Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналитический обзор 8
1 1. Отечественная и зарубежная нормативные базы по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу при производстве алюминия 8
1.2. Анализ существующей экологической ситуации на алюминиевых заводах большой мощности 16
1.3. Основные направления модернизации серий электролизёров Содерберга с экологической направленностью 19
Глава II. Методы исследования 25
Глава III. Исследование основных экологических параметров комплекса «корпус электролиза - сухая газоочистка» 31
3.1. Взаимосвязь экологических параметров комплекса «корпус электролиза - сухая газоочистка» 31
3.2. Определение выбросов фторидов через аэрационный фонарь 33
3.3. Определение количества фторидов, поступающих в систему организованного отсоса и выбрасывающихся после сухой очистки 42
Глава IV. Исследование эффективности колокольного газоотсоса 54
4.1. Фторидный метод определения эффективности колокольного газоотсоса 54
4.2. Углеродный метод определения эффективности колокольного газоотсоса . 58
4.3. Хронометражный метод определения эффективности колокольного газоотсоса 59
Глава V. Экологическая оценка направлений модернизации серий электролиза содерберга 69
5.1. Сокращение выбросов загрязняющих веществ через аэрационные фонари электролизных корпусов путём создания вторичных укрытий 70
5.2. Повышение эффективности и интенсивности установок сухой очистки колокольных газов (математическая модель оптимизации работы адсорбера) 77
5.2.1. Адсорбция фтористого водорода в восходящем потоке глинозема. Математическая модель процесса 77
5.2.2. Оценка параметров математической модели 81
5.2.3. Анализ факторов, определяющих показатели процесса адсорбции фтористого водорода в восходящем потоке газ - твердые частицы... 83
5.2.4. Адсорбция фтористого водорода глиноземом в рукавном фильтре... 89
5.3. Моделирование направлений модернизации серий электролизёров Содерберга с экологической оценкой мероприятий. 92
Выводы 101
Список литературы 104
Приложения 113
- Анализ существующей экологической ситуации на алюминиевых заводах большой мощности
- Определение выбросов фторидов через аэрационный фонарь
- Углеродный метод определения эффективности колокольного газоотсоса
- Повышение эффективности и интенсивности установок сухой очистки колокольных газов (математическая модель оптимизации работы адсорбера)
Введение к работе
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.
5 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: результаты экспериментальных исследований экологических показателей промышленного комплекса «корпус электролиза Содерберга - сухая газоочистка»; усовершенствованные методы определения выбросов загрязняющих веществ через аэрационные фонари электролизных корпусов и к.п.д. колокольного газоотсоса; математическая модель прямоточного адсорбера для установок сухой очистки электролизных газов; результаты разработки и оценки экологической эффективности методов сокращения выбросов загрязняющих веществ из корпусов электролиза Содерберга.
Публикации
Основное содержание работы изложено в 8 научных публикациях.
7 Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы (86 наименований) и приложений.
Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 28 таблиц.
Автор выражает искреннюю признательность за помощь в выполнении работы руководителю к.т.н. B.C. Буркату, руководству института ВАМИ, коллективу отдела экологии, а также официальным оппонентам д.т.н. Э.А. Янко и к.т.н. С.А. Никифорову и рецензентам Н.В. Зорысо. и А.Г. Истомину за ценные замечания, выявленные в работе и учтенные при оформлении диссертации.
8 I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Отечественная и зарубежная нормативные базы по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу при производстве алюминия
Природоохранное законодательство РФ и других стран накладывают серьёзные ограничения на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при производстве алюминия [1,2]. При этом существуют в основном два подхода: ограничение выбросов загрязняющих веществ на тонну алюминия (удельные выбросы) и ограничение концентрации загрязняющих веществ в воздушной среде, влекущее за собой ограничение валовых выбросов. За рубежом наиболее распространен первый подход, хотя в ряде стран существует и ограничение концентрации в воздухе. В развитых странах нормативы по предельным величинам удельных выбросов фторидов в атмосферу зависят от конкретных условий и колеблются в широких пределах. В США, например, для алюминиевых заводов в соответствии со стандартами функционирования новых источников выбросов (СФНИ) выброс фторидов (в пересчете на F) не должен был превышать (данные приводятся по [3]):
1,0 кг/т алюминия, производимого группой электролизных цехов на заводах, использующих электролизеры с самообжигающимися анодами; в порядке исключения диапазон выбросов может составлять 1,0-1,3 кг/т; этот диапазон может быть специально согласован, если владелец или оператор докажет, что в отношении системы очистки выбросов были использованы образцовые методы и лучшее оборудование для очистки при эксплуатации завода во время исследования характеристик его выбросов;
0,95 кг/т алюминия, производимого группой электролизных цехов, на заводах, работающих на заранее спеченных анодах; исключение могут составлять выбросы в диапазоне от 0,95 до 1,25 кг/т, которые можно рассматривать как отвечающие нормативам, если владелец или оператор докажет, что в отношении системы подавления выбросов были использо- ваны образцовые методы и лучшее оборудование для подавления при эксплуатации завода во время исследования характеристик его выбросов;
0,05 кг/т алюминиевого эквивалента для заводов по производству анодов.
Кроме этого нормируется эффективность очистки газов (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Государственные нормативы США по очистке фторидных выбросов на существующих заводах первичного алюминия
В Германии допустимый выброс для корпусов с электролизерами, имеющих укрытия, колебался от 0,7 до 1,2 кг HF на 1 т А1, для корпусов с открытыми электролизерами -0,8-1 кг/т А1 [4]. Норма выбросов 1 кг/т А1 была принята также в Норвегии [4]. В Голландии принята более жесткая предельная норма выбросов Fra3 - 0,4 кг/т А1, в Швеции нормировались выбросы общего фтора - 2 кг/тА1 для существующих и 1,1 кг/т А1 для новых заводов.
В последние годы нормативы удельных выбросов в большинстве стран становятся более жесткими.
Таблица 1.2
Нормативы удельных выбросов фторидов по состоянию на 1997 г. в пересчете на F, кг/тА!
Федеративная
Республика
Германия * - Только газообразные фториды ** - Европейские страны на Атлантическом берегу *** - В соответствии с технологией. Комиссией OSPAR рекомендованы следующие величины выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на алюминиевых заводах [5, 6]:
Таблица 1.3 Рекомендуемые лимиты выбросов на алюминиевых заводах (для комиссии OSPAR) * БЭ - бенз(а)пиреновый эквивалент.
Там же [5, б] указывается, что основной целью ограничения выбросов является достижение к 01.01.2010 величин выбросов, показанных в таблице 1.4.
Таблица 1.4
Намеченные лимиты выбросов алюминиевых заводов к 1.01.2010 г.
В работе [ 6 ] указано, что предельные значения на 2007 год вполне достижимы для большинства заводов, в то время как значения на 2010 год ряду старых заводов будет достаточно трудно достичь без существенной модернизации. Наиболее трудным для большинства заводов будет сократить выбросы пыли до 1 кг/т алюминия. Текущие значения выбросов европейских алюминиевых заводов приведены в таблице 1.5 [7].
Таблица 1.5
Средние значения выбросов европейских алюминиевых заводов в 2002г.
Ограничение удельных выбросов недостаточно для обеспечения гигиенических нормативов качества атмосферного воздуха, так как и при низких удельных выбросах на заводах большой мощности валовый выброс может достичь существенных значений. В связи с этим в ряде стран введены также нормы по максимальному содержанию фтористых соединений в воздухе. Так, например, в США, штат Вашингтон эти нормы по Fm составляли, мг/м : среднесуточная 2,9; средняя за период с 1 марта по 31 октября любого года 0,5 [3]. В Италии предельная норма по изменениям за 24 часа должна составлять 0,02 мг/м Fo6lIU а предельно допустимая концентрация (ПДК) для воздуха рабочей зоны устанавливается таким образом, чтобы исключить заболевание или отклонения в состоянии здоровья у лиц, работающих в данных условиях в течение 8 часов ежедневно, причем предусматривается исключение не только непосредственной опасности для здоровья, но и возникновение ее в отдаленные сроки. Устанавливаются также предельные концентрации на рабочих местах с учетом условия, чтобы при работе по 8 час. в сутки и 45-часовой рабочей неделе не наносился ущерб здоровью работающих.
В работе [ 6 ] приводятся европейские стандарты качества воздуха. Стандарты качества воздуха ЕС определяются директивой по оценке и контролю качества окружающего воздуха от 1996 года [8]. К данному моменту были выпущены четыре дочерних директивы, определяющие специфические предельные значения для ряда веществ и соединений. Предельные значения, зафиксированные в первой дочерней директиве [9], даны в таблице 1.6, ряд из них непосредственно связан с алюминиевым производством.
Таблица 1.6 Ограничения по качеству воздуха
Проблемным для алюминиевых заводов может оказаться только достижение ограниченной концентрации пыли РМю, однако замеры данного показателя вблизи от алюминиевых заводов практически не производились.
Следует отметить, что предполагается лимитировать также содержание бенз(а)пирена как индикатора ПАУ. Уровень риска для здоровья определяется концентрацией 10'4 мг/мЗ [10 ]
В Российской Федерации основным критерием при нормировании выбросов является концентрация загрязняющих вредных веществ в атмо-
14 сферном воздухе населенных пунктов. Нормируется также содержание вредных веществ в рабочей зоне производственных помещений. Предельно допустимые концентрации устанавливаются на основе целого ряда критериев, основной из которых - отсутствие прямого или косвенного неблагоприятного воздействия на организм человека [11]. Установленные ПДК для основных компонентов, содержащихся в выбросах электролитического производства алюминия [12,13] показаны в табл. 1.7.
Санитарными нормами учитывается возможность однонаправленного действия ряда вредных веществ при их совместном присутствии. В этом случае ПДК уменьшается в соответствии с известной формулой:
Сі Сг С„ + + ,.. <і (1.1)
ПДК, ПДК2 ПДКП
Таблица 1.7
ПДК для основных компонентов, содержащихся в выбросах электролитического производства алюминия, мг/м3
15 Для алюминиевой промышленности учитывается суммация действия: в атмосферном воздухе населенных пунктов диоксида серы и фтористого водорода, диоксида серы и диоксида азота, а также фтористого водорода и фторсолей с учётом эффекта потенцирования (к = 0,8); в воздухе рабочей зоны - фтористого водорода и фторсолей.
С целью снижения уровня загрязнения атмосферы и повышения эффективности мероприятий по сокращению выбросов с 01.01.1980 г. введен Государственный стандарт «Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями» ГОСТ 17.2.3.02-78 [14]
В соответствии с Законом РФ об охране атмосферного воздуха [15] и Законом об охране окружающей среды [16], норматив предельно допустимого выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух устанавливается для стационарного источника загрязнения атмосферного воздуха с учётом технических нормативов выбросов и фонового загрязнения атмосферного воздуха при условии не превышения данным источником гигиенических и экологических нормативов качества атмосферного воздуха и предельно допустимых (критических) нагрузок на экологические системы.
В соответствии с правилами установления предельно-допустимых выбросов (ПДВ) допустимый уровень выбросов из источников рассчитывается исходя из необходимости соблюдения условий, при которых концентрация загрязняющих веществ (с учетом суммации, потенцирования и пр.) не превышала бы ПДК [14, 17]. Для предприятий, выбросы которых превышают ПДВ и не могут быть по объективным причинам снижены до допустимого уровня, на момент введения ПДВ устанавливаются значения временно согласованных выбросов (ВСВ) на уровне выбросов аналогичных предприятий с высоким техническим уровнем производства, при этом предусматривается поэтапное снижение выбросов до уровня ПДВ.
В отличие от стандартов на удельные выбросы вредных веществ (на 1 т продукции) или на концентрации вредностей в газах, нормирование выбросов путем установления ПДВ полнее учитывает многочисленные факторы, определяющие степень загрязнения воздуха; высоту и характеристику источника выброса, метеорологические и топографические условия, фоновую концентрацию и др.
Наряду с ПДВ вводится понятие технического (технологического) норматива выбросов [16]. Технический норматив выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух устанавливается для передвижных и стационарных источников выбросов, технологических процессов, оборудования и отражает максимально допустимую массу выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух в расчёте на единицу продукции, мощности, пробега транспортных или иных передвижных средств и другие показатели.
1.2. Анализ существующей экологической ситуации на алюминиевых заводах большой мощности.
Выбросы загрязняющих веществ оказывают значительное воздействие на экологическую ситуацию на территории завода и на прилегающих к ней территориях, а также на здоровье людей населения. Выбросы в атмосферу вызывают загрязнение воздуха, почвы и воды.
В настоящее время на алюминиевых заводах большой мощности, оборудованных электролизерами Содерберга, таких как БрАЗ и КрАЗ выбросы загрязняющих веществ существенно превышают уровень ПДВ [ 18, 19], в связи, с этим в районе расположения завода максимальные концентрации не удовлетворяют требованиям санитарных норм (табл. 1,8).
17 Таблица 1.8
Характеристика загрязнения атмосферы в районах расположения действующих заводов, оборудованных электролизерами Содерберга
Существенное превышение уровня ПДВ по газообразным фторидам и бенз(а)пирену для данных заводов показано на рис 1.1 -1.4.
Выброс завода
Гигенический норматив выброса (ПДВ)
Рис. 1.1 Сравнительная оценка выброса HF в атмосферу Красноярским алюминиевым заводом
Рис. 1.2 Сравнительная оценка выброса HF в атмосферу Братским алюминиевым заводом
Рис. 1.3 Сравнительная оценка выброса бенз(а)пирена в атмосферу Красноярским алюминиевым заводом
Рис. 1.4 Сравнительная оценка выброса бенз(а)пирена в атмосферу Братским алюминиевым заводом
Основными причинами этого являются: недостаточная эффективность колокольного газоотсоса и связанный с этим большой объём выбросов через аэрационные фонари; использование морально устаревших и физически изношенных газоочистных установок; значительные выбросы ПАУ при перестановке штырей.
Анализ сложившейся ситуации в районах расположения крупнейших алюминиевых заводов, оборудованных электролизёрами Содерберга показывает необходимость скорейшей модернизации серий электролиза Содер- берга с целью улучшения экологических показателей действующих производств.
1.3. Основные направления модернизации серий электролизёров Содерберга с экологической направленностью
Выбор направления модернизации алюминиевого завода должен осуществляться с учетом специфики предприятия, его мощности по выпуску металла, уровня технологии, параметров корпусов электролиза и газоочистных установок и др.
При модернизации алюминиевых заводов существенную роль играют экологические проблемы. Одной из основных задач, решаемых при модернизации, является сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу до предельно-допустимого уровня - достижение ПДВ. На заводах, оборудованных электролизерами Содерберга, эта задача может решаться двумя путями: переводом корпусов электролиза на технологию с применением предварительно обожженных анодов; совершенствованием технологии Содерберга с осуществлением комплекса мероприятий по сокращению выбросов до допустимых величин.
В решении проблем сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при электролитическом получении алюминия можно выделить три ключевых направления; сокращение удельного количества загрязняющих веществ, выделяющихся в виде пыли и газа из электролизеров (первичных выделений); увеличение доли загрязняющих веществ, эвакуируемых системой газоотсоса и направляемых в газоочистные установки; повышение эффективности очистки газов в газоочистных установках.
20 Очевидно, что наибольший эффект может быть достигнут при реализации мероприятий по всем трем направлениям.
Кардинальным решением экологических проблем является перевод электролизных корпусов на обожженные аноды, так как при этом; повышается к.п.д. системы газоотсоса, что сокращает до минимума фонарные выбросы; практически исключаются выбросы полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в т.ч. бенз(а)пирена; применяется высокоэффективная сухая очистка электролизных газов глиноземом; обеспечивается высокий уровень механизации и автоматизации производственных процессов.
Перевод корпусов электролиза на обожженные аноды является чрезвычайно капиталоемким мероприятием (для завода, производительность >800 тыс. А1 в год необходимые капиталовложения могут составить более 1,5 млрд. долларов США). В связи с этим в РФ и за рубежом существенное внимание уделяется совершенствованию технологии Содерберга.
До настоящего времени очистка электролизных газов на большинстве алюминиевых заводов РФ осуществляется в двухступенчатых газоочистных установках, где первой ступенью является двухпольный горизонтальный электрофильтр, улавливающий основную массу электролизной пыли, второй - аппарат мокрой очистки (полый скруббер или пенный аппарат), в котором при орошении газа содовым раствором улавливаются фтористый водород и диоксид серы. Степень очистки газов в этих установках, как правило, существенно ниже проектных величин, что связано с зарастанием электродов электрофильтров смолистыми веществами, неудовлетворительной регенерацией электродов, снижением вольтамперных характеристик электрофильтров. Имеют место случаи возгорания пыли в электрофильтрах, что выводит их из строя. Мокрая очистка газов от фтористых и сернистых соединений сопряжена с каплеуносом, коррозией аппаратуры,
21 наличием гидрохимических переделов для регенерации фторсолей, шламовых полей, низкой степенью утилизации уловленных фторидов,
В последнее время широкое применение нашёл метод сухой очистки газов, основанный на адсорбции фтористого водорода и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) глинозёмом [20 - 52].
Применение высокоэффективных установок сухой очистки электролизных газов глиноземом позволяет повысить степень очистки газов и обеспечить утилизацию уловленных продуктов.
Институтом ВАМИ разработаны аппаратурно-технологические схемы сухой очистки электролизных газов, применительно к отечественному глинозёму, как правило, мучнистого типа (хотя установки могут работать и на песочном глинозёме) и к оборудованию, выпускаемому отечественными заводами.
Сухая очистка электролизных газов широко применяется, также, ведущими зарубежными фирмами - Флект (Норвегия), Просидейр (Франция), Лурги (Германия), Алкоа (США) и др.
Анализ технических решений по очистке электролизных газов показывает, что наиболее эффективны установки сухой очистки с доочист-кой от S02 в аппаратах мокрой очистки. Применение отечественных технических решений при высокой эффективности на 30-40% экономичнее,
Применение систем автоматизированного питания глиноземом (АПГ) и фторсолями (АПФ) сокращает время разгерметизации электролизеров и способствует повышению к.п.д. колокола [ 53,54 ].
В работе [ 55 ] предложена конструкция укрытия для электролизера ВТ в виде герметичного свода, применение которого может повысить к.п.д. укрытия до 97-98%.
В работе [ 56 ] показана принципиальная возможность применения вторичных укрытий на электролизере ВТ без дополнительного газоотсоса.
В работе [57] показана возможность снижения первичных выделений фторидов из электролизера за счёт применения электролитов, модифици-
22 рованных фторидом лития. Использование литиевого электролита обеспечивает значительные преимущества:
Снижение температуры электролита
Снижение выбросов фторидов
Повышение электропроводности электролита
Улучшение эксплуатационных характеристик
Увеличение производительности
Снижение производственных затрат
В настоящее время во многих известных алюминиевых компаниях, таких как Alcoa, Alcan, Century Aluminum, BPH Billiton, Hydro Aluminium и Venalum есть заводы, работающие на литиевом электролите. Около 20 % всего первичного алюминия производится на заводах, работающих с литиевым электролитом. Эти заводы находятся в Канаде, США, Германии, Франции, Греции, Венесуэле и Бразилии.
Сложной проблемой, требующей решения, является сокращение выбросов ПАУ.
Приоритетным по эффективности из мероприятий для сокращения выбросов ПАУ является применение нефтяных пеков в качестве связующего при приготовлении анодной массы. Замена каменноугольного пека на нефтяной может сократить выделения и выбросы ПАУ и бенз(а)пирена не менее чем в 10 раз [58].
Применение сухой анодной массы также существенно сокращает выбросы ПАУ. Эффективность этого мероприятия зависит от качества массы и объема ее применения. По данным работы [59] применение сухой анодной массы позволяет сократить выбросы смолистых веществ из аэра-ционных фонарей до 0,3 кт/т А1.
Самостоятельный источник выделения смолы в атмосферу связан с операцией по перестановке штырей. После раскручивания и извлечения штыря в образовавшуюся лунку затекает жидкая анодная масса. При ее попадании в зону температур 400-800 С происходит быстрое коксование
23 пека, при испарении газообразных и жидких продуктов до 60% составляющих пека выбрасывается в виде смолы в атмосферу.
Данные о количестве смолистых веществ, выделяющихся в атмосферу корпуса при перестановке штырей, разноречивы. В значительной мере это связано с методическими трудностями при определении этих величин. Кроме того, эти величины могут меняться в широких пределах в зависимости от свойств и состава анодной массы, технологического реншма работы электролизеров, уровня их эксплуатации и др. Так по данным [60] потери углерода с углеводородами на электролизерах ВТ составили: через верх анода 1,1 кг/ АІ, за счет быстрого коксования пробок 3,3 кг/т А1, дополнительное количество смолистых выделяется из-за прилипания анодной массы к штырю при перестановке.
Фирмой «Елкем Алюминиум ANS» разработана конструкция электролизера ВТ, оснащенного кроме традиционного колокольного газосборника укрытием верха анода [61, 62]. Газы, удаляемые от верха анода в количестве 2000-2500 тыс. мэ/час от одного электролизера на 128 кА, поступают в газоочистные установки, специально сооружаемые для этой цели. Такая конструкция позволяет существенно сократить выбросы ПАУ в атмосферу, связанные с перестановкой штырей, но при этом неизбежны затраты на строительство дополнительных газоочистных установок.
В работе [63] предложено устройство для отсоса смолистых веществ, выделяющихся при перестановке штырей.
Возможность совершенствования технологи Содерберга и улучшение ее экологических показателей показаны в работах [64, 65].
В работе [64] показано, что при использовании технологии Сумито-мо эффективность колокольного газоотсоса может достичь 95%.
В работе [65] для существенного улучшения экологических параметров технологии Содерберга рекомендуется; применение точечного АПГ внутри колокола; контроль процесса горения в горелочных устройствах;
24 создание разрежения под колоколом; применение сухого анода и сухой подштыревой массы; очистка фонарных газов.
Из изложенного можно сделать следующие основные выводы: экологическая ситуация на алюминиевых заводах РФ, оснащённых электролизёрами Содерберга, является напряжённой, что связано, преимущественно с повышенным уровнем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу; сокращение выбросов на этих заводах до уровня, обеспечивающего санитарно-гигиенические нормативы на границе санитарно-защитной зоны и в жилых районах, то есть до уровня ПДВ, является сложной многоплановой проблемой, решение которой может быть достигнуто только при комплексном осуществлении технологических и природоохранных мероприятий; актуальным, в связи с этим, является создание методов, позволяющих оперативно определять экологические показатели электролизных корпусов, в первую очередь выбросы фторидов и к.п.д колокольного укрытия; актуальной является, также, разработка мероприятий, направленных на сокращение выброса из аэрационных фонарей электролизных корпусов и дымовых труб; при эксплуатации электролизеров Содерберга имеются существенные резервы, использование которых может позволить сократить выбросы в атмосферу и улучшить экологическую ситуацию в районе расположения алюминиевых заводов; для оптимизации направлений модернизации серий электролизёров Содерберга необходима экологическая оценка, определяющая эффективность работ по сокращению выбросов в атмосферу и степень достижения ПДВ.
На решения ряда указанных выше проблем направлена настоящая работа.
Анализ существующей экологической ситуации на алюминиевых заводах большой мощности
Выбросы загрязняющих веществ оказывают значительное воздействие на экологическую ситуацию на территории завода и на прилегающих к ней территориях, а также на здоровье людей населения. Выбросы в атмосферу вызывают загрязнение воздуха, почвы и воды.
В настоящее время на алюминиевых заводах большой мощности, оборудованных электролизерами Содерберга, таких как БрАЗ и КрАЗ выбросы загрязняющих веществ существенно превышают уровень ПДВ [ 18, 19], в связи, с этим в районе расположения завода максимальные концентрации не удовлетворяют требованиям санитарных норм (табл. 1,8).
Основными причинами этого являются: - недостаточная эффективность колокольного газоотсоса и связанный с этим большой объём выбросов через аэрационные фонари; - использование морально устаревших и физически изношенных газоочистных установок; - значительные выбросы ПАУ при перестановке штырей.
Анализ сложившейся ситуации в районах расположения крупнейших алюминиевых заводов, оборудованных электролизёрами Содерберга показывает необходимость скорейшей модернизации серий электролиза Содер берга с целью улучшения экологических показателей действующих производств.
Выбор направления модернизации алюминиевого завода должен осуществляться с учетом специфики предприятия, его мощности по выпуску металла, уровня технологии, параметров корпусов электролиза и газоочистных установок и др.
При модернизации алюминиевых заводов существенную роль играют экологические проблемы. Одной из основных задач, решаемых при модернизации, является сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу до предельно-допустимого уровня - достижение ПДВ. На заводах, оборудованных электролизерами Содерберга, эта задача может решаться двумя путями: - переводом корпусов электролиза на технологию с применением предварительно обожженных анодов; - совершенствованием технологии Содерберга с осуществлением комплекса мероприятий по сокращению выбросов до допустимых величин.
В решении проблем сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при электролитическом получении алюминия можно выделить три ключевых направления; - сокращение удельного количества загрязняющих веществ, выделяющихся в виде пыли и газа из электролизеров (первичных выделений); - увеличение доли загрязняющих веществ, эвакуируемых системой газоотсоса и направляемых в газоочистные установки; - повышение эффективности очистки газов в газоочистных установках.
Очевидно, что наибольший эффект может быть достигнут при реализации мероприятий по всем трем направлениям.
Кардинальным решением экологических проблем является перевод электролизных корпусов на обожженные аноды, так как при этом; - повышается к.п.д. системы газоотсоса, что сокращает до минимума фонарные выбросы; - практически исключаются выбросы полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в т.ч. бенз(а)пирена; - применяется высокоэффективная сухая очистка электролизных газов глиноземом; - обеспечивается высокий уровень механизации и автоматизации производственных процессов.
Перевод корпусов электролиза на обожженные аноды является чрезвычайно капиталоемким мероприятием (для завода, производительность 800 тыс. А1 в год необходимые капиталовложения могут составить более 1,5 млрд. долларов США). В связи с этим в РФ и за рубежом существенное внимание уделяется совершенствованию технологии Содерберга.
Определение выбросов фторидов через аэрационный фонарь
Для оценки уровня выбросов фтористых соединений через аэрационный фонарь корпуса электролиза, оборудованного электролизерами Содерберга были проведены измерения количества воздуха общеобменной вентиляции и содержания в нем фтористого водорода и твердых фторидов.
При определении количества фонарных газов обследовали аэрационный фонарь по всей длине и отдельно пятидесятиметровые секции аэрационного фонаря корпуса электролиза. При проведении измерений были выбраны участ ки аэрационного фонаря над одной бригадой. Обследуемая секция аэра ционного фонаря выбрана при условии соответствия типа и состояния электролизеров, расположенных на обследуемом участке корпуса, средним параметрам по корпусу электролиза в целом. Горловину обследуемой секции аэрационного фонаря условно разбили на 4 «замерных участка» с каждой стороны аэрационного фонаря (разрезы). Схема определения скорости фонарных газов приведена нарис. 3.2.
Скорость газов в горловине фонаря измеряли с помощью автоматического крыльчатого анемометра Testo 400. При проведении замеров фиксировали температуру фонарных газов в исследуемом замерном участке, атмосферное давление, направление ветра и скорость ветра.
Средняя скорость газа по исследуемой секции: п где: Wi(.p- средняя скорость фонарных газов на каждом і-том замерном участке, м/с; п - количество замерных участков в обследуемой секции аэрационного фонаря. (При проведении нескольких измерений результат усреднили).
Количество фонарных газов, проходящих через обследуемую секцию аэрационного фонаря Q c находят по формуле (м /с): где: Wcp - средняя скорость фонарных газов по обследуемой секции, м/с; площадь горизонтального сечения горловины обследуемой секции аэрационного фонаря (за вычетом балок, ферм и других конструкций, перекрывающих сечение), м2; Qipc - количество фонарных газов, проходящих через обследуемую секцию аэрационного фонаря, при рабочих условиях, м3/с.
Количество фонарных газов, проходящих через обследуемую сек цию, приведенное к нормальным условиям Q (м /с) (t = О С, Р = 760 мм.рт.ст. = 101,3 Па) рассчитывают по формуле: где: В - атмосферное давление, выраженное в Па для формулы 3.5 и выраженное в мм рт. ст. для формулы 3.6; tr - температура газа в месте замера скорости газа, С.
Количество воздуха, удаляемого общеобменной вентиляцией (фонарных газов) в целом по корпусу Q[jiK (м /с) рассчитывают по формулам; где: 8фн - площадь горизонтального сечения горловины аэрационного фонаря электролизного корпуса за вычетом площади ферм, балок и других конструкций, перекрывающих указанное сечение горловины фонаря, а также площади горизонтального сечения горловины аэрационного фонаря в области соединительного коридора и торцов корпуса (от торцевых стен фонаря до границ, соответствующих расположению электролизеров), м2.
Результаты измерения скорости воздуха общеобменной вентиляции аэрационного фонаря приведены в табл. 3.1
Углеродный метод определения эффективности колокольного газоотсоса
Углеродный метод [79] основан на инструментальном определении количеств СО и С02, удаляемых системой организованного отсоса, пересчете их на углерод и отнесении найденного таким образом количества углерода в газах организованного отсоса к базовому количеству углерода, окисляющемуся в аноде в процессе электролиза. Метод был апробирован для определения к.п.д. колокольного газоотсоса в масштабе корпуса электролиза, оборудованного электролизёрами Содерберга. Базовое количество углерода анода принято на уровне 489,4 кг/тА1, в т.ч.:- в анодных газах под коркой - 437,4; - окисляется кислородом воздуха- 12,0; - в виде мелкодисперсного углерода в газах под колоколом - 15,0; - поступает под колокол с фторированным глиноземом в виде углерода и смолистых- 16,96; - со смолистыми веществами под колоколом - 8,0; Итого - 489,4 Содержание оксидов углерода в электролизных газах определяли газоанализатором «Автотест». Содержание оксидов углерода в газах, удаляемых системой организованного отсоса и поступающих на газоочистку, составило, в среднем: СО - 0,47% об., С02 - 3,75% об. Количество газов организованного отсоса составило 79200 нм3/ч (с учетом коэффициента поля скоростей 0,88). Исходя из этого, количество углерода, поступающего в систему организованного отсоса, составило 447,7 кг/тА1. Количество оксидов углерода, подсасываемых в горелки с воздухом рабочей зоны, составило 3,1 кг/тА1. Таким образом, в систему организованного отсоса от электролизера удаляется оксидов углерода в пересчете на углерод: 447,7 - 3,1 = 444,6 кг/тА1, Эффективность системы газоотсоса составила: щ = 444,6/489,4 90,8%. Хронометражный метод, изложенный в нормативной литературе [ 70 ], основан на определении доли времени каждой технологической операции, сопровождающейся разгерметизацией электролизёра, и эффективности систем отсоса при этих операциях. Результаты хронометража группы электролизёров промышленного корпуса приведены в табл. 4.2 -4.6 Средняя эффективность колокольного укрытия 5 обследуемых ванн составила 90,2 %. Исходя из того, что к.п.д. колокольного укрытия, 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 аэрационные фонари. Для этого реализовано выражение: где: Fnr - расход фтора в виде пыли и газа, кг/т А1; % - эффективность укрытия электролизёров, доли ед.; r[yi - эффективность укрытия электролизёров для каждого технологического состояния доли ед. ; tj - продолжительность каждого технологического состояния электролизёров, мин; Т - суммарное время хронометража электролизёров, мин. Вклад отдельных состояний электролизёра и технологических операций, сопровождающихся разгерметизацией электролитной корки, при проведении хронометража пяти электролизных ванн показан на рис 4.2-4.6
Повышение эффективности и интенсивности установок сухой очистки колокольных газов (математическая модель оптимизации работы адсорбера)
Современные серии электролиза алюминиевого производства оснащены высокоэффективными установками сухой очистки газов в реакторах с вое ходящим потоком газ - глинозем и рукавных фильтрах. Эффективность процесса зависит от времени контакта газа с адсорбентом, а время определяется характером движения частиц. После попадания в восходящий поток газа на частицу действуют силы сопротивления, тяжести и Архимеда. Дифференциальное уравнение движения частицы имеет вид: и - вертикальная составляющая скорости частицы, м/с; t - время, с;
Расчеты, выполненные для применяемого глинозема, показали, что время достижения частицами адсорбента разного размера постоянной стационарной скорости движения составляет ОД - 0,3 секунды. За это время в зависимости от скорости газа частицы проходят расстояние, равное 0Д-0,3 м, которое пренебрежимо мало в сравнении с высотой адсорбера. Поэтому при моделировании процесса адсорбции было принято, что частицы движутся со стационарной скоростью в любом сечении аппарата. Скорость частиц (и) относительно стенки адсорбера в установившемся режиме определяется из равенства действующих сил:
В целях получения простой одномерной модели адсорбции фтористого водорода глиноземом дальнейшие рассуждения базируются на упрощенной физической картине явлений массопереноса в восходящем потоке твердых частиц. В рамках модельных представлений в аппарате рассмотрены два восходящих потока: газа и твердого адсорбента, между потоками происходит массоперенос. Приняты следующие допущения:
В каждом горизонтальном сечении аппарата газ движется в вертикальном направлении с одинаковой средней скоростью. Пристеночными эффектами пренебрегаем.
В любом горизонтальном сечении аппарата частицы распределены равномерно.
Скорость частиц в вертикальном направлении в пределах горизонтального сечении аппарата одинакова и равна разности между средней скоростью газа и скоростью витания частиц. В соответствии с принятым приближением, скорость движения частиц изменяется мгновенно при изменении геометрии аппарата
Из геометрических соотношений аппарата всегда можно задать функциональную зависимость сечения потока от текущей высоты. Тогда средняя скорость газа определяется его расходом и высотой расположения рассматриваемого горизонтального сечения адсорбера:
Где: w(h,V) - средняя скорость газа в сечении адсорбера на высоте h (м), м/с; V - расход газа, м3/с; S(h) - функция, описывающая зависимость площади горизонтального сечения от высоты его расположения, м2. Каждому значению скорости газа соответствует установившаяся скорость частиц Us(h,V,d), определяемая равенством (5.4) и зависящая от диаметра частиц, высоты и расхода газа. Из соображения неразрывности потока твердого адсорбента в вертикальном направлении получим выражение средней концентрации частиц в объеме аппарата на произвольной высоте h: где: c(h,V,d,G) - масса адсорбента в единице объема аппарата, г/м ; Us(h,V,d) - скорость частиц в сечении адсорбера на высоте h, м/с. Из материального баланса при прямотоке, пренебрегая изменением объема газа и массы сорбента по мере протекания процесса, в силу малых значений концентраций, получим выражение для текущей концентрации фтористого водорода в адсорбенте: где: m(V,G,Cg0,x,m0) - текущая концентрация фтористого водорода в адсорбенте, г HF/r сорбента; CgO - концентрация фтористого водорода в газовом потоке на входе в аппарат, г HF/M ; х - степень адсорбции, достигнутая на текущей высоте h; G - массовый расход адсорбента, г/с; т0 - концентрация фтористого водорода в адсорбенте, который подают на вход адсорбера, г HF/r сорбента.
С учетом приведенных уравнений (5.4-5.7) дифференциальное уравнение материального баланса по адсорбируемому фтористому водороду для адсорбера с заданной геометрией приводится к виду:
