автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при модернизации серий электролизеров содерберга

На правах рукописи

МЕРКУЛОВ Денис Владимирович

СОКРАЩЕНИЕ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ СЕРИЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ СОДЕРБЕРГА

Специальность 05.16,02 "Металлургия черных, цветных и редких металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сапкт - Петербург 2006

Работа выполнена о открытом акционерном обществе «РУСАЛ Всероссийский Ллюмшшспо-магпнспмй Институт» (ОАО "РУСЛЛ ВАМИ")

Научный руководитель кандидат технических паук,

БуркатВ.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Янко Э.А.

кандидат технических наук, Никифоров С.А.

Ведущая организация:

Некоммерческое партнерство "ОБЪЕДИНЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ АЛЮМИНИЯ" (НП "АЛЮМИНИЙ")

Защита состоится 27 декабря 2006 г. в 14.00 па заседании диссертационного совета КР 520.006.01 в открытом акционерном обществе «РУСАЛ Всероссийский Ллюмнниево-магписвый Институт» (ОАО "РУСАЛ ВАМИ") по адресу: 199006, г. С. Петербург, ВО, Средний пр.д.86, факс: (812)320-5101

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО "РУСАЛ ВАМИ".

Автореферат разослан 27 ноября 200бг,

Ученый секретарь л

диссертационного совета, Ну/2 р /

кандидат технических наук » пи с^"" /Мельникова ^В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Производство алюминия электролизом криолито-глинозем но го расплава является источником поступления в атмосферу загрязняющих веществ — фтористых и сернистых соединений, пыли, оксида углерода, смолистых веществ, в т.ч. бенз(а)пирена и др. Это связано с особенностями технологии промышленного получения алюминия, при котором используются такие сырьевые компоненты, как фтористые соли, сернистый кокс, каменноугольный пек и др. В настоящее время подавляющая масса алюминия в РФ производится на заводах, оборудованных электролизёрами Содерберга. Будучи передовой технологией на момент строительства таких крупных заводов, как Братский, Красноярский и др., технология Содерберга в настоящее время существенно уступает технологии электролиза с применением обожженных анодов по технико-экономическим и особенно по экологическим показателям. Перевод заводов, оснащённых электролизёрами Содерберга на обожженные аноды требует больших инвестиций и может быть осуществлено только в отдалённой перспективе. В то же время улучшение экологической ситуации не терпит отлагательства. Скорейшее улучшение экологической ситуации может быть обеспечено только при модернизации серий электролизёров Содерберга, характеризующейся комплексным подходом к проблеме сокращения выбросов, загрязненных стоков и отходов, охватывающем всю технологическую цепочку -от технологии производства алюминия до газоочистки.

Конечной целью модернизации серий электролизёров Содерберга является сокращение выбросов до уровня ПДВ (предельно-допустимых выбросов), т.е. обеспечение гигиенических нормативов качества воздуха. В тоже время отсутствует методология научно-обоснованного выбора оптимальных технических решений по модернизации электролизёров Содерберга, который может быть сделан только на основании инструментального и расчётного определения экологической эффективности индивидуальных мероприятий по модернизации и их комплексов. В отечественной практике отсутствуют репрезентативные данные по экологическим показателям комплекса « серия электролиза Содерберга - сухая газоочистка». Научный и практический интерес представляет исследование возможностей улучшения экологических параметров электролизёров Содерберга. Целью и задачами работы являются:

экспериментальное исследование экологических показателей комплекса "корпус электролиза — сухая газоочистка"; усовершенствование методов определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и к.п,д, колокольного газоотсоса ; разработка и экологическая оценка методов сокращения выбросов

загрязняющих веществ из аэрационных фонарей электролизных корпусов и дымовых труб, включая повышение к.п.д. укрытия и сухой газоочистки;

разработка математической модели компактного адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов;

математическое моделирование экологических параметров комплексов природоохранных мероприятий с оценкой их суммарной экологической эффективности. Методы исследования

экспериментальные, включая инструментальное определение выделений загрязняющих веществ от корпусов электролиза, оборудованных электролизерами Содерберга, в систему организованного отсоса и аэраиионные фонари с применением современных методов исследования - лазерной спектроскопии, потенциометрии, флюориметрии и др.; хронометраж технологического состояния электролизёров, натурные измерения температурного поля корпуса электролиза и поля скоростей воздушных потоков аэрационного фонаря; расчётно-аналитические, в том числе использование методов статистического анализа и математического моделирования. Научная новизиа

Впервые выполнено исследование экологических параметров промышленного комплекса " корпус электролиза — сухая газоочистка" с оценкой материального баланса загрязняющих веществ.

Разработана методология расчёта образования избыточного электролита в электролизёре при возврате фторированного глинозёма в электролизёр после сухой очистки с учётом щелочи, поступающей со свежим глинозёмом.

На основе экспериментальных исследований усовершенствована методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу через аэрационные фонари и эффективности колокольного газоотсоса.

Впервые разработаны, испытаны и экологически оценены мероприятия по сокращению выбросов в атмосферу через аэрационные фонари и дымовые трубы.

Разработана математическая модель адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов, позволяющая оптимизировать работу газоочистных установок.

Впервые выполнено математическое моделирование экологической эффективности комплексов мероприятий по достижению ПДВ на заводах большой мощности, оборудованных электролизёрами Содерберга. Практическая ценность

Б первые в масштабе корпуса электролиза определена экологическая

эффективность технологических (автоматическое питание глинозёмом (ЛПГ), технология обслуживания) и природоохранных (сухая газоочистка и др.) мероприятий. Определён комплекс экологических показателей -валовые и удельные выбросы фтористых и сернистых соединений, оксида углерода, пыли, смолистых веществ, в т.ч. бенз(а)пирена, к.п.д. колокольного газоотсоса хрономегражным, фторидным и углеродным методами.

Выявлен вклад отдельных технологических операций в величину выбросов в атмосферу через аэрацнонные фонари.

Разработана математическая модель компактного щелевого реактора для установок сухой очистки электролизных газов, что позволило повысить их эффективность и конкурентоспособность. Промышленные установки сухой очистки газов с щелевым реактором внедрены па Красноярском алюминиевом заводе и эксплуатируется с высокой эффективностью.

Усовершенствованы методы определения выбросов в атмосферу через наиболее опасные низкие линейные источники — аэрацнонные фонари электролизных корпусов и эффективности колокольного газоотсоса.

Выполнено математическое моделирование вариантов модернизации серии электролизёров Содерберга. Результаты моделирования использованы при выборе проектных решений по модернизации крупнейших алюминиевых заводов мира - Красноярского и Братского. Реализация и внедрен не результатов работы

Результаты работы внедрены на ОАО "РУСАЛ - Красноярск" и использованы в проектах модернизации алюминиевых заводов, оборудованных электролизёрами Содерберга. Личный вклад автора

Автором выполнены экоаналитическпе измерения выбросов загрязняющих веществ от электролизёров Содерберга при различных режимах их работы, выполнена расчётная экологическая оценка вариантов модернизации серий электролизёров Содерберга, проведены работы по разработке и внедрению щелевого реактора для сухой очистки электролизных газов, а также мероприятий по сокращению выбросов в атмосферу от электролизёров Содерберга. Апробация работы

Основные положения работы изложены и обсуждены па Межлупа-родных научно-технических конференциях молодых специалистов и учёных алюмлнневой, магниевой и электродной промышленности (г. Санкт-Петербург, 2000, 2002, 2003 гг.), научно-практической конференции «Алюминий Урала »{г. Краснотурьинск, 2001г.). международной конференции «Алюминий Сибири» (г.Красноярск, 2004г.), научно-практической конференций «Проектирование и внедрение новых технологий на предприятиях цветной металлургии» (г. Санкт-Петербург, 2005 г).

Публикации

Основное содержание работы (пложено в 3 научных публикациях. Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы (90 наименований) и приложений.

Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 20 таблиц. На защиту выносятся:

1. результаты экспериментальных исследований экологических показателей промышленного комплекса «корпус электролиза Содер-берга - сухая газоочистка»;

2. усовершенствованные методы определения выбросов загрязняющих веществ через аэрационные фонари электролизных корпусов и к.п.д. колокольного газоотсоса;

3. математическая модель прямоточного адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов;

4. результаты разработки и оценки экологической эффективности методов сокращения выбросов загрязняющих веществ из корпусов электролиза Содерберга.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава посвящена анализу экологических показателей электролизёров Содерберга на заводах в РФ и за рубежом. Приведены сведения об отечественных и зарубежных данных по выбросам в атмосферу при производстве алюминия. Показано различие в подходах к нормированию выбросов в атмосферу, принятых в РФ и в наиболее развитых странах. Проанализированы причины напряжённости экологической ситуации в районах расположения алюминиевых заводов, оборудованных электролизёрами Содерберга.

Показано, что к.п.д. колокольного газоотсоса на действующих электролизёрах Содерберга, как правило, не превышает 80 - 85%, что приводит к значительным выбросам загрязняющих веществ через аэрационные фонари. Приведена характеристика установок очистки газов, удаляемых от колокольных укрытий электролизёров Содерберга. Показано, что действующие на большинстве серий электролиза двухступенчатые газоочистные установки устарели морально и физически. Эксплуатационная степень улавливания загрязняющих веществ недостаточна. Для регенерации фтор-солей применяется гидрохимическая переработка растворов газоочистки. При этом регенерируются только газообразные фториды. Мокрая очистка газов связана с использованием шламовых полей, на которые выводят растворы, содержащие уловленную пыль и сульфат натрия. В России, как и в наиболее развитых странах, для очистки электролизных газов разработаны

и применяются аппэратурно-технологические схемы сухой очистки газов, основанные на адсорбции фторидов и поп и циклических ароматических углеводородов глинозёмом. В главе показаны преимущества и недостатки * существующих установок сухой очистки. Отмечено, что при эксплуатации электролизёров Содерберга использованы не все резервы для сокращения выбросов загрязняющих веществ через аэрационные фонари и дымовые трубы, повышения эффективности и компактности газоочистных установок. Показано, что отсутствует системный подход к реализации мер по сокращению загрязнения атмосферного воздуха в районе расположения алюминиевых заводов путём оптимизации технологических и природоохранных мероприятий.

Вторая глава посвящена описанию методов исследования экологических показателей серий электролизёров Содерберга и методологии проведения экологической оценки вариантов их модернизации. Применены современные методы экоаналитических измерений, включая потенциомет-рию, фотометрию, флюориметрию, лазерный газоанализатор "Ьакп', автоматические газоанализаторы «Каскад», «Автотест» и др. Для экологической оценки модернизации серий электролизёров использовано математическое моделирование с использованием программ «УПРЗА -Экогтог». Применение современных методов экоаналитических измерений и математического моделирования позволило повысить достоверность и информативность результатов.

В третьей главе изложены результаты исследования экологических параметров промышленного комплекса "корпус электролиза Содерберга -сухая очистка колокольных газов". Основными экологическими параметрами являются: выбросы фтористого водорода, твёрдых фторидов, диоксида серы, пыли, смолистых веществ, в т.ч. бе нз(а)п прей а, оксида углерода через аэрационные фонари и дымовые трубы; к.п.д. системы колокольного газоотсоса; содержание загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны электролизного корпуса. Взаимосвязь указанных параметров представлена на примере наиболее характерных для электролитического получения алюминия компонентов - фтористого водорода и твёрдых фторнлов (рис.1).

с

С^чш*«»«!«

Э^ктрмнкр

Г.." Гщ"

г»'

V

I

Улов Рн к

Сумы« чистм

г,™

Улрн

в <и гм

Мокрая очистки

I

Л

Рпс.1, Схема потоков фторидов в комплексе «корпус электролиза -сухая газоочистка от фторндовоП пыли— мокрая очистка газов от диоксида серы»

Представляя влияние основных факторов па величину выброса в виде уравнений: Р„.г = П - Р,

М1р = Мго-Муя= Рпг*П«о,(1 - КПД,,,),

М„ = Мф + Мф - Р„, (] - КПДач) Здесь п на рис. I:

П -приход фора с фторсолямн; Р - потери фтора {уг. пена, транспортные и пр.); Рп,г. - расход фтора с пылью и газами; п*™ — эффективность газоотсоса; КПДоч - эффективность газоочистки; М„ - выделения в систему организованного отсоса;

МуЯ — количество фтора, улавливаемого газоочисткой; Мф — выброс через фонарь;

Мтр — выброс через трубу; М|т — выброс в атмосферу(туба + фонарь).

можно констатировать, что основное влияние на величину выбросов через аэраиионные фонари оказывают выделения И из электролюёра с пылью и газами и к.п.д. колокольного газоотсоса.

Исходя из приведенного баланса разработан алгоритм расчета избытка массы электролита (кг/т А1), накапливающегося в процессе электролиза, при возврате в электролизёры фторированного глинозёма - продукта сухой очистки газов, в зависимости от содержания ИагО в свежем глинозёме (табл.1).

Таблица 1

Алгоритм расчета избытка массы электролита (кг/т А1)

Наименование Обозначение Формула для расчёта

Суммарная потребность во фториде алюминия для нейтрализации №¿0 в свежем глинозёме Ра* Ра' = 0,903(6/к + 2}РГ&<. где: Рг" - удельный расход глинозёма, кг/т А1; Д» - массовая доля Ыа20 в свежем глинозёме, доли, е д.; к - криолитовое отношение электролита.

Масса электролита, образующегося при нейтрализации ХагО в свежем глинозёме Р/ Рэг= 1,3548((2+к)/к + 2)Рге'Дн

Масса фтора, выделившегося из эл-ров в виде пыли и газа Рф"Г РфЛ,= Пфсо/(Эп(*ЭфСО) где: Пф" -масса фтора, улавливаемого в сухой газоочистке, кг/т А1; Э„ - к.и.д. системы газоотсоса; Эл,™ - к,п.д. сухой газоочистки

Масса фтора в виде Ргаз (!№, А^з) в продуктах сухой очистки псфгм Пефг" = Пф"0,6 где: ПфС - масса фтора, возвращаемого с фторированным глинозёмом, кг/т А1

Масса А1Р3, образующегося из Ргаз в аппаратах сухой очистки, и возвращаемого в электролизёры Пафг"

Масса фтора в виде ЫаР*АШ3, уловленного в аппаратах сухой очистки из Ртв П Фтвс 1 '«»г П^^Пф^СМ

Массовая доля фтора во фторалюминате натрия состава ЫзР*А1РЗ(крнолнтовый модуль Ш" 1) Дфт Дфт = 0,4524 (т+3)/(т+2)

Масса фторалюмината натрия состава ЫаР*А1РЗ из фторированного глинозёма поступаюшего в эл-ры п с 1 'возг п™^ Пм„ф,к/Дфт

Масса фторалюмината натрия с модулем "к", отвечающему составу электролита входящему в состав ПеМ1Г по схеме: шМаР*А1ГС = (ш/к)(ШаР*АШЗ)+(1-т/к)А1РЗ п*™ п^ = Пв<игс*т(к+2)/{к(гл+2))

Масса А1РЗ, возвращаемая в эл-ры из Пстог мзг _ |-| с |-| еоэг ' 'ас " 1 '»я " 1 'ас

Всего масса А1РЗ, возвращается в эл-ры с фторированным глинозёмом л8° Пас = Пафг" + Пасв03Г

Масса технического триф-торида алюминия, вносимого в процесс электролиза Ра Ра= Ра'-Пае

Масса фтора, вносимого с техническим трифторидом Р8Ф РаФ= Ра/0,65

Суммарное количество электролита, поступающее в электролизёры л, па = п/ + п^амг

Массовая доля фтора в электролите с криолнтовым модулем к = 2,3 Дф9 Дфэ = 0.4524 (к+3)/(к+2)

Всего накоплено электролита сверх баланса р изо Р^Рф^/Дф'. где: РфИ1<" - масса фтора в избытке электролита, кг/т Л1

Для определения параметра Рф", характеризующего выбросы через аэрациониые фонари, были выполнены исследования аэродинамики газовых потоков, поступающих в атмосферу через аэрациониые фонари к инструментальное определение содержания в них загрязняющих веществ. Поле скоростей воздуха в горловине аэрациокного фонаря имеет сложную пространственную конфигурацию (рис. 2) с параболической формой поперечного сечения, аппроксимируемой зависимостью у = 0,0055х1 - 0,1425х + 1,3746,

где у — скорость воздуха, м/с; х — расстояние от края горловины до середины поперечного сечения фонаря, м.

Рис.2 Поле скоростей воздуха п горловине аэраинонпого фонаря

Исследования проводили в корпусе электролиза, оснащённом электролизёрами Содерберга на силу тока 171,5 кЛ и системами автоматического питания глинозёмом АПГ. Средние по сечению замерного участка горловины фонаря скорость фонарных газов составила 0,73 м/с, количество фонарных газов в расчёте на корпус электролиза составило 15576514 11М3/ч. В связи со сложностью и трудоёмкостью инструментального опре-

деления объёма фонарных газов разработан расчётно-инструментальный метод определение количества фонарных газов на основании укрупнённого теплового баланса электролизного корпуса. При этом исходили из уравнения, предложенного для определения тепловыделений от электролизёров в атмосферу корпуса (Цыбуков И.К. и др.):

X) <3,,. = {^г1 [100• V + (0.642• М-1,983)-п]-0,34{[„, -1• п■ 4,187,кДж/ч

где: I - сила тока, А; V - среднее падение напряжения на электролизере, В; Г| - выход алюминия по току, %; 1 г„- температура газов газоотсоса электролизера на выходе из корпуса, "С; I Н]я— температура воздуха на входе в корпус, °С; ч - объём газоотсоса электролизера, нм3/час; М — расход анодной массы, кг/кг А1; п — количество работающих электролизеров в корпусе, шт.

С другой стороны количество тепла, ассимилируемого воздухом, поступающим в корпус и удаляемого в атмосферу общеобмениой вентиляцией, можно представить в виде:

С? = сгп(1фт - 1вот), кДж/ч

где: с - теплоёмкость воздуха, кДж/кг град; ш - масса воздуха, удаляемого общеобменной вентиляцией, кг/ч; Ц,г - температура воздуха общеобменной вентиляции (фонарных газов), "С.

Изуравнення: Х'Зт. = С> = ст(1ф г - 1Ю5Л) , кДж/ч

можно найти "т", равное: Ш =-—-, кг/ч

(Цг. — ^вом )'с

Объём фонарных газов определяется из следующего уравнения:

где: р„„ - плотность воздуха при н.у., кг/ им*.

Пример: количество фонарных газов в период исследований при температуре воздуха на входе в корпус - 6°С, температуре газов газоотсоса электролизера на выходе из корпуса +120°С н температуре фонарных газов + 3°С составило 14122510 нм3/ч, что показало удовлетворительную сходимость с инструментально измеренной величиной (расхождение находится в пределах 9 %).

Измеренные величины выбросов фтористых соединений в период исследований составили, в среднем, кг/т Л1: через аэрационные фонари 1,8; через дымовые трубы 0,02.

Из полученных данных следует, что при сухой очистке колокольных газов 99 % выбросов фтористых соединений приходится на выброс через аэрационные фонари.

В четвёртой главе приведены результаты определения величины к.п.д, колокольного газоотсоса и влияние на неё различных факторов.

К.п.д. колокольного газоотсоса является одной из важнейших величин, влияющих на уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Отсутствие оперативных методов определения к.п.д. колокольного газоотсоса лишает персонал предприятия возможности принимать управленческие и технологические решения по повышению к.п.д, колокольного газоотсоса. В настоящей работе к.п.д. колокольного газоотсоса определяли: фторидным, углеродным и хрономегражным методами.

Фторидный метод предусматривает определение количества фторидов, удаляемых системой организованного отсоса , и поступающих в

атмосферу через аэрационные фонари т

Пу

Углеродный метод определяет цс как соотношение количества оксидов углерода, удаляемых организованным отсосом в пересчёте на углерод Сорг к базовому теоретическому количеству углерода анода, подвергающемуся окислению Со:

П

С

Хрономегражный метод, изложенный в нормативной литературе, основан на определении доли времени каждой технологической операции, сопровождающейся разгерметизацией электролизёра, и эффективности систем отсоса при этих операциях.

Усреднённые результаты определения колокольного газоотсоса различными методами в корпусе электролиза Содерберга, оснащённого ЛПГ и сухой газоочисткой, составили: 90,18 % - хрономегражным методом; 90,23 % — фторидным н 90,49 % - углеродным.

Наиболее надёжным является фторидный метол, однако он же является наиболее трудоёмким, и может применяться лишь эпизодически. С целью оперативной оценки к.п.д. колокола разработана модификация фто-рндного метода.

Разработанная методика экспрессной оценки к.п.д. колокольного газоотсоса базируется на следующих допущениях: 1) при стабильных параметрах работы электролизёров тепловыделения от них в рабочую зону

корпуса электролиза можно считать постоянными; 2) в ограниченный временной период, как показывает практика, перепад температур воздуха на входе в корпус и выходе из аэраиионного фонаря колеблется незначительно; 3) так как при постоянной величине тепловыделений от электролизёров перепад температур воздуха на входе в корпус и выходе из фонаря функционально связан с объёмом фонарных газов, при допущениях 1 и 2 объём фонарных газов с достаточным приближением при неизменном положении фрамуг в ограниченный временной период можно считать постоянным^) объём газов организованного отсоса в отсутствии нарушений регламента работы газоочистных установок является величиной постоянной.

Преобразуя выражение для определения к.п.д. колокольного газоотсоса, получим:

8

где С„ - концентрация общего фтора в системе организованного отсоса, мг/нм3; У0 - объём газов организованного отсоса, нм3/ч; Сф - концентрация общего фтора в фонарных газах, мг/нм'; Уф - объём фонарных газов, нм'/ч.

Исходя из допущений 1 - 4 можно считать, что Уф = К ■ V,, нм3 /ч .

Ср-У Ср Тогда п'=-г--= , %- •

С' ■ У0 + Сф ■ V,, * к с:+с;-к

Из изложенного следует, что для оценки Г|у достаточно однократно

опредешгть "К" и затем, измеряя концентрацию общего фтора в фонарных газах и в газах организованного отсоса, с достаточным приближением вычислять величину к.п.д. колокольного газоотсоса.

СГТ1>

При известном соотношении ц = —, доли ед., в газах организо-

с0

сГ"

ванного отсоса и q| = —у_ (ДОли ед., в фонарных газах, определённом С+

экспериментально, выражение для может быть преобразовано в виде:

=___С-(!+я)

1у

с1,р(1+ч)+с;,р(1+Ч1)к

Тогда для определения к.п.д. колокола достаточно измерить содержание фтористого водорода в газах организованного отсоса и в фонарных газах.

Изложенное может быть продемонстрировано на следующем примере электролизного корпуса, оснащённого электролизёрами Содерберга.

= 15000000 нмЗ ;Ve = 79800 нмЗ/ч ; К = 188 Величина к.пл. колокольного газоотсоса при различных концентрациях Роб« приведена в табл. 2.

Таблица 2

Зависимость к.п.д. колокольного газоотсоса электролизёров от концентрации фторидов в системе организованного отсоса и аэрационном фонаре корпуса электролиза

К С/, мг/нм1 400 450 500 550 600

Сфг, мг/нм3 К.П.Д. укр, доли ед.

0,250 0,895 0,905 0,914 0,921 0,927

0,500 0,810 0,827 0,842 0,854 0,865

0,750 0,739 0,761 0,780 0,796 0,810

1.000 0,680 0,705 0,727 0,745 0,761

1,250 0,630 0,657 0,680 0,701 0,719

188 1.500 0,587 0,615 0,639 0,661 0,680

1.750 0,549 0,578 0,603 0,626 0,646

2.000 0,515 0,545 0,571 0,594 0,615

2,250 0,486 0,515 0,542 0,565 0,587

2,500 0,460 0,489 0,515 0,539 0,561

2,750 0,436 0,465 0,492 0,515 0,537

3,000 0,415 0,444 0,470 0,494 0,515

Влияние к.п.д. колокольного газоотсоса на концентрацию фторидов в фонарных газах и соответственно их выбросы через аэрацнонные фонари хорошо видно на трехмерной диаграмме (рис. 4), позволяющей качественно и количественно оценить необходимую величину к.п.д. колокольного газоотсоса для достижения заданной величины выбросов.

Рис.4 Зависимость к.пл. колокольного газоотсоса электролизёров от концентрации фторидов в системе организованного отсоса и аэраци-ониом фонаре корпуса электролиза

Исходя из того, что к.п.д. колокольного газоотсоса, измеряемое за определённый период времени эксплуатации электролизёров, является аддитивной величиной, в работе предложена методология оценки вклада каждого технологического состояния электролизёра в разгерметизацию электролизёров и в величину выбросов загрязняющих веществ через аэра-ционные фонари.

* .

Для этого реализовано выражение ^(1 — 7)= ^^О-7,)-—

» Г

где: Рпг - расход фтора в виде пыли и газа, кг/т Л); г| - эффективность укрытия электролизёров, доли ед.; Т|; — эффективность укрытия электролизёров для каждого технологического состояния доли ед. ; - продолжительность каждого технологического состояния электролизёров, мин; Т -суммарное время хронометража электролизёров, мин.

Исследования показали, что при л « 90 % вклад отдельных технологических состояний электролизёра составляет (см. рис. 5):

Рис.5 Вклад основных технологических операций на электролизере в величину фонарных выбросов

Существенный вклад в выбросы состояния электролизёра, характеризующегося наличием "дымков", в определенной степени даёт представление о направлениях повышения к.п.д. колокольного газоотсоса и показывает приоритетность создания методики обслуживания электролизёров, предусматривающей оперативную ликвидацию (засыпку) "дымков", обвалов корки и других неплотностей.

В пятой главе изложены результаты разработки и определение экологической эффективности дополнительных мероприятий по сокращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от электролизёров Содерберга и экологической оценки вариантов модернизации серий электролизёров Содерберга на заводах большой мощности.

Для улучшения экологической ситуации на заводах, оборудованных электролизерами Содерберга, рассмотрена принципиальная возможность реализации ряда основных направлений .

Сокращение выбросов загрязняющих веществ через аэрационные фонари электролизных корпусов путём создания вторичных укрытий Создание дополнительного (вторичного) укрытия, перекрывающего пространство между колоколом и бортом электролизера таким образом, что под этим укрытием оказываются и всасывающие отверстия горелок позволит:

- создать небольшие разряжения в пространстве над коркой электролита под съемными крышками;

- обеспечить удаление части загрязняющих веществ, выделяющихся мимо колокола, и подачу их в систему организованного газоотсоса через воздухоподводящие отверстия горелочных устройств;

- обеспечить подачу в воздух о под водящие отверстия горелочных устройств подогретого воздуха.

Вторичное укрытие представляет собой конструкцию в виде легких съемных и откидных крышек, перекрывающих пространство «борт-анод» (рис. 6). Высота укрытия выбрана таким образом, чтобы щели горелок в торцах находились под укрытием, исключая подсос воздуха в горелки извне.

Рис. 6. Внешний вид укрытия Измерения проводили на электролизере без вторичного укрытия и укрытом электролизере (с вторичным укрытием). Индикатором эффективности было количество 5С>1 в газах, удаляемое системой колокольного газоотсоса. Установлено, что от электролизера с вторичным укрытием удалялось - на 30% больше БО^, чем без него, что доказывает, что вторичное укрытие способствует повышению общего к.п.д. системы газоотсоса.

Уменьшение содержания загрязняющих веществ над укрытым электролизером в сравнении с выделениями загрязняющих веществ от открытого электролизера показано на примере выбросов газообразных фторидов н электролизной пыли на диаграммах рнс.7,8:

Гис.7 Результаты определения концентрации НГ над укрытым и от кр ыты м э л е ктро л ■ I зер а м и

Рис. 8 Результаты определения концентрации пыли над укрытым и открытым эл-рамн

Температура воздуха, поступающего в горелочные устройства при наличии укрытий, значительно выше, чем на открытых электролизерах;

это способствует улучшению работы горелок — меньше охлаждается газовоздушная смесь в горелке, горелка горит ровнее, пламя распространено по сечению горелки более равномерно.

Оптимизации работы адсорбера для установок сухой очистки газов путём создания математической модели протекающих в адсорбере прочес-

сов массопереноса С целью реализации этого направления по повышению очистки газов разработана математическая модель адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов. В рамках модельных представлений в аппарате рассмотрены два восходящих потока: газа и твердого адсорбента, между потоками происходит массоперенос, В каждом сечении аппарата газ движется в вертикальном направлении с одинаковой средней скоростью. Показано, что при попадании частиц глинозема в поток газа время их разгона до постоянной скорости пренебрежимо мало в сравнении со временем пребывания в адсорбере. Поэтому было принято, что скорость частиц в вертикальном направлении равна разности между средней скоростью газа и скоростью витания частиц. Для оценки скорости витания рассмотрена задача обтекания частиц потоком газа, коэффициенты сопротивления взяты из литературных источников. Сорбцнонную емкость определяли из экспериментальных кривых изотерм адсорбции с последующей их аппроксимацией в приближении изотермы Ленгмюра. Оценка скорости адсорбции, которая была отнесена к единице массы адсорбешга, выполнена на основе литературных данных по массопереносу и динамике адсорбции. В условиях прямотока уравнения математической модели в конечном итоге сводятся к одному дифференциальному уравнению материального баланса по фтористому водороду в газовом потоке.

и(р,х,У,С,С£0,тР>-с(М,С)-5(Ь)

<1Н

У-Сё0

и(р,х,У,С,СЕ0) := К

20 1000

(1-х)

( у-сео-х > у-сго-х *

о

""них у "Чгах Я .

с(М.О) :=

Где: х-степеиь адсорбции НИ; 11-координата по высоте адсорбера, м; и(р,х,У,0,С£0) - скорость адсорбции, г 1Ш(с*г адсорбента); с(ЬДО)-концентрацня адсорбента на высоте Ь, г/м1; 5{Ь)-горизонтальное сечение абсорбера на высоте Ь, м2; V-расход газа, м'/с; С«0 - начальная концентрация НИ в газе, г/м3; в - массовый расход адсорбента, г/с; р - приведенное к стандартному состоянию давление; ¿-диаметр частиц, м; К - константа

скорости процесса, г НР/(с*гадсорбента);20 и 22.4/1000- молярные масса и объем НР; т™,- масса адсорбированного НР, отвечающая монослою, г/г; Р- константа адсорбционного равновесия; V)-скоростъ газа в сечении, м/с; скорость витания частиц, м/с.

При правильной оценке константы скорости адсорбции и массы адсорбента в единице объема аппарата результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, и математическую модель можно использовать для анализа и оптимизации режимов работы адсорбера в широком диапазоне изменения технологических параметров. Для роста производительности адсорбера необходимо увеличить расход очищаемого газового потока, что приведет к снижению степени адсорбции. Чтобы этого не произошло увеличивают концентрацию адсорбента в восходящем потоке путем увеличения его расхода на входе. В целях увеличения концентрации и степени использования адсорбента в аппарате устанавливают организующие насадки. Эффективными могут быть только плохообтекае-мые насадки, вызывающие образование масштабных турбулентных вихрей, которые захватывают и концентрируют частицы адсорбента и благодаря которым возникают обратные пылегазовые потоки. Разработанная математическая модель применима и для адсорберов с насадками. Экспериментально определённая степень адсорбции фтористого водорода в адсорбере составила 99%, что соответствует расчётной величине.

С учетом результатов проведённых исследований и литературных данных выполнена экологическая опенка направлений модернизации заводов, оборудованных электролизерами Содерберга. Оценка проведена на примере одного из крупнейших в мире алюминиевых заводов. Для определения экологической эффективности природоохранных мероприятий было выполнено математическое моделирование выбросов в атмосферу и рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. В качестве критериев при экологической оценке вариантов модернизации используется степень достижения ПДВ.

В данной работе оценена экологическая эффективность ряда вариантов модернизации серий электролиза. Ниже приводятся основные из них: вариант 1— ОА — перевод на обожженные аноды, «сухая» очистка электролизных газов; вариант 1-ВТ - совершенствование технологии Содерберга, к.п.д, системы газоотсоса 90%, внедрение сухих и модернизация мокрых газоочисток; вариант 2-ВТ — совершенствование технологии Содерберга, применение вторичных укрытий, к.п.д. системы газоотсоса 93%, внедрение сухих и модернизация мокрых газоочисток; вариант 3-ВТ — совершенствование технологии Содерберга, применение электролизеров повышенной герметичности, к.п.д. системы газоотсоса 95%, внедрение сухих и модернизация мокрых газоочисток;

При проведении экологической оценки вариантов модернизации выявлено следующее: перевод на обожженные аноды обеспечивает сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу до уровня, при котором их концентрации в приземном слое на границе СЗЗ и в жилой зоне ниже или на уровне ПДК (вариант 1 — ОА); совершенствование технологии Со-дерберга позволяет осуществлять поэтапное сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу; повышение к.пл. колокола на электролизерах Содерберга до 90% с оснащением корпусов электролиза сухой и мокрой очисткой газов недостаточно для достижения ПДК загрязняющих веществ на границе СЗЗ и в жилой зоне по фторидам газообразным, бенз(а)пирену и группе суммации НИ + 502 (вариант 1 - ВТ); оборудование электролизеров Содерберга с колокольным дополнительным вторичным укрытием с общим к.п.д. 93%, сухой и мокрой очисткой электролизных газов позволяет существенно сократить выбросы, однако, концентрации загрязняющих веществ на границе СЗЗ и в жилой зоне выше ПДК (вариант 2 — ВТ). В частности, имеет место превышение ПДК по бенз(а)пирену, фторидам газообразным и группе суммации НР + 502; вариант модернизации (3-ВТ), предусматривающий совершенствование технологии самообжнгающихся анодов с применением укрытий электролизеров, обеспечивающих к.п.д. укрытий электролизеров не ниже 95%, оснащение корпусов электролиза сухими газоочистками с мокрым хвостом обеспечивает концентрации загрязняющих веществ на границе СЗЗ и в жилой зоне ниже или на уровне ПДК. Выбросы в атмосферу не превышают ПДВ. С экологической точки зрения вариант может быть рекомендован для модернизации крупных алюминиевых заводов с электролизерами Содерберга.

ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ экологической ситуации в районе расположения алюминиевых заводов Содерберга. Выявлены основные факторы, вызывающие напряженность экологической ситуации. Показано, что использованы не все резервы для сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Является актуальным исследование и внедрение методов улучшения экологических показателей серий электролизёров Содерберга и методов их оперативного контроля.

2, Выполнено исследование экологических показателей промышленного комплекса «корпус электролиза-сухая газоочистка». Определены выбросы фтористых и сернистых соединений, пыли, смолистых веществ и др. в атмосферу, проанализированы балансы загрязняющих веществ, выявлены возможности сокращения безвозвратных потерь, ведущих к загрязнению окружающей среды.

3. Разработана методология расчётного определения избыточного количества электролита, получаемого в электролизёре при возврате в него фторированного глинозёма после сухой очистки, с учётом содержания щелочи в глиИозёме.

4. Усовершенствованы методы определения основных экологических параметров — выбросов фторидов и других загрязняющих веществ через аэрационные фонари электролизных корпусов и эффективности колокольного газоотсоса. Для определения к.п.д. колокола предложены модифицированные фторидный, углеродный и хронометражный методы. Это позволяет повысить эффективность производственного контроля и обеспечивает возможность оперативного принятия мер по сокращению выбросов.

5.Предложен и испытан метод сокращения выбросов через аэрационные фонари, предусматривающий оборудование электролизёров съёмными вторичными укрытиями, позволившими сократить выделения загрязняющих веществ в атмосферу корпуса — на 30 %.

6. Разработана математическая модель адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов, позволяющая оптимизировать процессы мас-сопереноса при адсорбции фтористого водорода глинозёмом. Адсорбер внедрён в производство и обеспечивает высокую эффективность очистки электролизных газов.

7. Выполнены экологическая оценка вариантов модернизации серий электролизёров Содерберга. На основании математического моделирования на примере одного из крупнейших в мире алюминиевых заводов показана возможность достижения нормативов выбросов и улучшения экологической ситуации при проведении ряда технологических и экологических мероприятий, в т.ч. повышение к.пл. колокола до 95% и применение высокоэффективной сухой очистки электролизных газов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Смола П.В., Меркулов Д.В., Мхчан Р.В. «О проведении инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в алюминиевой промышленности». Тезисы докладов «Международной научно-технической конференции молодых специалистов и учёных алюминиевой, магниевой и электродной промышленности», ОАО ВАМИ, С-Пб, 2000 г.

2. Меркулов Д.В., Мхчан Р.В. «Расчёт выбросов загрязняющих веществ при электролизе алюминия с использованием персональных компьютеров», Тезисы докладов «Международной научно-технической конференции молодых специалистов и учёных алюминиевой, магниевой и электродной промышленности», ОАО ВАМИ, С-Пб, 2000 г.

3.Мхчаи Р.В., Смола П.В., Меркулов Д.В., Смола В.И., Буркат B.C., Мн-супа И.И., Третьяк Л.Я., Мурсалнмов М.М., Струиипа Л.П, «О классификации п систематизации твердых отходов на алюминиевых заводах Росс и и» .Тез псы докладов «Международной научно-технической конференции молодых специалистов и учёных алюминиевой, магниевой и электродной промышленности», ОАО ВАМИ, С-Пб, 2000 г.

4. Меркулов Д.В., Смола В.И., Буркат B.C., Зорько И.В. «Промышленные испытания установки сухой очистки колокольных газов на Братском алюминиевом заводе». Тезисы докладов «Международной научно-технической конференции молодых специалистов и учёных алюминиевой, магниевой и электродной промышленности», ОАО ВАМИ, С-Пб, 2002 г.

5. B.C. Буркат, А,Г, Истомин, Д.В, Меркулов..« А нал из показателей действующих установок сухой очистки газов электролизного производства». Тезисы докладов «Международной научно-технической конференции молодых специалистов и учёных алюминиевой, магниевой и электродной промышленности», ОАО ВАМИ, С-Пб,2003 Г.

6. B.C. Буркат, Д.В. Меркулов, А.Я. Преденн «Экологические аспекты модернизации алюминиевых заводов, оборудованны электролизерами Со-дерберга (на примере ОАО «БрАЗ»)». Сборник научных трудов «Совершенствование технологических процессов получения глинозёма», С-ПБ 2005 г.

7.B.C. Буркат, П.П. Зорько, В.П. Куликов, Д.II. Меркулов, Р.П. Мхчан «Оценка эффективности вторичных укрытий электролизеров Солербер-га». Сборник научных трудов «Совершенствование технологических процессов получения глинозёма», С-ПБ 2005г.

8. B.C. Буркат, Н.В. Зорько, Д.В. Меркулов, Р.В. Мхчан и др. «Теоретические аспекты сухой очистки электролизных газов». Цветные металлы №12,2006

I

ОАО "РУСЛЛ ВАМИ" 24.11.2006г. Зак.5276. Тираж 75 экз. 199106, Санкт-Петербург, Средний пр., 86

ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Отечественная и зарубежная нормативные базы по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу при производстве алюминия.

1.2. Анализ существующей экологической ситуации на алюминиевых заводах большой мощности.

1.3. Основные направления модернизации серий электролизёров Содерберга с экологической направленностью.

ГЛАВА II. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСА «КОРПУС ЭЛЕКТРОЛИЗА - СУХАЯ

ГАЗООЧИСТКА».

3.1. Взаимосвязь экологических параметров комплекса «корпус электролиза - сухая газоочистка».

3.2. Определение выбросов фторидов через аэрационный фонарь.

3.3. Определение количества фторидов, поступающих в систему организованного отсоса и выбрасывающихся после сухой очистки.

Производство алюминия электролизом криолито-глиноземного расплава является источником поступления в атмосферу загрязняющих веществ -фтористых и сернистых соединений, пыли, оксида углерода, смолистых веществ, в т.ч. бенз(а)пирена и др. Это связано с особенностями технологии промышленного получения алюминия, при котором используются такие сырьевые компоненты, как фтористые соли, сернистый кокс, каменноугольный пек и др. В настоящее время подавляющая масса алюминия в РФ производится на заводах, оборудованных электролизёрами Содерберга. Будучи передовой технологией на момент строительства таких крупных заводов, как Братский, Красноярский и др., технология Содерберга в настоящее время существенно уступает технологии электролиза с применением обожженных анодов по технико-экономическим и особенно по экологическим показателям.

Из изложенного следует, что проблема сокращения выбросов сериями электролиза Содерберга является актуальной во всём мире, но особенно для алюминиевых заводов РФ.

Учитывая, что перевод таких заводов, как Братский, Красноярский и др.,на обожжённые аноды чрезвычайно капиталоёмок, а кроме того требует значительного времени для реализации, потребностям населения в скорейшем улучшении экологической ситуации отвечает модернизация серий электролиза Содерберга с экологической направленностью.

Очевидно, что модернизация должна преследовать цель существенного сокращения выбросов из двух типов источников - аэрационных фонарей электролизных корпусов и дымовых труб газоочисток. Для обоснованной экологической оценки вариантов модернизации серий электролиза Содерберга необходимо определить базовые (достижимые при существующем уровне технологии и газоочистки) экологические параметры современных серий электролиза Содерберга, отталкиваясь от которых может осуществляться разработка направлений дальнейшего сокращения выбросов в атмосферу.

Конечной целью модернизации серий электролизёров Содерберга является сокращение выбросов до уровня ПДВ (предельно-допустимых выбросов), т.е. обеспечение гигиенических нормативов качества воздуха. В тоже время отсутствует методология выбора научно-обоснованного выбора оптимальных технических решений по модернизации электролизёров Содерберга, который может быть сделан только на основании инструментального и расчётного определения экологической эффективности индивидуальных мероприятий по модернизации и их комплексов. В отечественной практике отсутствуют репрезентативные данные по экологическим показателям комплекса « серия электролиза Содерберга - сухая газоочистка». Научный и практический интерес представляет исследование возможностей улучшения экологических параметров электролизёров Содерберга.

Целью и задачами данной работы являются: экспериментальное исследование экологических показателей комплекса "корпус электролиза - сухая газоочистка"; усовершенствование методов определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и к.п.д. колокольного газоотсоса; разработка и экологическая оценка методов сокращения выбросов загрязняющих веществ из аэрационных фонарей электролизных корпусов и дымовых труб, включая повышение к.п.д. укрытия и сухой газоочистки; разработка математической модели компактного адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов; математическое моделирование экологических параметров комплексов природоохранных мероприятий с оценкой их суммарной экологической эффективности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые выполнено исследование экологических параметров промышленного комплекса " корпус электролиза - сухая газоочистка" с оценкой материального баланса загрязняющих веществ.

Разработана методология расчёта образования избыточного электролита в электролизёре при возврате фторированного глинозёма в электролизёр после сухой очистки с учётом щелочи, поступающей со свежим глинозёмом.

На основе экспериментальных исследований усовершенствована методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу через аэрационные фонари и эффективности колокольного газоотсоса.

Разработаны, испытаны и экологически оценены мероприятия по сокращению выбросов в атмосферу через аэрационные фонари и дымовые трубы.

Разработана математическая модель адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов, позволяющая оптимизировать работу газоочистных установок.

Впервые выполнено математическое моделирование экологической эффективности комплексов мероприятий по достижению ПДВ на заводах большой мощности, оборудованных электролизёрами Содерберга.

На защиту выносятся:

1. результаты экспериментальных исследований экологических показателей промышленного комплекса «корпус электролиза Содерберга - сухая газоочистка»;

2. усовершенствованные методы определения выбросов загрязняющих веществ через аэрационные фонари электролизных корпусов и к.п.д. колокольного газоотсоса;

3. математическая модель прямоточного адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов;

4. результаты разработки и оценки экологической эффективности методов сокращения выбросов загрязняющих веществ из корпусов электролиза Содерберга.

Публикации

Основное содержание работы изложено в 8 научных публикациях.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы (86 наименований) и приложений.

выводы

1. Выполнен анализ экологической ситуации в районе расположения алюминиевых заводов Содерберга. Выявлены основные факторы, вызывающие напряженность экологической ситуации. Показано, что использованы не все резервы для сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Является актуальным исследование и внедрение методов улучшения экологических показателей серий электролизёров Содерберга и способов их оперативного контроля.

2. Выполнено исследование экологических показателей промышленного комплекса «корпус электролиза - сухая газоочистка». Определены выбросы фтористых соединений и других загрязняющих веществ в атмосферу, проанализированы балансы загрязняющих веществ, выявлены возможности сокращения безвозвратных потерь, ведущих к загрязнению окружающей среды.

3. Разработана методология расчётного определения избыточного количества электролита, получаемого в электролизёре при возврате в него фторированного глинозёма после сухой очистки, с учётом содержания щелочи в глинозёме.

4. Предложен и апробирован в промышленных условиях доступный и оперативный метод определения количества фонарных газов на основе определения тепла, ассимилируемого воздухом общеобменной вентиляции.

5. На группе электролизёров Содерберга определена величина к.п.д. колокольного газоотсоса фторидным, углеродным и хронометражным методами. Получена удовлетворительная сходимость исследованных методов. К.п.д. колокольного газоотсоса электролизёров Содерберга, оборудованных системами АПГ составил 90,2 - 90,8 %. Определены основные экологические показатели комплекса « корпус электролиза, оснащенный АПГ- сухая газоочистка»: выбросы фторидов в атмосферу составили 2,104 кг/тА1, в том числе из аэрационного фонаря 1,96 кг/тА1, после сухой газоочистки 0,144 кг/тА1.

Повышение к.п.д. колокола до 90% и применение сухой газоочистки позволило сократить выброс общего фтора в атмосферу в сравнении с существующим уровнем на 30 %, в т.ч. HF - 38 %, FTB - 24 %.

6. В связи с большой трудоёмкостью фторидного метода определения к.п.д. колокольного газоотсоса, требующего экспедиционных обследований, которые могут осуществляться лишь эпизодически, разработана и апробирована упрощённая модификация фторидного метода, позволяющая оценивать к.п.д. колокольного газоотсоса на базе измерения концентраций фторидов в газах, удаляемых системой организованного отсоса, и в фонарных газах.

7. На базе хронометрирования состояния электролизёров Содерберга и анализа полученных данных выявлено влияние различных факторов на к.п.д колокола и вклад отдельных операций и состояний электролизёров в величину фонарных выбросов. Показано, что при наличии АПГ преобладающий вклад в величину фонарных выбросов вносят не столько технологические операции, сколько продолжительность (доля времени) состояния электролизёров, характеризующихся негерметичностью электролитной корки - «дымки» и «огоньки», вклад которых в величину фонарных выбросов достигает 80 %.

8. Влияние продолжительности (доли времени) состояний электролизёров, характеризующихся негерметичностью электролитной корки - «дымков» и «огоньков», на к.п.д.колокольного газоотсоса аппроксимировано зависимостью у = - 0,0363 1п(х) + 0,822, позволяющей оперативно с достаточной степенью приближения оценивать к.п.д колокола.

Полученные данные позволяют обоснованно оценивать существенные возможности повышения к.п.д. колокольного газоотсоса путём использования малозатратных мероприятий по оперативной ликвидации неплотностей электролитной корки.

9. Экологическая оценка модернизации электролизёров Содерберга показала, что оснащение электролизёров системами автоматического питания глинозёмом и повышение эффективности колокольного газоотсоса до 90% заметно сокращает выбросы в атмосферу в сравнении с существующим уровнем, но этого сокращения недостаточно для достижения ПДВ.

С целью дальнейшего сокращения выбросов загрязняющих веществ через аэрационные фонари, предложен и испытан метод, предусматривающий оборудование электролизёров съёмными вторичными укрытиями, перекрывающими пространство между колоколом и бортом электролизера таким образом, что под этим укрытием оказываются и всасывающие отверстия горелок. Это позволило:

- создать небольшое разрежение в пространстве над коркой электролита под съемными крышками;

- обеспечить удаление части загрязняющих веществ, выделяющихся мимо колокола, и подачу их в систему организованного газоотсоса через воздухопод-водящие отверстия горел очных устройств;

- обеспечить подачу в воздухоподводящие отверстия горелочных устройств подогретого воздуха.

Испытания показали, что при использовании вторичного укрытия выделения загрязняющих веществ в атмосферу корпуса и далее в аэрационные фонари сокращаются на 30%.

10. Для сокращения выбросов в атмосферу через дымовые трубы разработана математическая модель адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов, позволяющая оптимизировать процессы массопереноса при адсорбции фтористого водорода глинозёмом. Адсорбер внедрён в производство и обеспечивает высокую эффективность очистки электролизных газов.

11. Выполнены экологическая оценка вариантов модернизации серий электролизёров Содерберга. На основании математического моделирования на примере одного из крупнейших в мире алюминиевых заводов показана возможность достижения нормативов выбросов и улучшения экологической ситуации при повышении к.п.д. колокола не менее, чем до 95%, применении высокоэффективной сухой очистки электролизных газов, улавливании ПАУ, выделяющихся при перестановке штырей.

1. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» // Собрание законодательства Российской Федерации, 2002, № 2, ст. 133.

2. Справочник по удельным показателям выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для некоторых производств основных источников загрязнения атмосферы, НИИ Атмосфера, Метеорологический Синтезирующий Центр Восток / ЕМЕП (МСЦ-В),С-Пб,2001 - с.116.

3. Защита атмосферы от промышленных загрязнений // Под ред. С.Калверта, Г.М.Инглунда. В 2 т.- М.: Металлургия, 1988,-1т.-с.759,2т.-с.711.

4. Erik Nordheim. Environmental regulations and perfomance for European smelters // light metals 2005/ p.275-277.

5. EAA Environmental Profile Report, 2000. www.eaa.net

6. Council Directive 96/61/EC of 27 September 1996 on ambient air quality assessment and management.

7. Council Directive 1999/30/EC of 22 April 1999 relating to limit values for sulphur dioxide, nitrogen dioxide and oxides of nitrogen, paniculate matter and lead in ambient air.

8. Proposal for Directive of the European Parliament and of the Council relating to arsenic, cadmium, mercury,nickel and polycyclic aromatic hydrocarbons in ambientair (Adopted but not yet published in Official Journal)

9. Беспамятнов Т.П., Кротов Ю.А. Предельно-допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде.-JI.: Химия, 1985, с.528.

10. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. Энциклопедия «Экометрия».- Санкт-Петербург.: Крисмас, 1998.-c.851.

11. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны.- ГН 2.1.6.695-98.: Минздрав РФ, М.,1998 г.

12. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями. ГОСТ 17.2.3.02-78.-М.: Издательство стандартов, 1978.

13. Закон Российской Федерации "Об охране атмосферного воздуха" N 96-ФЗ.-1999 г.

14. Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха» от 10 января 2002 г. Ш-ФЗ.

15. Шаприцкий В.Н. Разработка нормативов ПДВ для защиты атмосферы. Справочник.-М. Металлурги, 1990.-С.416.

16. Проект нормативов предельно-допустимых выбросов загрязняющих веществ для ОАО «Братский алюминиевый завод», ОАО «ВАМИ», С-Петербург, 2002 г.

17. Проект нормативов предельно-допустимых выбросов загрязняющих веществ для ОАО «Красноярский алюминиевый завод», ОАО «ВАМИ», С-Петербург, 2004 г.

18. Буркат B.C., Дудорова B.C., Смола В.И., Чагина Т.С. Физико- химические свойства глинозема, используемого для улавливания фторидов в системе сухой очистки // Light Metals, 1985. p. 1443-1448.

19. Roland de Marco. Etude de l'etat d'hydratation d'alumines en relation aves lews proprietes d'adsorption du fluoruze d'hydrogene // diss, le grade de docteur es sciences. l'mst. National Polytechnique de Lorraine. - France. -1976.-p. 184.

20. Алексеев Ю.Б., Буркат B.C., Дикун П.П., Мухленов И.П. Исследование адсорбционных свойств промышленного оксида алюминия применительно к смолистым веществам // Сборник научных трудов ВАМИ. Л., 1982-с. 61-66.

21. Алексеев Ю.Б., Буркат B.C. Адсорбция полициклических ароматических углеводородов оксидом алюминия при сухой очистке газов // Сборник научных трудов ВАМИ. —Л., 1986. с. 128-133.

22. Cochran C.N., Sleppy W.C., Frank W.B. Fumes in Aluminum Smelting: Chemistry of Evolution and Recovery // Metals. 1970 - Vol. 22 - N 9 - p. 54-57.

23. Bohm E., Reh Z. Removal of impurities in aluminium smelter dry gas cleaning using method the VAW / Lurgy process // Light Metals. 1976 N 2 - p. 509525.

24. Mohammed H.Ghaith, Geir Wedde Experiences and performance of dry scrubbing at Alba // Light Metal. 1998. - c. 1257-1262.

25. Буркат B.C., Смола В.И., Никифоров В.П. Сухая очистка фторсодержа-щих газов на алюминиевых заводах за рубежом / ЦНИИЦветмет экономики и информации М., 1982 - с. 32.

26. Буркат B.C., Захарова Г.И. Исследование аэродинамических характеристик реактора для очистки газов во взвешенном слое глинозема // Труды ВАМИ-Л., 1981.

27. Буркат B.C., Захарова Г.И., Мухленов И.П. Исследование процесса адсорбции HF в реакторе с взвешенным слоем глинозема // Труды ВАМИ-Л., 1983.-С.99-103.

28. Lamb W.D. The role and fate of S02 in the Aluminium Reduction Cell Dry Scrubbing System // Light Metal, 1979, Metallurgical Society of AIME- p. 909-925.

29. Патент 147791 A/s Norsk Viftefabric, Норвегия кл. COIF 7/46 c25 с 3/22. Изобр. ОМ Кристиан Бекман. Заявка 05.02.81 w 810393. Способ отделения содержащей примеси тонкой пыли от глинозема, использованного в системе сухой очистки.

30. Буркат B.C., Смола В.И., Юсупов И.А. Высокоэффективная, сухая // Металлы Евразии. 1996. N 6. - с. 88-91.

31. Lamb W.D., Reeve M.R, Dethloff F., Leinum M. Dry scrubbing of Aluminium Cell Gases: Desigh and Operation Characteristics of a Nove Gas / Solids React: J. of Metals, 1982, Nov. p. 48-54.

32. Procedair Air Pollution Control "News, N 1, May", 1996.

33. Буркат B.C., Смола В.И., Корабельникова Л.Л., Чащин А.И. Сухая очистка электролизных газов на Саянском алюминиевом заводе // Цветные металлы. -N 11. 1996 г.-с. 30-32.

34. Дубчак Р. В. Зарубежная практика очистки газов от фтористых соединений при производстве алюминия / Цветметинформация. М.: 1976, с. 49.

35. Буркат B.C., Баевский В.А, Друкарев В.А., Южанинов И.А. Контроль эффективности установки очистки газов // Очистка и утилизация промышленных отходов. Межвузовский сборник научных трудов. Л. -1988.-е. 4956.

36. W. Muhlrad, A. Chauvineau Pechiney / Prat Daniel/ Dry Process for Control of Primary Aluminium Smelting Fume 102 nd AIME Annual Meeting Chicago, 1973 -14 p.

37. Буркат B.C., Калужский H.A., Смола В.И., Сафарова Л.Е. Современное состояние и пути повышения экологической безопасности производства алюминия // Цветные металлы. 2001- N 12 - с. 89-94.

38. Geir Wedde Retrofit of Dry scrubber pay back // Light Metals, 2002 p. 277281.

39. Andrew Haberl, Jean-Francois Langle Dry and wet scrubbers for High-Amperage Pots Some Resent Developments // Light Metals, 2002 p. 269-276.

40. Отчет по теме: «Технико-экономическая и экологическая оценка освоения проектных показателей технологии "сухих" газоочисток, транспорта глинозема и процесса электролиза в корпусах 5,6 с использованием фторированного глинозема». ВАМИ, СПб, 2003 г.

41. Отчет по теме: Создать и освоить в опытно-промышленных условиях технологический процесс сухой очистки газов от алюминиевых электролизеровв рукавных фильтрах с использованием глинозема в качестве сорбента. ВАМИ, Л., 1978 г.

42. B.C. Буркат, Н.В. Зорько, Д.В. Меркулов, Р.В. Мхчан и др. «Теоретические аспекты сухой очистки электролизных газов». Цветные металлы №12, 2006

43. Elmar Sturm, Geir Wedde, Eivind Holmefjord. High performance and cost efficient dry scrubber retrofit at haw., Light Metals, 2001, 379-383.

44. G.A.Wellwood. The practice of dry scrubbing., Light Metals, 2001 p. - 371377.

45. Буркат B.C., Смола В.И., Юсупов И.А. сухая очистка электролизных газов на базе отечественных технических решений оборудования. Сб. науч. тр. ВАМИ. СПб.: ВАМИ, СПб, 1996 г.

46. ТЭО Проекта развития КрАЗа, Hatch Associates Limited, 2003 г.

47. Технологический регламент на проектирование устройства для повышения эффективности газоулавливания от электролизеров ВТ, ОАО «ВАМИ», С-Петербург, 2004г.

48. B.C. Буркат, Н.В. Зорько, В.П. Куликов, Д.В. Меркулов, Р.В. Мхчан «Оценка эффективности вторичных укрытий электролизеров Содерберга». Сборник научных трудов «Совершенствование технологических процессов получения глинозёма», С-ПБ 2005г.

49. Снижение выбросов: технологические и инвестиционные факторы, So-derberg Club Meeting Krasnoyarsk - June, 2005

50. Буркат B.C., Друкарев B.A. Сокращение выбросов в атмосферу при производстве алюминия. СПб, 2005г.

51. Peter J. Hutchinson Modifi Studpulling Procedure at Kitimat Works // Light Metals.-1992.-P. 383-385.

52. Дробнис В.Ф. Изучение особенностей формирования анода на промышленных электролизерах с верхним подводом тока / Автореферат канд. дисс. -Волгоград, 1968.-С.26.

53. Tor Bjarno Pedersen, Adolf К. Syrdal, Audun Sathre. The new Soderberg concert // Light Metals, 1995, p. 253—256.

54. Tor Bjarne Pedersen. The Soderberg cell technology-present performance, chllenges and possibilities., Light Metals, 2001.— p. 489— 495.

55. Helge О. Forberg. Revitalization of Soderberg Smelters //, Light Metals, 2004. -p. 36-38.

56. Andre Teissier-duCros. Why the soderberg technology has a future in mini-smelters integrating a coal fired power plant // Light Metals, 2005. p. 293-296.

57. ГОСТ 17.2.4.02-81 Охрана природы. Атмосфера. Общие требования к методам определения загрязняющих веществ.

58. Методика определения количества воздуха, удаляемого общеобменной вентиляцией электролизных корпусов алюминиевых заводов (фонарных газов). МВИ № ОЭ-ФГ 2004/4 (Свидетельство Госстандарта РФ 242/136-2004 от 18.11.2004.).

59. Методика выполнения измерений массовой концентрации фтористого водорода в воздухе, удаляемом общеобменной вентиляцией из корпусов электролиза алюминиевых заводов (фонарных газов) потенциометрическим методом. МВИ № ФГ 2004/2.

60. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. Л., Гидрометеоиздат, 1986 г.

61. Методика расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Госкомгидромет, Гид-рометеоиздат, Ленинград, 1987г.

62. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. Министерство охраны окружающей среды. РФ, С-Петербург, 2000г.

63. В.В. Смыслов, И.К. Цыбуков О рациональном методе расчёта тепловыделений в корпусах электролиза алюминия/Щветные металлы. 1972, - №7. - С. 44 - 47.

64. Сушков а.И., Троицкий И.А. Металлургия алюминия. М. Металлургия, 1965

65. Ветюков М.М., Цыплаков A.M., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния. М:Металлургия,1987

66. L. Wikstrom. Control of gas collection efficiency in VSS potlines by monitoring C02 and CO in the primary pot gases. Light Metal, 1984 p. 1457 - 1471.

67. Яблонский K.B., Сафарова Л.Е. Оценка эффективности укрытий радиоизотопным методом в различные технологические периоды работы алюминиевого электролизёра. Сб. научных трудов ВАМИ производство алюминия и магния, № 104, ВАМИ, Л., 1979, с.9 - 15.

68. Методика выполнения измерения массовой концентрации бенз(а0пирена в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе населённых мест методом криолюминесценции с использованием анализатора жидкости «Флюорат-02-2М». Методика М02-10-2002. С-Пб, 2002г.

69. Методические указания. Измерение концентраций аэрозолей преимущественно фиброгенного действия. Москва, 1988г.

70. Методические указания. Измерения массовой концентрации гидрофторида (фтористого водорода) в воздухе рабочей зоны фотометрическим методом. Сборник методических указаний. МУК 4.1.1341 -4.1.1351. Вып.40.

71. М.:Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006г.

72. Д.Г.Перри. Справочник инженера химика, т.1., J1."Химия", 1969, с. 182

73. Методика определения предотвращения экологического ущерба, Москва, 1999г.

74. Временные методические рекомендации по проведению оценки эколого-экономической эффективности проектов намечаемой хозяйственной деятельности/Медведева О.Е.//Экологическая экспертиза и ОВОС, 2004г., №6.

75. Расчет изменения массы электролита в электролизере при изменении криолитового отношения электролита1. АНОД1. ЭЛЕКТРОЛИТ

76. Площадь шахты электролизера: 9,4x3,85 = 36,19 м2

77. Площадь анода: 8,4x2,75 = 23,10 м2

78. Площадь пространства борт-анод: 36,19-23,10 = 13,09 м2

79. Объем пространства борт-анод приуровне электролита 15 см: V = 13,09 х 0,15= 1,964 м3

80. Объем поданодного пространства, занимаемого электролитом примежполюсном зазоре 5 см : Va = 23,10x0,05=1,155м3

81. Всего объем электролита в ванне: 1,964+1,155=3,12 м3криолитовое отношение, б/р.

82. Зависимость плотности расплава системы NaF A1F3 при 1000°С в координатах криолитовое отношение - плотность в интервале: к.о. = 2,2 (31,2%мол.АШз) к.о. = 3,6 (21,7% мол.АШ3)

83. Или наоборот, при одной и той же массе электролита 6,49 т при снижении криолитового отношения с 2,7 до 2,3 объем, занимаемый расплавом уве6 490 з зличивается с 3,12 до м , или на 0,11 м .электролизеров

84. Фактический расход криолита с к.о.=3,0 на пуск составляют 52,6 т/электролизер. Это количество должно обеспечить создание незавершенного производства и покрыть потери на пропитку угольной подины.

85. F, то расход криолита на пропитку футеровки составляет = 15,4т. Такимобразом, избыток электролита составляет: 52,6-(8,3+15,4) = 28,9 т.

86. Для нейтрализации этого количества криолита до к.о.=2,3 требуется добавка фторида алюминия в количестверкр кр vк(т + 2) 'где: Pf масса A1F3, необходимая для нейтрализации криолита с модулем «т» до криолита с модулем «к».

87. Ркр удельный расход криолита с модулем «т». 2 - стехиометрическое отношение молекулярных масс A1F3 и NaF .ркр = 2^(3-2,3) 2x14,07x0,7 , ?1 2,3(3 + 2) 2,3x5

88. Или в сумме избыток электролита по этой статье составит:14,07+1,71=15,78 кг/тА1,или в пересчете на фтор 15,78-0,5576 = 8,8 кг F/т А1.где: 0,5576 массовая доля фтора во фторалюминате натрия с к.о =2,3 доли ед.

89. Это количество частично служит для компенсации потерь со снимаемой угольной пеной, а в остальном увеличивает массу электролита в электролизере.1. Фтористый водород

90. Рис.1. Результаты определения концентрации фтористого водорода над электролизеромв открытом и укрытом состоянии0,4 0,35I1.0,25 £°'2 I1. S 0,15 11.0,10,05 0