Совершенствование систем колокольного газоотсоса на мощных электролизерах Содерберга
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 146
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7638-1938-0
Артикул: 617481.01.99
В монографии выполнен анализ состава анодного газа с позиций промышленной и экологической опасности по всей номенклатуре загрязнителей. Приведены физико-химические и токсикологические характеристики газообразных и твердых полютантов. Изложены аналитические исследования по оценке современного состояния системы сбора, эвакуации и обезвреживания анодных газов; приведены отечественные и зарубежные технические решения в части оптимизации систем газоотсоса и газоочистки. Описаны методы и технические решения по сокращению выбросов загрязнителей и экологизации систем газоотсоса, а также дано экономическое обоснование новых решений. Для специалистов, решающих проблему очистки отходящих газов в металлургии легких металлов, и студентов металлургических специальностей.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет С. Г. Шахрай, В. В. Коростовенко И. И. Ребрик СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ КОЛОКОЛЬНОГО ГАЗООТСОСА НА МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ СОДЕРБЕРГА Монография Красноярск ИПК СФУ 2010
УДК 502.3:669.7 ББК 34.314.4 Ш31 Рецензенты: А. Н. Анушенков, д-р техн. наук, проф. гл. науч. сотрудник Краснояр. науч. центра СО РАН; Л. С. Стрижко, д-р наук, проф. НИТУ «МИСиС» Шахрай, С. Г. Ш31 Совершенствование систем колокольного газоотсоса на мощных электролизерах Содерберга : монография / С. Г. Шахрай, В. В. Коростовенко, И. И. Ребрик. – Красноярск: ИПК СФУ, 2010. – 146 с. ISBN 978-5-7638-1938-0 В монографии выполнен анализ состава анодного газа с позиций промышленной и экологической опасности по всей номенклатуре загрязнителей. Приведены физико-химические и токсикологические характеристики газообразных и твердых полютантов. Изложены аналитические исследования по оценке современного состояния системы сбора, эвакуации и обезвреживания анодных газов; приведены отечественные и зарубежные технические решения в части оптимизации систем газоотсоса и газоочистки. Описаны методы и технические решения по сокращению выбросов загрязнителей и экологизации систем газоотсоса, а также дано экономическое обоснование новых решений. Для специалистов, решающих проблему очистки отходящих газов в металлургии легких металлов, и студентов металлургических специальностей. УДК 502.3:669.7 ББК 34.314.4 © Сибирский федеральный университет, 2010 © Оформление, оригинал-макет. ISBN 978-5-7638-1938-0 ИПК СФУ, 2010
ВВЕДЕНИЕ Производство алюминия электролитическим методом сопровождается выделением из ванн анодных газов, количество которых достигает нескольких десятков кубических метров в час. Анодные газы содержат газообразные примеси (оксидные и фтористые соединения), а также смолистые вещества и пыль, представленную глиноземом, фтористыми солями и углеродом. Концентрация загрязнителей в отходящих газах зависит не только от технологии электролиза, но и от эффективности работы системы сбора выбросов, обеспечения оптимальных параметров движения газов в газоходных коммуникациях, достижения необходимой степени очистки в аппаратах защиты атмосферы. Как известно, радикальное направление защиты атмосферы состоит из системы инженерных решений по полной ликвидации или очистке до нормативных величин загрязнителей всех видов в организованных выбросах, а также по созданию систем воздухообмена, исключающих наличие неорганизованных (рассеивающихся в рабочей зоне) выбросов. С точки зрения ужесточающихся экологических требований такое направление имеет исключительное значение для алюминиевого производства с использованием мощных электролизеров Содерберга, которое характеризуется рядом объективных причин, затрудняющих экологизацию процесса. При наличии приходящихся на 1 тонну алюминия исходных выбросов с высокими концентрациями загрязнителей системы сбора и их эвакуации на отечественных алюминиевых заводах не всегда соответствуют нормативным требованиям, в частности, до 60 % пылевых выбросов представлены фракцией до 2 мкм, улавливание которой само по себе представляет известную трудность, причем именно с этой фракцией связано до 80 % выбросов опасных смолистых веществ. В настоящей работе предпринята попытка повысить экологичность процесса электролитического производства алюминия за счет внедрения новых технических решений в системах колокольного газоотсоса.
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ НА АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАВОДАХ Право российских граждан на благоприятную окружающую среду закреплено Конституцией РФ и рядом нормативных документов в области природоохраны и природопользования [1; 2; 3]. Постоянно растущее внимание общественности к экологии обостряет проблему снижения техногенного влияния алюминиевых заводов на природную среду. Как следствие, ужесточаются штрафные санкции за вредные выбросы во всех странах, производящих алюминий. Предприятиями цветной металлургии России в окружающую среду ежегодно выбрасывается около 3 млн т вредных веществ, из которых значительная часть приходится на алюминиевую промышленность. Обусловлено это техническим несовершенством производства и устаревшими технологиями с образованием значительного количества выбросов и отходов [4]. Специфика производства алюминия в России обусловлена эксплуатацией трех типов электролизеров: с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом (ВТ), самообжигающимся анодом и боковым токоподводом (БТ) и с предварительно обожженными анодами (ОА). В настоящее время в России алюминий производится на 11 алюминиевых заводах, в т. ч. на электролизерах ВТ – Братском, Красноярском, Иркутском, Волгоградском и Новокузнецком; электролизерах БТ – Новокузнецком, Кандалакшском, Надвоицком, Уральском и Богословском; электролизерах ОА – Саяногорском, Волховском и Уральском. На долю самых современных заводов, оборудованных электролизерами с ОА и соответствующих международным экологическим стандартам, приходится только 11 % производимого металла. Доминирующим является производство алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами или анодами Содерберга, на долю которых приходится около 85 % отечественного металла. Технология характеризуется более низкой в сравнении с производством на электролизерах с предварительно обожженными анодами себестоимостью производимого металла. В зависимости от состояния рынка сырья и энергии она может составлять 40–140 долл./т Al [5], что является значительной величиной, особенно в периоды экономических кризисов и спадов производства. В течение последних 30 лет рыночная стоимость алюминия испытывала значительные колебания. По истечении периода «хороших рыночных цен», длящегося, как правило, два-три года, следует ценовой спад. В эти периоды, продолжительность которых может достигать семи-восьми лет,
цены на алюминий приближаются к стоимости производственных затрат наименее конкурентоспособных заводов. В кризисы российские заводы, эксплуатирующие электролизеры Содерберга, оказываются в более выигрышном положении вследствие конкурентоспособности по природоохранным требованиям, стоимости производственных затрат и эффективности функционирования. Однако экологические характеристики заводов и их способность соответствовать разумным экологическим стандартам играют все возрастающую роль. Несоответствие экологических характеристик алюминиевых заводов установленным требованиям может стать причиной обращения в ВТО по поводу нечестной конкуренции со стороны производителя, столкнувшегося с большими экологическими проблемами, особенно в кризисные периоды [6]. Одновременно эксплуатация электролизеров с самообжигающимся анодом характеризуется более высокими удельными выбросами загрязняющих веществ, а ужесточение экологических требований к алюминиевому производству, в т. ч. конференции OSPAR (Осло −Париж) [7] (табл. 1.1), заставляют искать пути их сокращения. Таблица 1.1 Требования конференции OSPAR к выбросам алюминиевых заводов, оборудованных электролизерами с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом Наименование ингредиента Выброс, кг/т, Al 2007 г. 2010 г. Фтористый водород 0,5 0,4 Фториды твердые 1,0 0,6 Пыль 2,0 1,0 Бенз(а)пирен 0,015 0,01 Одним из путей решения проблемы может стать перевод действующих алюминиевых заводов с технологии Содерберга на технологию с предварительно обожженными анодами. Однако это мероприятие является длительным, трудоемким и дорогостоящим. По предварительным оценкам, выполненным в первой половине 90-х годов ХХ века, на реконструкцию ОАО «РУСАЛ Красноярск» потребуется более 2 млрд долл. США, ОАО «РУСАЛ Братск» – 2 млрд долл. США и ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» – 600 млн долл. США [8]. В то же время в мировой алюминиевой промышленности достаточно примеров эксплуатации заводов с технологией Содерберга, отвечающих современным экологическим требованиям. Один из них – завод компании Elkem Aluminium в г. Листа (Норвегия), расположенный практически в
жилой зоне. Высокие экологические показатели технологии обеспечиваются как наличием «традиционной» схемы сбора и очистки газов (газосборный колокол – горелочное устройство – «сухая газоочистка»), так и фонарной газоочисткой. Анодные газы, не уловленные газосборным колоколом, собираются в коллекторе, установленном под фонарем корпуса электролиза, и направляются на очистку в «мокрые» скруббера. В скрубберах в качестве очищающего раствора используется морская вода, которая после использования возвращается в море, что делает фонарную газоочистку независимой от поставок сырья и потребности в шламохранилищах, следовательно, экономически доступной [5]. Фонарная газоочистка завода Elkem Aluminium выполнена в виде блоков, пристроенных к корпусу электролиза (четыре на один корпус). Блоки представляют собой капитальные сооружения высотой, соизмеримой с высотой корпуса электролиза, и площадью в несколько сотен квадратных метров, в которых наряду со скрубберами установлены дымососы и насосы орошения и откачки отработанных растворов. Для российских заводов, использующих для «мокрой» очистки газов раствор кальцинированной соды и полигоны для складирования шламов, целесообразность применения фонарной газоочистки вызывает сомнение в силу следующих причин: 1. В условиях отсутствия свободных емкостей потребуется строительство дополнительных дорогостоящих полигонов для складирования шламов. 2. Для 30–40-кратного воздухообмена, обеспечиваемого в настоящее время естественной аэрацией, из-под фонаря корпуса электролиза необходимо удалять 10–13 млн м3 газа в час. Для этого потребуется дополнительно установить 12–16 дымососов с производительностью 900 000–1 000 000 нм3/ч и стоимостью более 8 млн руб. каждый. 3. Для электроснабжения двигателей дымососов, развивающих мощность 4 000 кВт и потребляющих ток напряжением 10 000 В, потребуется строительство дополнительных подстанций. 4. Каждый блок фонарной газоочистки должен включать два «мокрых» скруббера диаметром около девяти метров. Для обеспечения необходимой плотности орошения потребуются насосы, способные обеспечить подачу содового раствора в объеме 2 000–3 000 м3/ч. 5. Дымососы производительностью 900 000–1 000 000 м3/ч представляют собой громоздкие агрегаты массой более 40 т. Для их монтажа потребуется устройство специальных фундаментов, способных погасить создаваемую ими при работе вибрацию, особенно в условиях промерзания грунта зимой, когда вибрационная нагрузка на корпуса электролиза особенно ощутима.
Другие причины, ставящие под сомнение возможность внедрения фонарной газоочистки, – это отсутствие свободных площадей и устаревшая конструкция фонарей корпусов электролиза российских заводов. Заводы с самообжигающимися анодами строились более сорока лет назад, и их межкорпусные дворики проектировались без учета перспектив размещения газоочистного оборудования фонарной газоочистки. Следовательно, разместить такое количество дополнительных единиц громоздкого оборудования проблематично и где-то даже невозможно. Отличительной особенностью корпусов электролиза российских заводов по сравнению с корпусами завода Elkem Aluminium является фонарь, оборудованный фрамугами для регулирования кратности воздухообмена. Обеспечить герметичность фонаря и эффективный сбор газов под ним коллектором практически невозможно. Для герметизации фонаря придется реконструировать крышу корпуса по аналогии с корпусами завода Elkem Aluminium, сделав ее двускатной и расположив под ней газосборный коллектор, играющий роль фонаря. Еще одним препятствием при внедрении фонарной газоочистки на заводах компании «РУСАЛ» являются суровые климатические условия в местах расположения заводов, которые ставят под сомнение возможность эксплуатации фонарных газоочисток в зимнее время года. В эти периоды газ из-под фонаря будет эвакуироваться «холодным», что снизит эффективность его очистки. При этом существует риск замерзания газоочистных растворов [9]. В качестве альтернативы фонарной газоочистке неоднократно предпринимались попытки обеспечить рабочее пространство электролизера вторичным укрытием. Известно множество конструкций укрытий рабочего пространства электролизера с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом, ни одна из которых не нашла широкого промышленного применения [10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21; 22; 23; 24; 25; 26; 27; 28; 29; 30; 31; 32; 33; 34; 35; 36; 37; 38; 39; 40; 41; 42; 43]. Их общие недостатки: − громоздкость и неудобство (трудоемкость) обслуживания; − «незатрагивание» решения проблемы герметизации угловых, самых «проблемных» участков электролизера и компенсации зазора между бортом и анодом, изменяющегося при перемещении последнего; − «незатрагивание» решения проблемы обеспечения электроизоляции укрытий, за исключением случаев использования слоя глинозема в качестве изолятора, обладающего низкой теплопроводностью, следовательно, способного нарушить тепловой баланс электролизера; − «незатрагивание» решения проблемы отвода тепла из-под укрытия, которая с увеличением силы тока до 170–175 кА и выше будет обостряться.
П прини в г. Кр констр − крывае − ства их вается Крыш на отб − тельно ные щ Ри (к ли С оказал глиноз странс Попытка ималась и расноярск рукций (р − простра ется легк − для уме х обслужи стальной ки одним бортовочн − для соз ого подог щели наход ис. 1.1. Сх крышка); 2 ист фланцев Существе лось нали зема (АП стве межд разработ специали ке [44]. рис. 1.1) с анство бо ими съем еньшения ивания по й стацион м торцом ный лист ф здания р грева возд дятся под ема вторич – стальной вого узла ка енным пр ичие на эл Г), бунке ду анодом 7 тать техн истами И Основны следующи орт – анод мными ил я габарит о всему пе нарный п м опираю фланцево азрежени духа, под д укрытие чного укры й стационар атодного ко 7 – стенка репятстви лектролиз ера 5 и му м 7 и бор 8 нологично ТЦ в фил ые отличи ие: д по всем ли шарнир тов съемн ериметру пояс-навес ются на н ого узла к ия под вт дсасываем ем. ытия электр рный навес ожуха; 5 – б а анодного ием при р зере сист ундштука ртом. Это 6 ое и эффе лиале ОО ия разраб му периме рными кр ных (шарн газосборн с 2, подде нижнюю катодного торичным мого в го ролизера: 1 ; 3 – талреп бункер АПГ кожуха разработк темы авто а 6, которы о внесло о 2 6 ективное О «РУС – ботанных етру элект рышками нирных) к ного коло ерживаем часть на о кожуха 4 м укрытие орелку, ее 1 – укрывн п; 4 – отбор Г; 6 – мундш ке и внед оматизиро ые распол определен 1 3 5 укрытие – Инжини и испыт тролизера 1; крышек и окола уста мый талре авеса, дру 4; ем и пре е воздухо ная секция ртовочный штук АПГ; дрении ук ованной п лагаются нные труд 4 5 е предиринг» танных а пере и удобанавлиепом 3. угим – едвариозабор крытия подачи в продности
и сделало невозможным установление по продольной стороне электролизера всех укрывных секций на шарнирах. Результаты инструментальных измерений показали, что содержание вредностей в воздухе рабочей зоны над «укрытым» электролизером при отсутствии обвалов корки на 30−80 % ниже, чем в воздухе рабочей зоны над рядовым («неукрытым») электролизером (табл. 1.2). Оценочные расчеты показали, что была достигнута средняя эффективность сбора анодных газов газосборным колоколом (эффективность ГСК) на уровне 91–93 %. Однако применение укрытий привело к росту температуры корки под ними более чем на 100 °С, что подтверждено результатами математического моделирования тепловых и аэродинамических процессов под укрытиями. В результате участились обвалы корки, что привело к выбиванию анодных газов через щели между укрывными секциями в рабочую зону корпуса электролиза. Согласно работе [45] обвалы увеличивают выбросы фторидов за счет их испарения в 1,2 раза, за счет гидролиза – в 1,4−1,5 раза. При их наличии эффективность улавливания фторидов газосборным колоколом сокращается до 43 %, анодных газов – до 85 % [46]. Таблица 1.2 Концентрации загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны над укрытым и открытым электролизерами, мг/м3 Загрязняющее вещество Электролизер Снижение, % без укрытия с укрытием Фтористый водород HF, 0,453 0,273 39,7 Смолистые вещества, 0,457 0,110 75,9 Бенз(а)пирен 0,0002410 0,0000387 83,9 Пыль 3,117 2,239 28,2 Оксид углерода СО 9,2 4,7 51,1 Кроме этого укрытия отрицательно повлияли на работу горелок. Произошло это вследствие их более интенсивного забивания пылью, уносимой с поверхности корки воздухом, подсасываемым через воздухозаборные щели. Устойчивое горение, наблюдавшееся в начале испытаний, вскоре стало терять интенсивность, вплоть до полного погасания. Чистка горелки под укрытием затруднительна. Для этого требуется частичная разгерметизация электролизера (снятие укрытия), сопровождающаяся увеличением выбросов в рабочую зону корпуса электролиза. Обслуживание съемных укрытий, содержащих значительное количество элементов, трудоемкий процесс. Для их складирования при разгерметизации электролизера требуются специально отведенные места, оборудованные в соответствии с требованиями правил электробезопасности.
В то же время анализ работы конструкции и способов обслуживания системы сбора, эвакуации и обезвреживания анодных газов показывает, что существуют значительные резервы повышения ее эффективности, следовательно, сокращения выбросов, представленных преимущественно оксидом и диоксидом углерода, фтористым водородом и фтористыми солями, диоксидом серы, пылью глинозема и смолистыми веществами. Наиболее проблемными узлами системы являются: газосборный колокол электролизера (ГСК), подколокольное пространство которого подвержено зарастанию отложениями; горелочные устройства, не обеспечивающие полноту дожига горючих компонентов анодного газа; газоходные сети, в которых образуются отложения вследствие скорости газа на уровне, недостаточном для полного увлечения пылевых частиц потоком. По отчетным данным алюминиевых заводов, средняя эффективность ГСК составляет 88–90 %, коэффициент полезного использования (КПИ) горелок 90 %, эффективность дожига СО, бенз(а)пирена и других ПАУ не превышает 80–85 %. Подколокольное пространство электролизера представляет собой газоходный канал, образованный внутренней стороной стенки ГСК, боковой поверхностью анода и поверхностью расплава. Его зарастание отложениями происходит вследствие низкой пропускной способности канала, недостаточной для увеличившегося с ростом единичной мощности электролизеров объема образующихся анодных газов. Неполный дожиг горючих компонентов анодного газа в горелочных устройствах обусловлен избыточно подсасываемым атмосферным воздухом, охлаждающим горелку и снижающим температуру в зоне горения, низкой эффективностью смешения компонентов в зоне горения и малым временем их пребывания в зоне высоких температур. Проблемность газоходных сетей заключается в их аэродинамическом несовершенстве: неравномерности углов ввода спусков в сборный подкорпусной газоход; наличии участков внезапного расширения потока; некорректности мест установки диффузоров, не совпадающих с местами слияния потоков; неравномерности скорости движения потока по длине газоходного тракта. В результате в газоходных трактах образуются пылевые отложения, занимающие значительную часть «живого» сечения газохода. Уменьшение площади поперечного сечения увеличивает сопротивление сети и энергозатраты на эвакуацию газов, тем самым сокращая эффективность газоотсоса. Кроме того, отложения в газоходах способны самовозгораться и тлеть. При этом увеличиваются выбросы в атмосферу оксида и диоксида углерода, последний из которых является «парниковым» газом.