ALCOA

Il processo produttivo


Descrizione impianto

Rifiuti


Elettrolisi

Fonderia

Forno a sale

Fabbrica anodi

Impianto di recupero bagno criolitico

Materie prime


Elettrolisi

Reazioni

Impianti

Modifiche

Depurazione gas

Funzionamento

Il processo consiste nel decomporre l'allumina tramite una corrente continua che fluisce attraverso un bagno di criolite (Na3AlF6) fusa contenente l'allumina (Al2O3) disciolta: il metallo si deposita al catodo e l'ossigeno migra verso l'anodo.

Il bagno è tenuto alla temperatura di 940 980C grazie al calore fornito dall'energia elettrica per effetto Joule; l'alluminio metallico, non essendo miscibile con il bagno criolitico, si separa allo stato liquido (punto di fusione Tf = 660C). La composizione del bagno è condizionata al punto eutettico a 960C del sistema binario allumina criolite, ma nella pratica la percentuale media dell'allumina è tenuta più bassa del valore dell'eutettico (10%) e non supera mai il 7%. Allo scopo di abbassare la temperatura di fusione del bagno e contemporaneamente diminuire la solubilità dell'alluminio nel bagno criolitico si aggiunge fluoruro di alluminio, in modo da produrre un eccesso di AlF3 rispetto alla composizione della criolite (AlF3 compreso tra il 5 e il 7%). Si ottiene una miscela ternaria che consente di ottenere a 960C una resa faradica (è il rapporto Rf = quantità di elettricità teorica/quantità di elettricità effettiva) ottimali. L'arricchimento in AlF3 presenta anche il vantaggio di rendere più fragile la crosta che ricopre i bagni elettrolitici, agevolando le operazioni periodiche di rottura necessarie per il reintegro di Al2O3. L'alluminio, più denso del bagno criolitico, si separa al catodo sul fondo delle celle, mentre l'anodo è sospeso nella parte superiore della vasca che costituisce la cella.

La vasca è in ferro, rivestita da mattoni refrattari e da blocchi di carbone amorfo contenenti barre in ferro che si allacciano ai conduttori di corrente; con una pigiata a base di carbone si chiudono gli interstizi tra i blocchi di carbone amorfo ed i bordi, in modo da formare la vasca catodica. La suola ha la funzione di contenere il metallo liquido ed il bagno, e consente il passaggio di corrente elettrica al catodo vero e proprio costituito dall'alluminio fuso.

Reazioni

Durante il processo elettrolitico si verificano molteplici reazioni tra cui le principali sono:

Reazioni elettrochimiche primarie: in condizioni stazionarie le reazioni agli elettrodi si riassumono nella

Al2O3 + 3/2 C ® 2 Al + 3/2 CO2

L'altra reazione teoricamente possibile è la:

Al2O3 + 3 C ® 2 Al + 3 CO

che però non si verifica mai alle normali densità di corrente ed in assenza di effetto anodico.
L'effetto anodico si verifica esclusivamente se la concentrazione di Al2O3 scende al di sotto del 2%, ed in questo caso tra i prodotti della reazione sono presenti CO e composti del fluoro, mentre in condizioni stazionarie il prodotto della reazione è costituito da CO2.

Reazione secondaria:

2 Al + 3 CO2 ® Al2O3 + 3 CO

una parte dell'alluminio depositatosi al catodo viene a contatto con la CO2 della reazione primaria, viene riossidato e si ha formazione di CO. La proporzione tra CO2 e CO dipende dal rendimento di corrente, ossia dal rapporto tra l'alluminio effettivamente prodotto e quello producibile in teoria:

RF (%) = 0,5 CO2 + 50,

dove RF varia tra 85 e 88. I fluoruri emessi dalla cella sono per il 60% in forma gassosa ed il restante polveri, in quantità di circa 16 kg/t di alluminio prodotto.

Impianti

Si tratta di due edifici, aventi dimensioni 631*39*24 m3, contenenti 164 celle disposte in serie. Le celle sono progettate per un esercizio a 150 kA: sono costituite da una vasca metallica rivestita internamente in materiali refrattari, da una suola catodica in carbone ed una serie di 16 anodi calcinati, sospesi ad una barra portacorrente in alluminio, in un bagno di criolite fusa a 950C. Il piano celle è ad un'altezza di circa 4,5 m da terra ed è intervallato da delle griglie disposte tra cella e cella e nei corridoi. La corrente di elettrolisi, viene portata da ciascuna cella a quella successiva da 6 barre d'alluminio alte 600 mm.

In origine le operazioni di rottura della crosta e di rifornimento dell'allumina avvenivano sui due lati più lunghi delle celle tramite 6 macchine operatrici speciali (semiportici). Carriponte dotati di apparati pneumatici e oleodinamici provvedevano al cambio degli anodi e all'aspirazione dei metalli, ed eventualmente potevano provvedere anche alla rottura della crosta e al rifornimento di allumina. Il metallo veniva travasato in siviere e trasportato in fonderia tramite mezzi semoventi. Gas e polveri sviluppati dal processo (soprattutto CO2, ed in minor misura fluoruri ed SO2 derivanti dalle impurezze sulfuree degli anodi), erano captati in continuo e diluiti nella corrente d'aria, aspirata attraverso i grigliati posti nel pavimento e convogliata all'impianto di aspirazione ed abbattimento fumi lungo la sommità dell'edificio, che assicurava anche il ricambio dell'aria all'interno degli edifici.

In seguito, al fine di ottenere:

miglioramento delle condizioni ambientali interne tramite incapsulamento delle celle elettrolitiche e captazione dei gas emessi;

riduzione dell'inquinamento atmosferico tramite trattamento dei gas captati in impianti a secco con ricircolazione e recupero dell'allumina e dei prodotti fluorurati;

  miglioramento delle prestazioni di esercizio delle celle tramite adozione di sistema automatizzato di alimentazione in continuo dell'allumina.

Gli interventi effettuati sono stati:

Modifiche meccaniche di cella: in ogni cella è stato installato un sistema di battuta e di alimentazione puntiforme costituito da 4 battitori e 4 dosatori, alimentati con tramogge per allumina di opportuna autonomia; ogni singola cella è stata coperta con una cappa di aspirazione dei fumi prodotti dal processo.

Depurazione gas: sono stati installati tre impianti completi di aspirazione e filtrazione dei fumi, del tipo a secco con ricircolazione dell'allumina, i relativi condotti di aspirazione delle celle, di raccolta e convogliamento, servizi elettrici, pneumatici e di controllo.

Trasporto allumina: è stato modificato il sistema di trasporto allumina per l'alimentazione per via pneumatica, i tre impianti di trattamento fumi, sono stati installati i silos di raccolta dell'allumina fluorurata e l'impianto di trasferimento di questa agli esistenti silos di sala.

Distribuzione allumina alle celle: l'alimentazione avviene tramite carri- tramoggia a semiportico di nuova concezione.

Automazione e cablaggi di cella: è stato installato un sistema di controllo di processo, costituito da un microprocessore ogni due celle, un sistema di supervisione centralizzato in sala calcolatori e microprocessori di comunicazione.

Ampliamento della rete elettrica a 6 kV: la rete elettrica è stata ampliata a 6 kV per alimentare le nuove utenze installate e per l'adeguamento della sala quadri esistente.

Impianto depurazione gas

 Il sistema di depurazione installato inizialmente era costituito da una serie di 83 unità di lavaggio, disposte sulla sommità dell'edificio, con i diffusori a 40 metri dal piano di campagna; ogni unità comprende un impianto di ventilazione da 170000 m3/h ed il sistema di lavaggio dei gas con acqua di mare.

I dati utilizzati per il progetto del sistema di depurazione gas sono riportati in tabella:
 

Parametro

Dato

Unità di misura

Produzione alluminio

120000

t/anno

Numero delle celle

332

 

Produzione per cella

44

kg/h

Calore emesso da ciascuna cella

330

kW

Numero dei lavatori

166

 

Valore max fluoro totale emesso

27

kg/tAl

Aria totale da trattare

288000000

m3/h

Quantità d'aria per lavatore

173500

m3/h

Quantità max di fluoro nei gas da depurare

15,8

mg/Nm3

Come fluoro gassoso

10,6

mg/Nm3

Come fluoro nelle polveri

5,2

mg/Nm3

Contenuto max di zolfo come SO2

12,5

mg/Nm3

Contenuto max di ossidi di carbonio, come C

300

mg/Nm3

Rapporto CO/CO2

0,25

 

 Successivamente sono state effettuate modifiche radicali, in particolare:

installazione di cappe di chiusura sopra tutte le celle di elettrolisi dello stabilimento, e modifica del sistema di alimentazione dell'allumina;

costruzione di una rete di tubazioni collegata alle cappe, per l'aspirazione dei fumi prodotti dalle celle ed il loro convogliamento agli impianti di abbattimento;

installazione di tre nuovi impianti di abbattimento del fluoro e dei particolati, con abbattimento a secco del fluoro gassoso e filtrazione successiva della corrente gassosa tramite filtri a tessuto.

Funzionamento

Alimentazione delle celle con allumina: avviene in automatico con rottura della crosta tramite 4 fioretti centrali, sotto la traversa anodica, e alimentando l'allumina tramite dosatori. I quattro fioretto- dosatori agiscono in sequenza con tempi dipendenti dalla resistenza del bagno elettrolitico.

Battuta di raffreddamento

Avviene in condizioni di marcia anomala (temperatura troppo elevata) e si tratta della demolizione della crosta solida, eventualmente dopo aver spostato l'allumina sovrastante alla periferia della vasca. Con il nuovo sistema questo evento è rarissimo, e avverrebbe tramite il carroponte polivalente.

Spegnimento effetto anodico

Quando si verifica l'effetto anodico, ossia un'eccessiva presenza di gas sotto il piano anodico e conseguente aumento della differenza di potenziale fra anodo e catodo, occorre introdurre un palo di eucalipto non scortecciato sotto il piano anodico, il quale bruciando lava la suola dell'anodo dai gas fluorurati che hanno causato il fenomeno. Per questo si pratica un foro nella crosta asportando 1 o 2 coperchi.

Cambio anodo

Quando i singoli anodi si consumano fino al limite massimo consentito dalla struttura portante, vengono sostituiti agganciandoli ai sostegni della traversa tramite il ponte polivalente.

Colata alluminio liquido

L'alluminio raccolto sul fondo delle celle deve essere estratto periodicamente e raccolto in apposite siviere di colata, nelle quali viene fatto il vuoto tramite estrattore ad aria compressa. L'alluminio viene poi trasportato nei forni di raccolta in Fonderia.

Alzata traverse

Quando la corsa della traversa che sostituisce gli anodi sta per arrivare al suo punto minimo inferiore è necessario provvedere al suo sollevamento mantenendo costante il piano anodico.

A tale scopo vengono utilizzate particolari apparecchiature di imbraco anodi manovrati dal ponte polivalente. L'operazione è uguale per i due tipi di celle.

Pulizia siviere

La pulizia periodica delle siviere e dei tubi di colata viene effettuata in un locale attiguo alle due linee di elettrolisi, debitamente attrezzato allo scopo con utensili ad aria compressa efficacemente insonorizzati.

Fonderia

La fonderia produce pani, billette, placche e T- bars di alluminio e sue leghe. L'alluminio proveniente dall'elettrolisi viene trasferito ai forni di fusione ed attesa a riverbero, riscaldati a nafta, di cui 5 da 50 tonnellata ed 1 da 60 tonnellate a volta mobile. Sono in esercizio quest'ultimo e due da 50 tonnellate. Dai forni il metallo viene travasato negli 11 forni di trattamento e colata, dei quali 8 da 20 tonnellate, 2 da 30 tonnellate ed 1 da 16 tonnellate, ad induzione. I forni di colata possono alimentare 3 macchine di colata per placche, billette ed 1 lingottatrice per pani da 8 kg. La fonderia è costituita inoltre da:

impianto leghe speciali: è costituito da una coppia di forni elettrici di fusione e colata per pani da 8 kg;

impianto di taglio e misura: costituito da una macchina segatrice per placche e tre macchine segatrici per billette, ciascuna dotata di un sistema di aspirazione dei trucioli ed una impacchettatrice degli stessi;

impianto di omogeneizzazione billette discontinuo: è costituito da 3 forni elettrici, un sistema di raffreddamento forzato ad aria e macchine di alimentazione e scarico delle billette;

impianto di omogeneizzazione billette continuo: è costituito da 4 forni di preriscaldo rapido a gas (GPL), un forno elettrico di omogeneizzazione, una doccia di raffreddamento ad acqua e macchine di alimentazione, trasporto e scarico billette.

Il combustibile utilizzato è BTZ con contenuto medio di zolfo inferiore all'1,8% con un consumo medio specifico di 60 kg/t; i fumi vengono scaricati in atmosfera tramite 4 camini di altezza pari a 25 m.
 

Produzione anno 1998

(t)

Produzione effettiva

144500

Billette

75146

Placche

46176

T- bars

5182

Pani lega

15832

897

Sows APF

1222

Olio combustibile

 

Consumo totale

8879 t

Consumo orario medio

1000 kg/h

Viscosità a 50C

5,1 E

Massa volumica a 15C

0,925 t/m3

Umidità

0,05 %

Zolfo

1,8 %

Ceneri

0,02 %

Idrogeno

10,7 %

Carbonio

86 %

PCS

10279 Kcal/kg

PCI

9696 Kcal/kg


 

Forno a sale

L'impianto aveva lo scopo principale di recuperare gli sfridi interni di lavorazione, essenzialmente laminati sottili, trucioli in pacchi e scorie di fonderia; queste ultime, prima di essere immesse nel forno, venivano arricchite in un apposito reparto di macinazione e vagliatura eliminando gran parte dello sterile.

Le materie prime di quest'impianto erano costituite da:
 

Materia

(t/a)

sfridi di laminazione sottile ed imbutitura bianchi

10000

sfridi come sopra verniciati

800

trucioli di segagione

2600

scorie di alluminio di pezzatura varia 

8500


 

Fabbrica anodi

Indagine ambientale ed epidemiologica

 Gli anodi utilizzati per il processo di elettrolisi vengono prodotti in quantità di 90000 t/anno. Sono costituiti da un impasto di coke di petrolio calcinato e pece dura, con peso di circa 1200 kg/cad. La produzione degli anodi avviene in quattro fasi in un impianto apposito.

preparazione impasto: vengono utilizzati coke di petrolio in opportuna granulometria e pece come legante; i resti anodici che vengono recuperati nelle varie fasi di lavorazione sono riutilizzati nella miscela. La lavorazione avviene in tre fasi: essiccazione (se necessaria), frantumazione, vagliatura. Le diverse frazioni granulometriche vengono inviate in sili e quindi all'impianto di dosaggio e ad un miscelatore continuo; viene quindi aggiunta la pece e l'impasto passa ad un secondo miscelatore continuo. Nei miscelatori l'impasto arriva alla temperatura di circa 150C usando un olio diatermico in circuito chiuso. A quest'impianto è annesso quello per la preparazione della pasta catodica, consistente in una miscela di antracite calcinata e legante liquido (Aluran 90) che viene poi disposta sulle pareti laterali delle celle elettrolitiche. Questo impianto è costituito da un mulino per la frantumazione dell'antracite e 2 mescolatori discontinui, ed ha la capacità di 1 tonnellata di pasta catodica per ogni carica; ha un consumo specifico medio di olio combustibile (zolfo all'1,8%) di 6,1 kg per t di pasta anodica, mentre la miscela di pasta catodica è fatta a freddo. L'emissione avviene alla sommità dell'edificio ad un'altezza di 40 ¸ 50 metri dal piano di campagna, dopo depolverazione in filtri distinti.

pressatura: la pasta anodica è inviata ad una pressa da 0,5 t/cm2 per la produzione di 12 14 anodi/ora. Gli anodi formati vengono trasferiti su trasportatore a rulli e quindi allo stoccaggio.

cottura: gli anodi verdi vengono caricati in apposite camere dei forni di cottura e sottoposti a riscaldamento per circa 13 giorni fino alla massima temperatura di 1200C. I due forni di cottura ad anello sono costituiti ciascuno da 36 camere chiuse, e queste possono contenere 56 anodi ciascuna, per una potenzialità massima di 90000 t/anno. Il consumo specifico di olio combustibile è di circa 32 kg per t di prodotto. I fumi di combustione ed i vapori di pece vengono aspirati di continuo e depurati tramite filtri elettrostatici.

inghisaggio: gli anodi cotti vengono trasferiti mediante trasportatori a rulli all'impianto Rodding, dove la parte carboniosa viene accoppiata, tramite ghisa fusa, alla barra metallica di fissaggio dell'anodo alla traversa che lo sostiene. La superficie superiore dell'anodo viene coperta da un velo d'alluminio tramite ugello polverizzatore (alluminatura). In questo reparto viene anche effettuato il recupero dei materiali carboniosi provenienti dall'elettrolisi, ed in questa fase si può avere emissione di particolato.

Impianto recupero bagno criolitico

Il ciclo di lavorazione di questo impianto è costituito da una serie di operazioni di recupero, frantumazione e vagliatura con trasporti intermedi, allo scopo di separare l'allumina contenuta nei materiali trattati dallo sterile del bagno criolitico e separare ed evacuare frammenti di ghisa o alluminio. I materiali in ingresso:
 

Materiale

(kg/h)

Dall'impianto di pulizia anodi

Allumina

1500

Elettrolita

1500

Da tramoggia "fuori ciclo"

Allumina 

1000

Elettrolita

1000

Impurezze

Colletti di ghisa di peso massimo 5 10 kg/cad

frammenti

Alluminio in fogli di dimensioni 400x200x10 mm

 

I prodotti sono:
 

Prodotto

(t/h)

Allumina con granulometria 0 3 mm

4

Elettrolita con granulometria 3 25 mm

6

Elettrolita con granulometria 3 60 mm

L'impianto è alimentato dalla tramoggia di ingresso tramite redler per i materiali provenienti dalla "pulizia anodi" e tramite pala meccanica per i materiali fuori ciclo. Dalla tramoggia il materiale viene estratto tramite alimentatore a carrello ed inviato ad un nastro trasportatore dotato di deferrizzatore a nastro che elimina le parti magnetiche eventualmente presenti. I materiali vengono quindi frantumati ed alimentati ad un vibrovaglio che separa le classi granulometriche. La classe 60 mm contiene le parti in alluminio liberatesi nella frantumazione e viene stoccata; la classe 0 3 mm viene stoccata separatamente in un silo; la classe 3 60 mm può essere stoccata oppure rifrantumata e riciclata tramite mulino a martelli e vaglio vibrante.

Tutte le sezioni d'impianto sono poste sotto aspirazione e l'aria captata viene depolverata tramite filtro a maniche

Materie prime

Consumi:
 

Materia

kg/tAll prodotto

Allumina

1890

Criolite

18,34

Fluoruro d'alluminio

27,18

Anodi

452

con una produzione di alluminio pari a 118957 t nel 1988.

Caratteristiche:
 

Allumina sandy: Al2O3

% massima

Fe2O3

0,030

TiO2

0,005

Na2O

0,5

CaO

0,04

V2O5

0,003

Zn

0,005

SiO2

0,030

granulometria

+100 Taylor Mesh

1

-325 Taylor Mesh

10

Criolite: Na3Al Fe6

% massima

Perdita a 450C

1

Rapporto molare

2,7 2,9

Fe2O3

0,05

CaO

0,2

F

52,5

Granulometria

passa a 325 Mesh

5

Fluoruro d'alluminio: AlF3

% massima

Perdita a 450C

0,5

Fe2O3

0,05

SiO2

0,2

F

61 (minima)

Granulometria

non passa a 170 Mesh

20

non passa a 325 Mesh min

70

non passa a 325 Mesh max

10