. Đó là những lý do khiến phương pháp lọc bụi ướt tới thời điểm này không còn được ưa chuộng. Ngày nay, bộ lọc bụi khô (gồm bình phản ứng và lọc túi vải) có hiệu quả khử khí và khử bụi rất cao (99,6-99,9%). Kể cả chất dầu và benz(a)piren cũng có thể được tách với hiệu quả 98,3-99,6%. Do vậy, thiết bị lọc bụi kiểu khô cần được sử dụng thay bộ lọc ướt. Hiện nay công nghệ của Công ty Procedair (Pháp) về làm sạch flo và các chất dầu trong khí thải đang được áp dụng ngày càng rộng rãi. Cho đến nay khắp thế giới có trên 10 ngàn bể điện phân nhôm sử dụng thiết bị lọc bụi khô của công ty này. Trên thực tế, kết quả áp dụng công nghệ lọc bụi khô tại nhiều nhà máy điện phân nhôm rất khả quan. Chẳng hạn, nhà máy Crasnoiarski sử dụng thiết bị lọc khô của công ty Procedair (Pháp) mức độ lọc khí flo và bụi đạt 99%, khử các chất dầu (trong đó có benz(a)piren) đạt 97-98%. Còn các nhà máy nhôm Uran dùng thiết bị lọc khô của hãng Flect (Na Uy), bình phản ứng kiểu ống Venturi thẳng đứng, với công suất 780.000 m3/h thì mức độ làm sạch khí HF và bụi florua là 99%. Hiệu quả khử bụi và chất thải của các hệ thống lọc khác nhau: Hiệu quả khử, % Sơ đồ làm sạch HF Frắn SO2 Bụi điện phân Chất chứa dầu Benz(a)prien Lọc ướt 1 bậc (tháp rửa) 95- 98 60- 75 80- 90 60-75 40-60 40-50 Lọc ướt 2 bậc trong điện phân và tháp rửa 95- 98 80- 85 80- 90 80-85 70-75 60-70 Lọc khô bằng alumin trong bình phản ứng và túi vải >=99 >=99 - >=99 >=95 >=95 3.3. Một số hướng nghiên cứu Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp điện phân truyền thống trong criolit - alumin nóng chảy, hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu theo một số hướng sau: · Điện phân clorua Nhiều nước đã nghiên cứu theo hướng này. Riêng công ty Alcoa (Mỹ) đã nghiên cứu 15 năm gần đây. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào sự phân ly điện hóa của clorua nhôm hòa tan trong hỗn hợp natri clorua và liti clorua, hàm lượng AlCl3 khoảng 7%, điện phân ở khoảng 7200C trong thiết bị có cấu tạo đặc biệt. · Phủ đáy bằng chất thấm ướt nhôm Công ty Kaiser đã nghiên cứu phủ TiB2 trên đáy bể, dùng cực âm có rãnh thoát. · Dùng cực dương trơ Một số công ty đã thử nghiệm với cực dương bằng vật liệu compozit (gồm oxit và kim loại 83-95% NiFe2O4/NiO và 5-17% Cu). Tuy nhiên, những công trình nghiên cứu này đang ở giai đoạn thử nghiệm và áp dụng thử. Trong khi đó, phương pháp công nghệ được lựa chọn cho sản xuất phải vừa mang tính chất tiên tiến, vừa phải ổn định để đảm bảo sự tin cậy. Vì vậy, việc lựa chọn phương pháp điện phân criolit - alumin nóng chảy với các cực than là có căn cứ khoa học và phù hợp với thực tiễn. 3.4. Xu hướng chung trong sản xuất nhôm: Ngành công nghiệp nhôm là ngành sản xuất với tiêu hao năng lượng cao và yêu cầu đầu tư lớn, do đó hướng phát triển của ngành đang tập trung ưu tiên vào một số vấn đề sau: - Chuyển quá trình sản xuất alumin từ các nước phát triển đến các vùng có mỏ bôxit (chi phí vận tải bôxit rất lớn: chi phí vận chuyển bôxit từ ôxtrâylia về châu âu tương đương chi phí năng lượng sản xuất 1 tấn alumin ở nhà máy hiện đại ~8GJ/t). - Chuyển dời các nhà máy điện phân nhôm đến các vùng có nguồn năng lượng đòi hỏi đầu tư thấp, đặc biệt những nơi có nguồn thuỷ điện. Cả hai điều kiện về mỏ và nguồn thuỷ điện đều tập trung chủ yếu ở các nước đang phát triển, do đó ngành công nghiệp nhôm nói chung và alumin nói riêng có xu hướng phát triển ở các nước đang phát triển (Ôxtrâylia, Braxin, Nam Mỹ, Giamaica…). - Xây dựng các nhà máy mới có công suất lớn, thiết bị hiện đại, tự động hóa cao. Áp dụng công nghệ hoàn thiện nhất với công suất tối thiểu như sau : Khai thác mỏ: 5 triệu t/năm Nhà máy alumin: 1 triệu t/năm Nhà máy điện phân nhôm : 0,5 triệu t/năm - Đối với các nhà máy đang vận hành, cần phải tối ưu hóa quá trình công nghệ, hiện đại hóa thiết bị để giảm chi phí nguyên, nhiên liệu và năng lượng đến mức thấp nhất. Ví dụ: bổ sung hệ thống bốc hơi nhiều giai đoạn, lò nung tầng sôi, kết tủa 2 giai đoạn để tạo ra alumin ở dạng cát…. - Về mặt công nghệ có thể lựa chọn các khả năng tiết kiệm năng lượng và nguyên nhiên vật liệu như: cải tiến quy trình công nghệ, lựa chọn nồng độ tối ưu. Áp dụng công nghệ hòa tách đặc biệt hòa tách bằng đường ống, hòa tách với các chất xúc tác), công nghệ đồng xử lý các loại bôxit: điaspor (bơmit) với bôxit gipxit (công nghệ dòng song song), công nghệ hài hòa, công nghệ hòa tách 2 giai đoạn), tăng hiệu quả quá trình kết tủa (sản xuất alumin dạng cát với nồng độ kiềm cao), giảm mất mát kiềm, sử dụng các chất kết bông tổng hợp cho quá trình lắng… IV. KẾT LUẬN Trong giai đoạn hiện nay, do điều kiện nguồn điện còn hạn chế nên việc tập trung khai thác bôxit - sản xuất alumin tại Việt Nam là hướng đi đúng theo xu hướng phát triển của thế giới. Nhưng để phát triển bền vững, chúng ta nên lựa chọn công suất nhà máy có hiệu quả kinh tế là >= 1 triệu tấn alumin/năm và lựa chọn đối tác liên doanh có công nghệ, thiết bị tiên tiến. Do đặc thù đầu tư và chi phí năng lượng cho điện phân nhôm lớn hơn nhiều so với sản xuất alumin (đầu tư nhà máy điện phân 4.500 - 5.500 USD/T, trong khi đó nhà máy alumin 800 - 1.400 USD/T; chi phí điện năng nhà máy điện phân 13.000 - 14.000 kWh/T, nhà máy alumin 200 - 256 kWh/T ) nên khó có thể phát triển điện phân nhôm trong tình trạng thiếu điện hiện nay. Chúng ta chỉ có thể nghĩ đến xây dựng nhà máy điện phân nhôm sau năm 2010. Khi đó việc lựa chọn công nghệ điện phân và công suất nhà máy nên theo những tiêu chí sau: - Áp dụng phương pháp điện phân nhôm trong dung dịch criolit nóng chảy (phương pháp Hall - Heroult) với quy mô công suất 1 dãy bể tối thiểu 250.000 tấn Al/năm. - Chọn loại bể điện phân có quy mô công suất (tính theo cường độ dòng một chiều) là 300-400 kA, sử dụng cực dương thiêu trước và hệ thống nạp liệu tự động. - Chọn hệ thống lọc bụi khô có sử dụng alumin dạng cát để hấp phụ khí flo.