Cốt lõi của ngành công nghiệp điện phân nhôm (áp dụng quy trình Hall—Heroult, tức là quy trình điện phân muối nóng chảy criolit-nhôm oxit) là "hệ thống điện phân nóng chảy + nguyên liệu nhôm + hóa chất phụ trợ". Các hóa chất cần thiết xoay quanh phản ứng điện phân, điều chỉnh điện phân, bảo vệ thiết bị và loại bỏ tạp chất. Kết hợp với các ứng dụng thực tế trong công nghiệp, chúng được phân loại theo chức năng như sau (phù hợp với nhu cầu xuất nhập khẩu và đăng ký sản xuất, làm rõ vai trò, thông số kỹ thuật và mục đích cốt lõi của từng hóa chất):
I. Nguyên liệu cốt lõi (Cần thiết cho phản ứng điện phân, quyết định sản lượng nhôm)
Các hóa chất này là nền tảng của sản xuất điện phân nhôm, trực tiếp tham gia vào phản ứng khử nhôm, và là loại tiêu thụ nhiều nhất trong quy trình sản xuất. Cốt lõi là nguyên liệu chứa nhôm, hỗ trợ sản xuất nhôm kim loại.
1. Nhôm Oxit (Al₂O₃)
Là nguồn nhôm cốt lõi cho điện phân nhôm, nó là nguyên liệu duy nhất để sản xuất nhôm kim loại, chiếm hơn 90% tổng lượng hóa chất tiêu thụ trong điện phân nhôm. Yêu cầu thông số kỹ thuật: Nhôm oxit cấp công nghiệp, độ tinh khiết ≥ 98,5%, tổn thất khi nung ≤ 1,0%, kích thước hạt đồng nhất (20-80 mesh), độ chảy tốt, dễ dàng cho việc cấp liệu cơ giới và hòa tan trong muối nóng chảy. Chức năng: Sau khi hòa tan trong điện phân nóng chảy, nó được khử thành nhôm kim loại thông qua phản ứng điện phân (phản ứng cốt lõi: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂↑). Độ tinh khiết của nó trực tiếp quyết định chất lượng của thỏi nhôm; tạp chất quá mức sẽ làm giảm cấp của thỏi nhôm. Khoảng 1,92-1,95 tấn nhôm oxit được tiêu thụ trên mỗi tấn nhôm nguyên chất trên toàn cầu, làm cho nó trở thành nguyên liệu cốt lõi nhất trong ngành công nghiệp điện phân nhôm.
II. Hóa chất cốt lõi cho hệ thống điện phân (Điều chỉnh điều kiện điện phân, đảm bảo phản ứng diễn ra suôn sẻ)
Phản ứng điện phân nhôm phải được thực hiện trong điện phân nóng chảy. Các hóa chất này chủ yếu được sử dụng để xây dựng một hệ thống điện phân ổn định, giảm nhiệt độ điện phân, cải thiện độ dẫn điện, và là các hóa chất không thể thiếu cho quy trình điện phân, với các sản phẩm fluoride là cốt lõi.
1. Criolit (Na₃AlF₆)
Dung môi cốt lõi của hệ thống điện phân, không thể thay thế, chiếm phần lớn lượng hóa chất điện phân tiêu thụ. Yêu cầu thông số kỹ thuật: Criolit cấp công nghiệp, độ tinh khiết ≥ 98%, hàm lượng fluorine ≥ 53%, hàm lượng natri ≤ 32%, độ ẩm ≤ 0,5%; được chia thành dạng hạt (độ chảy tốt, không bụi, phù hợp cho việc khởi động lò cơ giới và sản xuất bình thường) và dạng bột (200-325 mesh, phù hợp cho việc bổ sung phụ trợ điện phân thông thường) theo kích thước hạt. Chức năng: Hòa tan nhôm oxit để tạo thành điện phân nóng chảy criolit-nhôm oxit, giảm nhiệt độ nóng chảy của nhôm oxit từ 2050℃ xuống 940–980℃, giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ điện phân; đồng thời, nó cải thiện độ dẫn điện của điện phân, ổn định quá trình điện phân, bảo vệ lớp lót carbon của lò điện phân, và cải thiện hiệu suất dòng điện, làm cho nó trở thành dung môi cốt lõi của quy trình Hall—Heroult. Lượng criolit tiêu thụ hàng năm trên toàn cầu khoảng 700.000 tấn, hơn 90% trong số đó được sử dụng trong ngành công nghiệp điện phân nhôm. Khoảng 20-30 kg criolit được tiêu thụ trên mỗi tấn nhôm nguyên chất (điều chỉnh theo loại lò điện phân).
2. Nhôm Fluoride (AlF₃)
Một chất điều chỉnh quan trọng của hệ thống điện phân, hoạt động hiệp đồng với criolit, và là một phụ gia không thể thiếu trong sản xuất điện phân nhôm. Yêu cầu thông số kỹ thuật: Nhôm fluoride cấp công nghiệp/cấp luyện kim, độ tinh khiết ≥ 98%, hàm lượng fluorine ≥ 61%, độ ẩm ≤ 0,5%; loại có độ tinh khiết cao (độ tinh khiết ≥ 99,5%) có thể được sử dụng cho sản xuất điện phân nhôm cao cấp. Chức năng: Điều chỉnh tỷ lệ phân tử của hệ thống muối nóng chảy criolit-nhôm oxit (tỷ lệ mol NaF trên AlF₃), kiểm soát nó trong phạm vi hợp lý là 2,2−2,8, do đó giảm nhiệt độ lỏng của điện phân, cải thiện độ dẫn điện, giảm tần suất hiệu ứng cực dương, kéo dài tuổi thọ của lò điện phân, và cải thiện độ tinh khiết của nhôm lỏng và hiệu quả điện phân. Lượng nhôm fluoride tiêu thụ trung bình toàn cầu trên mỗi tấn nhôm nguyên chất khoảng 18–22 kg. Ở Trung Quốc, do việc sử dụng các sản phẩm quy trình ướt và các lò điện phân cũ của một số doanh nghiệp, lượng tiêu thụ đơn vị trung bình cao hơn một chút, khoảng 23–25 kg/tấn.
3. Chất điều chỉnh điện phân phụ trợ (Tùy chọn, tối ưu hóa hiệu suất điện phân)
Theo điều kiện làm việc của lò điện phân và yêu cầu sản phẩm, một lượng nhỏ chất điều chỉnh phụ trợ có thể được thêm vào để tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất điện phân, giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện hiệu quả:
- Natri Fluoride (NaF): Điều chỉnh tỷ lệ phân tử của điện phân và bổ sung nguyên tố natri, được thêm vào khi tỷ lệ phân tử quá thấp. Thông số kỹ thuật: Độ tinh khiết ≥ 98%, hàm lượng fluorine ≥ 45%.
- Magie Fluoride (MgF₂): Giảm nhiệt độ lỏng của điện phân, cải thiện độ chảy của điện phân và giảm sự bay hơi của điện phân. Thông số kỹ thuật: Độ tinh khiết ≥ 98%, hàm lượng fluorine ≥ 50%, liều lượng trên mỗi tấn nhôm nguyên chất khoảng 2-5 kg.
- Canxi Fluoride (CaF₂): Cải thiện độ ổn định của điện phân, kéo dài tuổi thọ của lò điện phân và ức chế hiệu ứng cực dương. Thông số kỹ thuật: Độ tinh khiết ≥ 97%, hàm lượng fluorine ≥ 48%, liều lượng được điều chỉnh theo quy mô của lò điện phân.
III. Hóa chất liên quan đến điện cực (Đảm bảo hiệu suất điện cực, hỗ trợ phản ứng điện phân)
Điện phân nhôm dựa vào điện cực để hoàn thành dẫn điện. Các hóa chất này được sử dụng để chuẩn bị điện cực hoặc bảo vệ điện cực để đảm bảo quá trình phản ứng điện phân diễn ra ổn định.
1. Nguyên liệu cho Anode tiền nung (Anode Carbon)
Anode tiền nung là điện cực cốt lõi (anode) của quá trình điện phân nhôm. Các hóa chất cần thiết được sử dụng để chuẩn bị anode để đảm bảo độ dẫn điện và khả năng chịu nhiệt độ cao của chúng:
- Petroleum Coke: Nguyên liệu cốt lõi, độ tinh khiết ≥ 98%, hàm lượng lưu huỳnh ≤ 0,5%, được sử dụng để chuẩn bị ma trận carbon của anode và cung cấp độ dẫn điện.
- Pitch Coke: Nguyên liệu phụ trợ, được sử dụng để liên kết các hạt petroleum coke và cải thiện độ bền của anode. Thông số kỹ thuật: Điểm làm mềm 80-120℃.
- Coal Tar Pitch: Chất kết dính, được sử dụng để liên kết các hạt petroleum coke và pitch coke thành hình dạng. Thông số kỹ thuật: Coal tar pitch loại 1, hàm lượng tro ≤ 0,3%.
2. Nguyên liệu cho Bột Catode (Catode Carbon)
Bột catode được sử dụng để xây dựng catode của lò điện phân để đảm bảo độ dẫn điện và khả năng chống ăn mòn của catode. Các hóa chất cần thiết:
- Bột Graphite: Cải thiện độ dẫn điện của catode. Thông số kỹ thuật: Độ tinh khiết ≥ 95%, kích thước hạt 100-200 mesh.
- Anthracite: Nguyên liệu cốt lõi, carbon cố định ≥ 85%, hàm lượng lưu huỳnh ≤ 0,3%, được sử dụng để chuẩn bị ma trận bột catode.
- Coal Tar Pitch: Chất kết dính, được trộn với bột graphite và anthracite để tạo hình, yêu cầu tương tự như coal tar pitch cho anode tiền nung.
IV. Hóa chất phụ trợ (Bảo vệ thiết bị, loại bỏ tạp chất, bảo vệ an toàn)
Các hóa chất này không trực tiếp tham gia vào phản ứng điện phân, mà được sử dụng để đảm bảo an toàn sản xuất, ổn định thiết bị và chất lượng sản phẩm, và là sự hỗ trợ phụ trợ cho sản xuất điện phân nhôm.
1. Hóa chất bảo vệ thiết bị và chống ăn mòn
- Phụ gia chịu lửa: Được sử dụng để bảo trì lớp lót của lò điện phân, chẳng hạn như natri silicate (Na₂SiO₃), giúp cải thiện khả năng chống cháy và độ kín của lớp lót, ngăn ngừa rò rỉ điện phân.
- Nguyên liệu sơn chống ăn mòn: Được sử dụng để chống ăn mòn thiết bị xung quanh lò điện phân, chẳng hạn như nhựa epoxy và nhựa polyvinyl fluoride, có khả năng chống ăn mòn bởi axit sulfuric và fluoride.
2. Hóa chất loại bỏ tạp chất và xử lý khí thải
- Canxi Hydroxit (Ca(OH)₂): Được sử dụng để khử lưu huỳnh và khử fluoride trong khí thải, loại bỏ hydro fluoride (HF) và sulfur dioxide (SO₂) sinh ra trong quá trình điện phân. Thông số kỹ thuật: Độ tinh khiết ≥ 90%, kích thước hạt trên 200 mesh.
- Than hoạt tính: Được sử dụng để hấp phụ các tạp chất có hại trong khí thải và làm sạch khí thải. Thông số kỹ thuật: Dạng bột, giá trị hấp phụ ≥ 800mg/g.
3. Hóa chất an toàn và phụ trợ
- Axit Sulfuric (H₂SO₄): Được sử dụng để làm sạch thiết bị và xử lý anot hóa. Thông số kỹ thuật: Axit sulfuric đậm đặc 98% cấp công nghiệp.
- Natri Hydroxit (NaOH): Được sử dụng để trung hòa nước thải và làm sạch thiết bị. Thông số kỹ thuật: Xút vảy cấp công nghiệp, độ tinh khiết ≥ 96%.
