Hall-Héroult Prosesi

Paul Louis Toussaint Héroult (Fransa) ve Charles Martin Hall (ABD) tarafından geliştirilen sürecin temel prensibi alüminanın ergimiş kriyolit (Na3AlF6) banyosunda elektrolizi ile metalik alüminyuma dönüştürülmesidir. Birincil alüminyum, Hall-Héroult Prosesi sayesinde alüminanın alüminyum elektroliz hücrelerinde yüksek akım (100-400 kA) altındaki 960-970°C sıcaklıkta elektrolit adı verilen kriyolit (Na3AlF6) ergimiş tuz eriği içinde çözünmesi, ayrışması ve indirgenmesi sonucu yüksüzleşen alüminyum metalinin tabanda birikmesi ile elde edilmektedir.

İşlem sırasında alüminanın parçalanmasıyla açığa çıkan oksijen anot karbonu ile tepkimeye girerek Denklem 1.13, 1.14, 1.15, 1.16 ve 1.17‘de gösterildiği gibi CO2, CO, CnFn bileşiklerini oluşturmaktadır. Diğer yandan elektrolit içerisindeki reaksiyonlar sonucu gaz fazına geçen flor bileşikleri ve önceki ifadede verilen anot karbonunun parçalanması sonucu oluşan bileşikler gaz temizleme sistemine girmektedir.

Al2O3 + 3/2C → 2Al + 3/2CO2 (1.13)

2/3Na3AlF6 + 1/2Al2O3 + C → 4/3Al + 2NaF + COF2 (1.14)

2COF2 + C → CF4 + CO (1.15)

4/3Na3AlF6 + C → 4/3Al + 4NaF + CF4 (1.16)

2Na3AlF6 + 2C → 2Al + 6NaF + C2F6 (1.17)

Alüminyum, 'hücre' olarak adlandırılan elektrolitik sistemlerde alüminanın (Al2O3) elektroliz yoluyla metalik alüminyuma indirgenmesi sonucunda elde edilir. Hücreler elektriksel olarak birbirine seri bağlanarak ―elektroliz serilerini‖ bu seriler de bir araya gelerek ―elektrolizhaneleri‖ meydana getirirler (Yıldırım, 2012). Bir hücre esas olarak anot ve katot olmak üzere iki kısımdan oluşur.

28

1.4.4.1. Anot

Dünyada yapım halinde olan ve planlanan tüm birincil alüminyum tesisleri Hall Heroult yöntemine dayalıdır. Hall-Heroult Prosesi'nde anot malzemesi olarak karbon kullanılmaktadır.

Hall-Heroult prosesinde alüminyum üretmek için iki çeşit sistem vardır:

 Sürekli kendi kendine pişen Soderberg anotlu sistemler  Çoklu önceden pişmiş Prebaked anotlu sistemler

1.4.4.1.1. Kendi kendine piĢen (soderberg ) anotlar

Elektrolizhanelerden ayrı bir tesiste belirli oranlarda zift ve kok içeren bir karışım hazırlanmaktadır. Peletler halinde üretilen bu karışıma "anot pasta" adı verilmektedir. Elektroliz işlemi süresince kendi kendine pişen anot alttan tükendikçe, üstten taze anot pasta beslemesi yapılmaktadır. Hücrenin ürettiği sıcaklık yardımıyla pasta içindeki zift önce ergimeye, daha sonra belli bir sıcaklığa erişince kok taneciklerini birbirlerine bağlayarak koklaşmaya başlamaktadır. Sonuçta tek parça bütün bir anot karbonu haline gelmektedir.

Hem kendi kendine pişen hem de önceden pişmiş anot tiplerinin temel hammaddesi olarak zift (genel olarak taş kömürü zifti) ve petrol koku kullanılmaktadır. Zift, bağlayıcı görevi görürken petrol koku ise dolgu malzemesi olarak kullanılır.

1.4.4.1.2. Önceden piĢmiĢ (prebaked) anotlar

Önceden pişmiş anotlar, elektrolizhanelerden ayrı bir tesiste zift ve kok karışımının blok halinde şekillendirilmelerinin ardından bir fırında pişirilmeleriyle elde edilmektedir. Hücre boyutlarına bağlı olarak değişen sayılarda anot bloğu bir araya getirilerek bir mekanizmalar gurubu yardımıyla hücrelerin üzerine bağlanmaktadır. Bir blok tükenince özel araçlarla yerinden sökülmekte ve yerine yenisi bağlanmaktadır.

Önceden pişmiş anotlar, orijinal boyutlarının üçte birine ya da dörtte birine ulaştığında değiştirilmelidir. Kalan anot kısımları (anot kalıntıları), barındırdıkları elektrolit çözeltisini tekrar sirküle etmek için hücreden ayrı bir temizleme bölümünde

29

temizlenmektedir. Temizlenen kısımlar öğütülmekte ve yeni anot yapımında hammadde olarak kullanılmaktadır.

Önceden pişmiş anotlu sistemler, reaksiyona giren karbon kütle yanında, son yıllarda tam olarak otomatik hale gelen kabuk kırma ve kontrollü alümina ve diğer hammadde şarjları ile anot etkisi söndürme teçhizatları ile donatılmışlardır. Önceden pişmiş sistemlerde kabuk kırma, hammadde şarjı ve anot etkisi söndürme işlemleri otomatik olarak yapılmasına karşın Soderberg sistemlerde bu işlemler genellikle özel araçlar vasıtasıyla manuel olarak yapılmaktadır.

Önceden pişmiş anotlu sistemler anot pişirme ünitesinde 1120 °C'de dikdörtgen prizması şeklinde hazırlanan pişirilmiş petrol koku ve taş kömürü zifti karışımının çelik pimlerle tutturulup, alüminyumdan oluşan pimin üst parçası ile anot çerçevesine bağlanmasından oluşmaktadır. Sistemde hücrelerin üstü tamamen kapalı olup elektroliz olayı kapalı sistem içerisinde gerçekleşmektedir.

Günümüzde tercih edilen hücre tipi, sağladığı ekonomik, çevresel ve teknolojik avantajlar yüzünden önceden pişmiş anotlu hücrelerdir.

1.4.4.2. Katot

Hücrenin katodu anoda kıyasla biraz daha karmaşık bir yapıya sahiptir. Dikdörtgen kesitli çelik bir kasanın içine önce çeşitli refrakter ve izolasyon malzemeleri döşenmektedir. Bunların üzerine özel olarak şekillendirilip pişirilmiş karbon refrakterler yerleştirilir. Bu karbonlar birbirleriyle ya yapıştırma pastaları ya da aralarına, yine asıl olarak zift ve kok karışımından hazırlanmış olan oldukça viskoz bir dolgu pastası dövülerek doldurulmaktadır. Elektrik akımını diğer hücrelere iletmek üzere, taban karbon blokların içlerine, bir uçları katot kasasının dışında kalacak şekilde çelik kütükler gömülüdür. Elektroliz işlemi sırasında üretilerek hazne içerisinde biriken sıvı alüminyumun bizzat kendisi katot işlevini görmektedir.

Her iki tip hücrede de (Soderberg, Prebaked) katot sisteminin şekli değişmemektedir. Diğer bir deyimle, Prebaked anotlu hücrelere veya Soderberg anotlu hücrelere özgü tanımlanan bir katot şekli bulunmamaktadır. Metal çekme sistemi de her iki tip hücre için aynıdır.

Aşağıda Çizelge 1.5‘te dünya genelinde halihazırda kullanılan Soderberg ve Prebaked teknolojilerinin karşılaştırılması verilmiştir:

30

Çizelge 1.5. Soderberg ve Prebaked teknolojilerinin karşılaştırılması

Soderberg Teknolojisi Prebaked

Eski teknoloji Yeni teknoloji

Anotlar, hücrenin içinde oluşur ve pişer.

Anot pişme işlemi hücre içinde gerçekleşmez. Bunun için ayrı bir proses (Anot pişirme ünitesi) vardır.

Anot efekti oluşum sıklığı fazladır (günde en az 4 kez).

Anot efekti oluşum sıklığı azdır. Alümina beslemesinin kontrolü daha iyi yapılabilmektedir.

Bu teknolojide üretilen alüminyum başına oluşan PFC (C2F6, CF4) emisyonları diğer teknolojiye göre daha fazladır. Çünkü prebaked teknolojisine göre, anot etkisi oluşma sıklığı daha fazladır ve etki süresi daha uzundur.

Bu teknolojide, anot etkisi oluşması durumunda etkinin ortadan kaldırılması çok daha hızlıdır. Dolayısıyla PFC oluşumu çok daha azdır.

Alümina beslemesi hücre dışı dozaj arabası ile yapıldığından kontrolsüzdür ve üretilen alüminyum metali başına elektrik tüketimi fazladır.

Alümina beslemesinin kontrollü yapılması, aynı elektrik akımıyla daha fazla alüminyum metali üretimi yapılmasına olanak sağlar.

Islak gaz temizleme sistemi (kireç sütü- Ca(OH)2) kullanılmaktadır ki sistem verimliliği düşüktür.

Etkin kuru gaz temizleme sistemi (aktif alümina) kullanılır.

Aşağıda Çizelge 1.6‘da eski Soderberg ve yeni Prebaked anot sisteminin teknoloji kıyaslaması, Çizelge 1.7‘de Soderberg ve Prebaked anot sisteminin üretim parametreleri kıyaslaması, Çizelge 1.8‘de Soderberg ve Prebaked Anot sisteminin emisyon parametreleri kıyaslamasına ilişkin değerler verilmiştir.

31

Çizelge 1.6. Eski Soderberg ve yeni Prebaked anot sisteminin teknoloji kıyaslaması

Parametre Eski Yeni

Teknoloji adı Rusya VAMI, Rusya Al-Mg Ens. Soderberg Teknolojisi

SY 300 Prebaked Anotlu Hücre Teknolojisi

Kapasite 60.000 ton/yıl Al 75.000 ton/yıl Al

Katot hücre sayısı 248 adet (8 yedek hücre) 94 adet (yenilenecek hücre sayısı) (4 yedek hücre) Harcanan elektrik/ay 87.624.100 KwhDC 82.762.560 Kwh DC

1 katot hücresinin ömrü 5 yıl Min. 5,5 yıl

Hücre verimi 765,6 kgAl/hücregün 2.270 kgAl/hücregün

Kullanım Manuel Otomasyon

Üretim Düşük Yüksek

İlk Yatırım maliyeti Düşük Yüksek

Emisyon Yüksek Düşük

İnsan sağlığı Çalışanlar maruz kalmakta Kapalı sistem

Çizelge 1.7. Soderberg ve Prebaked anot sisteminin üretim parametreleri kıyaslaması

Parametre

Soderberg

Anot

Prebaked

Anot

Akım Verimi %88 -91 %91,5 - 95

Özgül Enerji Tüketimi (kWh/ton Al.) 15.200 12.950

AlF3 Tüketimi (Kg) 32 14-20

Kriyolit (Na2AlF6) Tüketimi(kg) 26 0-3

Çizelge 1.8. Soderberg ve Prebaked anot sisteminin emisyon parametreleri kıyaslaması

Emisyon Parametreleri Soderberg Sistem Prebaked Sistem

ÇalıĢma

Ortamı Baca

ÇalıĢma

Ortamı Baca

Toz (mg/Nm3) 0 -3 42,72 Eser 5≤

HF (mg/Nm3) 0,1 - 0,9 Ölçülmüyor Eser Eser

F (mg/Nm3) 0,1 - 0,5 0,25 Eser 1≤

32

Aşağıda, Şekil 1.18‘de Soderberg (kendi kendine pişen) anotlu hücrenin ve Şekil 1.19‘da Prebaked (önceden pişmiş anotlu) hücrenin şematik gösterimi verilmiştir.

ġekil 1.18. Soderberg (kendi kendine pişen) anotlu hücre (Yıldırım, 2012)

ġekil 1.19. Prebaked (önceden pişmiş anotlu) hücre (Yıldırım, 2012)

Seydişehir Eti Alüminyum Tesislerinde, gelişen ve değişen piyasa koşullarına uygun kalitede alüminyum üretimi için daha çevreci, insan gücüne ihtiyaç duymayan, bakım sayısı daha az olan, anot efekti sayısı daha az olan, daha az enerji tüketen, iş

33

sağlığı ve güvenliği mevzuatına daha uygun bir çalışma ortamı için dünyada kabul görmüş olan Prebaked Teknolojisi tercih edilmiştir.

Eski Soderberg Teknolojisi ile üretim yapan Eti Alüminyum A.Ş'de şu an 100 bin amperlik elektroliz bulunmaktaydı. Prebaked Teknolojisi ile yeni kurulan elektroliz tesislerinde 300 bin amperlik elektrolizler sayesinde enerji tüketiminde büyük tasarruf sağlanmış olacaktır. Ayrıca, yeni teknolojiyle elektrolizlerin ürettiği flor gazı atmosfere atılmayıp kapalı devre ile yeniden üretime kazandırılmaktadır. Bununla birlikte Prebaked Teknolojisi ile daha yüksek kapasitede ve verimde alüminyum üretilmesi ve alüminyum üretimindeki elektrik enerjisi tüketiminin de düşürülmesi hedeflenmektedir.

Bu kapsamda enerji tüketimi çok daha fazla olan Şekil 1.20‘de genel görünümü verilen Soderberg Sisteminin yerine Şekil 1.21‘de genel görünümü verilen yeni Prebaked Sistem ile birlikte enerji maliyeti düşürülmüş olacak, verimlilik ve çevre konusunda Eti Alüminyum A.Ş. dünyadaki alüminyum fabrikalarıyla rekabet edebilir düzeyde olacaktır.

ġekil 1.20. Soderberg teknolojisine sahip eski elektrolizhanelerden bir görünüm

34