MỞ ĐẦU Việt Nam là một trong những nƣớc có tiềm năng lớn về bauxit trong khu vực và trên thế giới. Tổng trữ lƣợng quặng bauxit đã xác định và tài nguyên dự báo khoảng 5,5 tỷ tấn: khu vực miền Bắc khoảng 91 triệu tấn; khu vực miền Nam khoảng 5,41 tỷ tấn (chiếm 99% tổng trữ lƣợng cả nƣớc) [9]. Đây là yếu tố quan trọng và quyết định việc phát triển ngành công nghiệp khai thác bauxit, sản xuất alumin và nhôm kim loại của Việt Nam. Dự án bauxit Tân Rai hay dự án khai thác bauxit Tân Rai là một trong những dự án khai thác bauxit ở Tây Nguyên theo chủ trƣơng của Bộ Chính trị Ban Chấp hành Trung ƣơng Đảng Cộng sản Việt Nam, đƣợc triển khai tại huyện Bảo Lâm, Lâm Đồng, Việt Nam.
Việc khai thác đƣợc tiến hành bởi hai công đoạn: giai đoạn một là khai thác quặng bauxit từ các mỏ, giai đoạn hai là từ quặng bauxit khai thác đƣợc đƣa vào nhà máy tách ra alumin, nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân. Trong quá trình chế biến alumin từ bauxit nhà máy Tân Rai thải ra lƣợng bùn đỏ vào môi trƣờng: 826. Khối lƣợng quặng bauxit khai thác của dự án này lên tới 2,32 triệu m3 /năm, dẫn đến nguy cơ tổng lƣợng bùn đỏ phải tích trên cao nguyên cả đời dự án Tân Rai 80-90 triệu m3 [2]. Bùn đỏ gây ảnh hƣởng độc hại cho sức khỏe con ngƣời và hệ sinh thái động thực vật.
Chế biến bauxit thành alumina sẽ tạo ra các hồ chứa bùn đỏ thƣờng xuyên đe dọa tình hình an ninh chính trị trên địa bàn. Điều này có thể xảy ra với nhà máy Tân Rai nếu bùn đỏ vẫn xử lý theo phƣơng pháp chôn lấp, hoàn thổ và phục hồi môi trƣờng. Do đó, đề tài “Phân tích chi phí lợi ích mở rộng trong xử lý bùn đỏ tại nhà máy Tân Rai” là rất cần thiết để đƣa ra biện pháp tối ƣu để có thể tận dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng, sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trƣờng mà vẫn đạt đƣợc mục tiêu phát triển kinh tế. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1 - TỔNG QUAN 1.
Tổng quan về công nghệ sản xuất alumin 1. Công nghệ làm giàu, chế biến quặng bauxit Theo Tài liệu “Chính sách phát triển công nghệ trong công nghiệp sản xuất nhôm đến năm 2000” (Policies of the technological development in the Alumina Industry- Alumina production until 2000) khoảng 85% alumin của thế giới đƣợc sản xuất từ quặng bauxit và sản xuất ở nhiều nƣớc trên thế giới; khoảng 10% đƣợc sản xuất từ quặng nepheline và alunite chủ yếu ở Nga, Canada, Mỹ; khoảng 5% từ các nguyên liệu khác tập trung ở Nga, Mỹ, Nhật Bản .[5] Bauxit Bauxit đã nung Sản xuất alumin Sử dụng trong ngành hoá - Vật liệu chịu lửa Công nghệ Bayer - Hoạt tính - Vật liệu mài-đánh bóng - Phèn nhôm Alumin cấp luyện kim Alumin đặc biệt Nhôm kim loại Alumin đã Alumin hoạt Các hyđroxyt nhôm nung tính Gốm, sứ Vật liệu chịu lửa Vật liệu mài, đánh bóng Hình 1: Sơ đồ sản xuất các sản phẩm từ bauxit [2] Công nghệ làm giàu quặng bauxit Khoảng 90% sản lƣợng Alumin của thế giới đƣợc sản xuất bằng công nghệ Bayer, nhƣng công nghệ này đòi hỏi bauxit có hàm lƣợng SiO2 thấp. Bauxit có hàm 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lƣợng SiO2 hoạt tính (tác dụng với kiềm) >5% không thể xử lý kinh tế bằng phƣơng pháp Bayer vì gây mất mát kiềm theo bùn đỏ rất lớn. Nhƣng ngƣợc lại, nếu xử lý bằng công nghệ thiêu kết hoặc thiêu kết-Bayer (hỗn hợp) thì tiêu hao năng lƣợng lớn.
Vì vậy bauxit cần phải đƣợc làm giàu để giảm hàm lƣợng SiO2, nâng tỷ lệ Al2O3/SiO2 >7 thì mới thích hợp cho công nghệ Bayer. Trên thế giới, các phƣơng pháp làm giàu đơn giản và phổ biến là: - Đập, nghiền kết hợp sàng khô - Đập, nghiền kết hợp sàng ƣớt (phổ biến hơn) Bằng phƣơng pháp tuyển rửa phần lớn SiO2 trong hạt mịn đƣợc loại bỏ theo quặng đuôi. Ngoài ra, một số bauxit có hàm lƣợng sắt cao và có từ tính (nhƣ bauxit laterit ở vùng thềm lục địa Đông Ấn Độ) ngƣời ta dùng phƣơng pháp tuyển từ ƣớt với từ trƣờng mạnh. Công nghệ sản xuất alumin Quá trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al2O3, nhằm tách lƣợng Al2O3 trong bauxit ra khỏi các tạp chất khác (các ôxyt …).
Alumin nhận đƣợc phải đảm bảo chất lƣợng cho quá trình điện phân trong bể muối nóng chảy cryolite (Na3AlF6) để nhận đƣợc Al kim loại. Các phƣơng pháp chính sản xuất alumin: a. Sản xuất alumin bằng phương pháp hoả luyện Trong số các phƣơng pháp hỏa luyện thì phƣơng pháp thiêu kết bauxit với Na2CO3 có sự tham gia của CaCO3 (gọi là phƣơng pháp sôđa-vôi) là phƣơng pháp kinh tế và đƣợc ứng dụng công nghiệp. Phƣơng pháp thiêu kết dùng để xử lý quặng bauxit có chất lƣợng trung bình hoặc kém (hàm lƣợng SiO2 cao), nếu xử lý bằng công nghệ Bayer (công nghệ thủy luyện) thì không có hiệu quả kinh tế.
Nguyên lý của phƣơng pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bauxit + Na2CO3 + CaCO3 trong lò ống quay ở nhiệt độ 1200oC để thực hiện các phản ứng sau: 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2 SiO2 + 2 CaCO3 = CaO.SiO2 + 2CO2 NaAlO2 rắn trong thiêu kết phẩm (sản phẩm sau khi thiêu) dễ tan trong nƣớc.SiO2 không tan trong nƣớc và đi vào cặn thải (bùn thải). Phƣơng pháp thiêu kết có thể đƣợc áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phƣơng pháp Bayer: Phƣơng pháp kết hợp song song hoặc nối tiếp. Phƣơng pháp thiêu kết đƣợc ứng dụng nhiều ở các nƣớc: Nga, Tiệp Khắc trƣớc đây, Trung Quốc hiện đang sử dụng phƣơng pháp này trong một số nhà máy sản xuất alumin để xử lý quặng bauxit có hàm lƣợng silic cao. Sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện) Nhà hoá học ngƣời Áo Kark Josef Bayer đã đƣa ra công nghệ sản xuất alumin từ quặng bauxit bằng phƣơng pháp kiềm hoá (phƣơng pháp thuỷ luyện) với hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao.
Từ đó đến nay Công nghệ mang tên Ông (Phƣơng pháp Bayer) vẫn là công nghệ chính để sản xuất alumin. Hiện nay và dự báo trong tƣơng lai khoảng 90% alumin trên thế giới vẫn đƣợc sản xuất bằng công nghệ này. Công nghệ Bayer đƣợc dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau: Hoà tách > 100oC Al(OH)3 + NaOH NaAlO2 + 2H2O Gipxit rắn Kết tủa < 100oC Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn: - Bauxit đƣợc hoà tách với dung dịch kiềm NaOH. Lƣợng Al2O3 đƣợc tách ra trong dạng NaAlO2 hoà tan và đƣợc tách ra khỏi cặn không hoà tan (gọi là bùn đỏ do chủ yếu là các ôxyt sắt nên có màu đỏ, ngòai ra còn có ôxyt titan, ôxyt silic…).
- Dung dịch aluminate NaAlO2 đƣợc hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 vào để kết tủa. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng đƣợc lọc, rửa và nung để tạo thành Al2O3 thành phẩm. Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Bayer đƣợc giới thiệu trên Hình 2 và 3 Bauxit Nghiền NaOH Cặn thải Tách Oxalat Hoà tách ( Cô bay hơi Tách cát Tách Trao đổi nhiệt bùn đỏ Kết tinh Lọc tinh Trao đổi nhiệt Nung Alumin Hình 2: Sơ đồ nguyên lý công nghệ sản xuất Alumin [2] 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3: Quy trình Bayer chế biến alumin từ bauxit [27] Trong quá trình sản xuất alumin bằng phƣơng pháp Bayer, tùy theo thành phần khoáng vật của bauxit mà công nghệ Bayer đƣợc chia thành 2 giải pháp khác nhau: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com * Công nghệ Bayer Châu Mỹ [2] Đƣợc áp dụng nếu Al2O3 của bauxit ở dạng gipxite (trihydrate Al2O3.3H2O), có thể đƣợc hoà tách dễ dàng. Bauxit này thƣờng đƣợc hòa tách ở nhiệt độ khoảng 140-145oC trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm thấp (120-170g/l Na2Oc).
Công nghệ này đang đƣợc áp dụng trong các nhà máy của ALCOA ở Tây Úc, nhà máy alumin ở Jamaica (Brazil), Sơn Đông (Trung Quốc), Guinea. và sẽ đƣợc áp dụng cho các nhà máy alumin ở Tây Nguyên - Việt Nam. *Công nghệ Bayer Châu Âu [2] Đƣợc áp dụng nếu Al2O3 của bauxit ở dạng bơmit và diaspor (monohydrate Al2O3.H2O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 200oC (240-250oC trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng diaspor) và trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao hơn (180-250g/l Na2O). Công nghệ này đang đƣợc áp dụng trong các nhà máy alumin của Nga, Iran, Trung Quốc (Bình Quả) để xử lý quặng bauxit diaspor; nhà máy alumin ở Hungary, Nam Tƣ, một vài nhà máy ở Úc.
xử lý quặng bauxit bơmit và sẽ đƣợc áp dụng cho nhà máy alumin xử lý quặng bauxit diaspor ở miền Bắc Việt Nam (Ma Mèo, Táp Ná. Chi phí nguyên, nhiên liệu để sản xuất 1 tấn alumin bằng phƣơng pháp Bayer tuỳ thuộc vào loại và chất lƣợng bauxit. Giá trị công nghiệp của bauxit chủ yếu đƣợc xác định bởi các chi phí tiêu hao kiềm và bauxit cho 1 tấn alumin. Một số tác giả đề nghị chia bauxit xử lý bằng phƣơng pháp Bayer thành 3 loại: Bảng 1: Phân loại bauxit xử lý bằng phƣơng pháp Bayer [5] Tiêu hao bauxit Tiêu hao kiềm Loại Chất lƣợng (t/t Al2O3) (kg NaOH/t Al2O3) I Tốt < 2,2 < 40 II Trung bình 2,2 – 2,9 40 - 80 III Kém > 2,9 >80 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nhƣ vậy: Công nghệ nguồn để sản xuất alumin trên thế giới đang thịnh hành là Công nghệ Bayer (Nhà hoá học ngƣời Áo Kark Josef Bayer đã phát minh vào năm 1887- 1892).
Công nghệ Bayer, nhƣ trên đã trình bày bao gồm các công đoạn chính: - Bauxit đƣợc hoà tách với dung dịch kiềm NaOH. Lƣợng Al2O3 đƣợc tách ra trong dạng NaAlO2 hoà tan và đƣợc tách ra khỏi cặn không hoà tan (gọi là bùn đỏ mà chủ yếu là các ôxyt sắt nên có màu đỏ, ngòai ra còn có ôxyt titan, ôxyt silic…). - Dung dịch aluminate NaAlO2 đƣợc hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 vào để kết tủa. - Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng đƣợc lọc, rửa và nung để tạo thành Al2O3 thành phẩm.