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
1
Стр.1
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
ISBN 978-5-7638-1938-0
2
© Оформление, оригинал-макет.
ИПК СФУ, 2010
Стр.2
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.
3
Стр.3
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,
4
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................. 3
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ
ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ НА АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАВОДАХ ......................................... 4
2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОНЕНТОВ АНОДНОГО ГАЗА ...................................... 11
2.1. Газообразные соединения группы оксидов ............................................................. 11
2.2. Газообразные и твердые соединения фтора ............................................................. 17
2.3. Сульфидные газообразные загрязнители ................................................................. 24
2.4. Твердые компоненты анодного газа ......................................................................... 28
2.5. Образование оксида углерода и смолистых веществ,
в том числе бенз(а)пирена ......................................................................................... 32
3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА, ЭВАКУАЦИИ
И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АНОДНЫХ ГАЗОВ ................................................................ 33
3.1. Газосборный колокол ................................................................................................ 33
3.2. Горелочные устройства ............................................................................................. 46
3.3. Пылеосадительные камеры ....................................................................................... 56
3.4. Газоходные тракты корпусов электролиза .............................................................. 61
3.5. Анализ причин неравномерности объемов газоотсоса от электролизеров
и образования в газоходах отложений ..................................................................... 63
3.6. Обзор известных способов удаления из газоходов пылевых отложений ............ 68
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА,
ЭВАКУАЦИИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АНОДНЫХ ГАЗОВ ...................................... 72
4.1. Модернизация газосборного колокола .................................................................... 73
4.2. Модернизация горелочных устройств ..................................................................... 77
4.3. Расчет оптимальных параметров и моделирование теплофизических процессов
в щелевых горелочных устройствах ........................................................................ 80
4.4. Система автоматической очистки полостей
горелочных устройств от отложений ...................................................................... 83
4.5. Модернизация газоходной сети корпуса электролиза ........................................... 85
4.6. Очистка газоходов от отложений закрученным потоком сжатого воздуха ......... 98
4.7. Электроизоляционные разрывы газоходов ........................................................... 101
5. УКРУПНЕННАЯ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА
ВНЕДРЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ............................. 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................................... 106
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................................. 110
Приложение 1
Расчет количества анодных газов, образующихся на электролизерах С-8; С-8БМ ...... 119
Приложение 2
Расчет аэродинамических характеристик подколокольных
пространств электролизеров ............................................................................................... 125
Приложение 3
Расчет объемов газоотсоса от электролизера .................................................................... 127
Приложение 4
Сравнительные характеристики вытяжных тройников .................................................... 132
Приложение 5
Результаты моделирования газоходных сетей .................................................................. 136
145
Стр.145