Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние и проблемы развития техники и технологии электролитического получения алюминия 8
1.1. Алюминиевая промышленность мира и место России в мировом производстве 8
1.2. Основные этапы развития техники электролиза. Технические и экологические преимущества электролизеров ОА 11
1.3 Краткая характеристика электролизеров ОА и серий электролиза САЗа 15
1.4. Особенности современной технологии получения алюминия электролизом криолито глиноземных расплавов 21
1.5. Технические и экологические проблемы получения алюминия на электролизерах с обожженными анодами
Глава 2. Программа и методика исследования 30
Глава 3. Модернизация электролизеров оа, усовершенствование технологии электролиза и интенсификация производства алюминия на модернизированных электролизерах 38
3.1. Обоснование необходимости отказа от применения системы поточной обработки электролизеров 38
3.2. Модернизация электролизеров ОА, создание и освоение автоматизированной системы питания агрегатов технологическим сырьем 41
3.2.1. Разработка алгоритмов управления системами АПГ и ЦРГ и включение их в систему АСУТП "ТРОЛЛЬ" 47
3.2.2. Техническая, экономическая и экологическая эффективность от применения систем АПГ, ЦРГ и АПФ 52
3.3. Усовершенствование технологии электролиза и интенсификация производства алюминия на модернизированных электролизерах ОА 55
3.4. Об опыте использования литиевых электролитов при производстве алюминия на электролизерах ОА 60
Глава 4. Повышение экологической безопасности сухой газоочистки и оптимизация использования фторсолей с утилизацией уловленных фторидов 64
4.1. Система сухой очистки электролизных газов 64
4.2. Повышение эффективности контроля выбросов фтористого водорода после газоочистной установки 69
4.3. Диагностика отказов газоочистного оборудования 76
4.4. Разработка и внедрение алгоритма автоматизированного питания электролизеров фтористым алюминием 84
4.5. Расчет величины разовой загрузки технического трифторида алюминия в электролизеры при использовании глинозема с различным содержанием щелочи, фторированного в аппаратах "сухой" очистки газов 90
Глава 5. Эколого-экономическая эффективность природоохранных мероприятий (на примере САЗа)
5.1. Оценка воздействия Саяногорского завода на атмосферный воздух и поверхностные воды 97
5.2. Оценка воздействие Саяногорского алюминиевого завода на почвенный покров 99
5.3. Оценка воздействия САЗа на растительный покров и растениеводческую продукцию 108
5.4. Определение величины предотвращенного экологического ущерба от загрязнения атмосферного воздуха при реализации хозяйственной деятельности ОАО "САЗ" 114
Выводы 116
Список литературы 119
- Основные этапы развития техники электролиза. Технические и экологические преимущества электролизеров ОА
- Модернизация электролизеров ОА, создание и освоение автоматизированной системы питания агрегатов технологическим сырьем
- Повышение эффективности контроля выбросов фтористого водорода после газоочистной установки
- Оценка воздействие Саяногорского алюминиевого завода на почвенный покров
Введение к работе
Актуальность темы. Благодаря комплексу универсальных свойств, алюминий нашел широкое применение в различных областях современной техники. С учетом непрерывно возрастающих потребностей мировое производство этого металла ежегодно растет. В 2003 году объем производства алюминия впервые в мировой практике превысил 27,8 млн.тонн, при этом среди мировых производителей резко обострилась конкурентная борьба за рынки сбыта алюминия и его сплавов. На первое место по масштабам производства алюминия вышел Китай, далее следуют Россия, Канада, США и Австралия.
В условиях перехода России к рыночной экономике и предстоящего вступления нашей страны в ВТО, важнейшими задачами отечественной алюминиевой промышленности следует считать решение проблем повышения конкурентоспособности, экономической эффективности и экологической безопасности производимого в стране алюминия.
В России в настоящее время действуют 11 алюминиевых заводов, построенных по проектам отраслевого института "ВАМИ". Важнейшими факторами, определяющими технический уровень, экономику и экологию электролитического получения алюминия, являются мощность и степень совершенства применяемых в промышленности металлургических агрегатов - алюминиевых электролизеров. В отечественной алюминиевой промышленности, так же как и в мировой металлургии алюминия, применяются три типа алюминиевых электролизеров: с предварительно обожженными анодами (ОА) и с самообжигающимся анодом с верхним (ВТ) и боковым (БТ) токоподводом. Производство алюминия на электролизерах с самообжигающимся анодом типа ВТ и БТ связано со сравнительно высоким уровнем выбросов в окружающую среду вредных веществ, в частности, фторидов и смолистых погонов, ряд компонентов которых обладают канцерогенной опасностью.
Многолетними исследованиями российских и зарубежных ученых, мировой и отечественной практикой доказано, что наиболее высокими технико-экономическими и экологическими показателями в производстве алюминия характеризуются мощные электролизеры ОА, доля которых в мировом выпуске алюминия превышает 75%, тогда как в России в 2003 году она составила -15%, в том числе доля Саяногорского алюминиевого завода, оснащенного мощными электролизерами ОА, равна 13,2%.
Саяногорский алюминиевый завод (САЗ) является самым современным и передовым предприятием алюминиевой промышленности России, на котором
эксплуатируются серии электролизеров ОА на силу тока 175 и 255 кА. На заводе достигнуты наиболее высокие технико-экономические и экологические показатели в сравнении с российскими заводами, оборудованными электролизерами с самообжигающимся анодом типа ВТ и БТ. Однако к середине 90-х годов на САЗе не были в полном объеме освоены проектные технико-экономические показатели в производстве алюминия, которые к тому же уступают лучшим достижениям зарубежных алюминиевых заводов. Поэтому исключительно важной и актуальной задачей отечественной металлургии является разработка новых технических решений по модернизации мощных электролизеров ОА, усовершенствованию технологии электролиза и интенсификации производства алюминия, внедрение которых позволило бы повысить экономическую эффективность и экологическую безопасность производства металла на действующих и вновь создаваемых агрегатах этого типа. В диссертации на примере САЗа исследованы пути решения проблем модернизации электролизеров ОА, усовершенствования технологии электролиза и интенсификации производства на агрегатах этого типа, совершенствования системы очистки газов в пылегазоочистных установках и улучшения экологической обстановки в зоне влияния алюминиевого завода.
Исследования и разработки, приведенные в диссертации, выполнены под руководством или непосредственном участии автора в период 1996-2002 годов в рамках "Федеральной программы технического перевооружения и развития металлургии России (1993-2000гг), одобренной Постановлением правительства Российской Федерации № 41 от 24 января 1994 года.
Целью настоящей работы является:
• Исследование, разработка и внедрение научно-технических решений по модернизации электролизеров ОА и оснащению их автоматизированными системами питания технологическим сырьем (АПГ, ЦРГ, АПФ);
• Усовершенствование технологии электролиза и интенсификация производства алюминия на модернизированных электролизерах ОА;
• Повышение экологической безопасности производства алюминия на основе отказа от системы поточной обработки электролизеров, усовершенствования системы сухой очистки электролизных газов и утилизации уловленных фторидов.
• Эколого-экономическая оценка природоохранных мероприятий на САЗе при эксплуатации модернизированных электролизеров ОА.
Научная новизна.
На основе проведенных исследований разработана и реализуется эффективная научно-обоснованная концепция по модернизации мощных электролизеров с обожженными анодами, усовершенствованию технологии электролиза и интенсификации производства алюминия на модернизированных агрегатах на базе новых разработок.
Впервые разработаны и освоены технические решения и алгоритмы управления системами автоматизированного питания мощных электролизеров технологическим сырьем (АПГ, ЦРГ и АПФ).
Впервые разработана и освоена научно-обоснованная диагностика отказов газоочистного оборудования в системах сухой очистки электролизных газов и эффективной утилизации уловленных фторидов.
Впервые разработана научно-обоснованная концепция расчета и варьирования норм расхода фтористого алюминия в зависимости от щелочности глинозема при утилизации фторсолей, уловленных в установках сухой очистки газов.
Практическая значимость работы.
Впервые в масштабе мощного алюминиевого завода обоснована экономическая и экологическая необходимость отказа от многолетней практики поточно-регламентированной обработки электролизеров ОА с переходом на системы автоматизированного питания агрегатов технологическим сырьем.
Впервые в отечественной металлургии разработаны и внедрены технические решения по модернизации электролизеров ОА с оснащением их системами автоматизированного питания технологическим сырьем (АПГ, ЦРГ, АПФ), включенными в многофункциональную систему АСУТП "ТРОЛЛЬ".
Разработаны и реализованы на практике технологические решения по усовершенствованию технологии электролиза и интенсификации производства алюминия на модернизированных электролизерах ОА с низким криолитовым отношением, в том числе с добавками карбоната лития, что позволило на сериях электролиза значительно увеличить производительность электролизеров, снизить трудовые затраты и удельные нормы расхода электроэнергии и технологического сырья. Разработан и реализован на практике комплекс мероприятий по повышению экологической безопасности производства алюминия на электролизерах ОА, обеспечивший значительное снижение выбросов в атмосферу фторидов и перфторуглеродов.
Разработана и реализована в производстве научно-обоснованная система диагностики отказов газоочистного оборудования в установках сухой очистки электролизных газов, что позволило значительно повысить эффективность их эксплуатации. Разработан и внедрен алгоритм автоматизированного питания
электролизеров фтористым алюминием с одновременной утилизацией фторидов, уловленных в сухой газоочистки.
Впервые на примере мощного алюминиевого завода осуществлена комплексная эколого-экономическая оценка эффективности проводимых на предприятии природоохранных мероприятий по защите окружающей среды.
Личный вклад автора.
Диссертационная работа базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований, проектно-конструкторских разработок, опытно-промышленных и промышленных испытаний, проведенных под руководством автора и в сотрудничестве со специалистами ВАМИ и САЗ.
На защиту выносятся. Экспериментально подтвержденные научно-технические решения по модернизации электролизеров ОА, усовершенствованию технологии электролиза и интенсификации производства алюминия на металлургических агрегатах, оснащенных системами автоматизированного питания технологическим сырьем.
Комплекс научно-технических разработок по повышению экологической безопасности производства алюминия на электролизерах ОА, включающий в свой состав отказ от поточно-регламентированной обработки металлургических агрегатов, усовершенствование системы сухой очистки газов и утилизации уловленных фторидов, научно-обоснованную систему диагностики отказов газоочистного оборудования в установках сухой газоочистки, методологию расчета норм расхода фтористого алюминия с учетом свойств глинозема.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на научно-практических семинарах "Охрана окружающей среды в алюминиевой промышленности России" Санкт-Петербург, 2000, 2001 и 2002гг. Москва 2003г.; на Всероссийском съезде по охране природы. Москва 2003г.; на Международной научной конференции молодых ученых "Экология Южной Сибири". Абакан 2001г. и конференции по "Охране природы Республики Хакасия". Абакан 2003г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
При оформлении диссертации автор выражает сердечную благодарность д.т.н. Н.А.Калужскому, д.т.н. В-И.Смоле, к.т.н. В.С.Буркату за ценные замечания, выявленные в работе и учтенные при оформлении диссертации, а также директору Государственной станции агрохимической службы "Хакасская" - Антонову Ивану Сергеевичу, директору ФГУП "СиБНИИиПИ ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА и МЕЛИОРАЦИИ" - Мамонтову Анатолию Васильевичу, начальнику ГУ "Хакасской ЦГМС" - Гусейнову Вагифу Аббасовичу за многолетнее сотрудничество по изучению влияния выбросов Саяногорского алюминиевого завода на растительный мир, почвенный покров, атмосферный воздух и поверхностные воды, и полезные советы при работе над диссертацией.
Основные этапы развития техники электролиза. Технические и экологические преимущества электролизеров ОА
На первом этапе создания отечественной алюминиевой промышленности при пуске в эксплуатацию ВАЗа были применены электролизеры ОА на силу тока 23-24 кА. После модернизации электролизеры этого типа на силу тока 50-52 кА продолжают эксплуатироваться на ВАЗе до настоящего времени.
На втором этапе развития отечественной металлургии алюминия (1939-1964гт.) начато применение электролизеров БТ. Первые электролизеры этого типа на силу тока 50 кА были применены в серийном строительстве в 1939 году на УАЗе, затем в 1943г. на НкАЗе (цех № 1), в 1945г. - на БАЗе, в 1950г. - на КАЗе и в 1954г. - на НАЗе. Начиная с 1964 года, когда на НАЗе был введен в эксплуатацию 4-ый корпус электролиза, дальнейшее серийное строительство электролизеров БТ в России было прекращено, по причине их относительно небольшой мощности. По состоянию на начало 2002 года на 5-ти алюминиевых заводах, оборудованных электролизерами БТ, в эксплуатации находилось 2370 металлургических агрегатов этого типа.
На третьем этапе технического развития (1959-1984гт.) в отечественной алюминиевой промышленности широкое применение получили электролизеры ВТ на силу тока от 130 до 155 кА (ВгАЗ, НкАЗ (цех № 2), ИркАЗ и БрАЗ. Первые серийные электролизеры ВТ на силу тока 130 кА были введены в эксплуатацию в 1959г. на ВгАЗе. Последний корпус электролизеров этого типа на силу тока 155 кА был введен на КрАЗе в 1984 году. Дальнейшее строительство электролизеров ВТ в России из-за сравнительно высоких выбросов в атмосферу вредных веществ было прекращено. Наиболее современные модификации электролизеров ВТ серии С8Б и С8БМ на силу тока 155-160 кА являются самыми мощными в мировой практике среди агрегатов этого типа. По состоянию на начало 2002 года на 5-ти алюминиевых заводах России, оборудованных электролизерами ВТ, в эксплуатации находилось 5800 металлургических агрегатов этого типа.
Техническое перевооружение серий электролиза, оборудованных электролизерами с самообжигающимся анодом типа БТ и ВТ с реконструкцией их на электролизеры ОА нового поколения является важнейшей стратегической задачей отечественной алюминиевой промышленности, однако решение этой проблемы на большинстве предприятий откладывается на неопределенное время из-за отсутствия необходимых инвестиций в металлургии алюминия. С учетом возрастающих требований к охране окружающей среды отечественная алюминиевая промышленность вступила в четвертый этап своего развития по созданию, освоению и широкому применению в производстве алюминия мощных электролизеров ОА нового поколения. Началом этого этапа является 1969 год, когда по проекту ВАМИ (1967г.) на КрАЗе был введен в эксплуатацию опытный электролизный корпус, оснащенный электролизерами на силу тока 100 кА, затем на ВгАЗе были пущены в эксплуатацию опытные электролизеры на силу тока 130-150 и 260 кА [3].
В брошюре [4], подготовленной сотрудниками ВАМИ, впервые в отечественной литературе был детально описан передовой зарубежный опыт применения электролизеров с обоженными анодами при строительстве новых алюминиевых заводов. На основании проведенных исследований и опытно-промышленных испытаний электролизеров ОА [3], ВАМИ с разрешения Правительства в 1972 году был полностью переработан проект строящегося алюминиевого завода в Таджикистане с заменой серийных электролизеров ВТ на новые поколения электролизеров ОА. В 1975 году вступил в эксплуатацию Таджикский алюминиевый завод (ТадАЗ), который стал первым в СССР предприятием, полностью оснащенным мощными электролизерами на силу тока 160 кА (4 корпуса электролиза), 175 кА (6 корпусов электролиза) и 255 кА (2 корпуса электролиза). Первые корпуса мощных электролизеров ОА на силу тока 160 кА, установленных на ТадАЗе, представлены на рисунке 1.1. Обработка электролизеров О А здесь осуществлялась с помощью напольно-рельсовых машин поточным методом.
В конце 70-х годов параллельно со строительством ТадАЗа, по проекту ВАМИ, развернулось проектирование и строительство Саяногорского алюминиевого завода (САЗ), вступившего в эксплуатацию в 1985 году. К середине 90-х годов на САЗе уже эксплуатировались 8 современных корпусов электролиза (2 серии электролизеров на 175 кА и 2 серии электролизеров на 255 кА). Вторая очередь завода по проекту ВАМИ (4 корпуса электролиза) пока не построена.
В настоящее время САЗ является самым современным алюминиевым заводом России, оснащенным наиболее мощными электролизерами ОА.
Наиболее успешно работу по техническому перевооружению своего предприятия ведет Красноярский алюминиевый завод. Здесь к настоящему времени в корпусе электролиза № 7 произведена полная замена электролизеров ВТ с широким анодом (3,6 м) на современные автоматизированные электролизеры ОА на силу тока 160 кА. В корпусе электролиза № 8 вместо электролизеров О А на силу тока 100 кА с несовершенным укрытием агрегатов, установлены и успешно эксплуатируются автоматизированные электролизеры ОА на силу тока 120 кА, аналогичные электролизеры О А установлены на части площадей цеха алюминия высокой чистоты.
На Уральском алюминиевом заводе, начиная с 1988г. были последовательно остановлены электролизные корпуса № 1, 2, 7 и 8, оборудованные электролизерами БТ, при этом были демонтированы не только электролизеры, но и устаревшие здания указанных корпусов электролиза. На их месте построена серия электролизеров ОА на силу тока 160 кА (два электролизных корпуса) с современной сухой газоочисткой. Реализация этого проекта на УАЗе была связана с крупными инвестициями и осуществлялась при большой поддержке со стороны Государства.
На Надвоицком алюминиевом заводе успешно идет реконструкция корпуса электролиза № 4 с заменой устаревших конструкций электролизеров БТ на электролизеры ОА на силу тока 85 кА при сохранении продольной компоновки агрегатов. Опытные группы электролизеров ОА эксплуатируются на Кандалакшском и Иркутском алюминиевых заводах. По состоянию на начало 2002 года в отечественной алюминиевой промышленности находилось в эксплуатации 1522 электролизера О А.
Исследованиями ученых [3, 5, 6] и мировой практикой показано, что эксплуатация мощных электролизеров ОА нового поколения характеризуется наиболее высокими технико-экономическими и экологическими показателями в производстве алюминия.
Модернизация электролизеров ОА, создание и освоение автоматизированной системы питания агрегатов технологическим сырьем
Для разработки и освоения точного АПГ на САЗе была создана творческая группа специалистов при непосредственном участии автора диссертации. В мировой и отечественной практике опробовано несколько конструкций точечного АПГ [24,25,28]. Выбор оптимальных систем АПГ определяется особенностями действующих конструкций электролизеров и в большой степени зависит от свойств самого глинозема: растворимости, сегрегации в емкостях хранения и при транспортировании, поведения на поверхности раздела металл-электролит и в среде электролита. Положение осложняется еще и тем, что на отечественных заводах одновременно в производстве используют глинозем от различных поставщиков, часто с существенно различающимися свойствами. Для электролизеров ОА основными конструкциями для проведенных нами испытаний стали системы АПГ с секторными (рис. 3.2а) и клапанными дозаторами (рис. 3.26), которые относительно просты по устройству и надежно работают при отсутствии инородных включений [81, 83].
Автоматизацию управления АПГ осуществляли, используя систему управления технологическим процессом электролиза (АСУТП) "ТРОЛЛЬ" фирмы "ТокСофт" — на 1 серии электролиза, "СТЕЛЛА" на 4 серии электролиза и фирмы "ТЕКМО" на 10 электролизерах 2 серии, которые позволяли вести питание по концентрации глинозема. Остальные электролизеры были оснащены локальной автоматикой для работы по таймеру. Принципиальная схема автоматической подачи глинозема в электролит представлена на рис.3.3.
Испытания и освоение автоматизированного питания ванн глинозема (АПГ) на заводе было начато в 1994 году в корпусе электролиза № 2, когда была закончена реконструкция и установлены 40 электролизеров С-190, оборудованных системой АПГ.
В 1995 году в корпусе электролиза № 3 по проекту фирмы "ТЕКМО" (Италия) были оборудованы системой АПГ точечного типа 10 электролизеров С-175М2. Отличием системы АПГ фирмы "ТЕКМО" является наличие дозатора клапанного типа, а также бункера и дозатора для подачи фтористого алюминия. Совместно с системой АСУТП и компенсационным контуром ошиновки, система АПГ фирмы "ТЕКМО" впервые позволила эксплуатировать эти 10 электролизеров в режиме без обработки продольных сторон и питанием по концентрации глинозема, поддерживая криолитовое отношение по заданному алгоритму. Рис. 3.3. Принципиальная схема автоматической подачи глинозема в электролит 1 - бункер для глинозема, 2 - дозатор, 3 - пробойник, 4 - пневмоцилиндр дозатора, 5 - пневмоцилиндр пробойника, 6 - корка глинозема перемещение приводов дозатора и пробойника перемещение пробойника для разрушения корки направление движения глинозема из бункера через дозатор в расплав
В 1996-1999 годах были оборудованы системой АПГ точечного типа все остальные электролизеры С-175М2 в корпусах электролиза № 1 и 2. В 2000 году был запущен в эксплуатацию опытно-промышленный корпус электролиза (ОПКЭ) с электролизерами С-255. На всех 22 электролизерах этого корпуса была смонтирована система АПГ точечного типа с ковшевыми дозаторами, бункерами и дозаторами для фтористого алюминия; система АСУТП "Стелла", фирмы "ТоксСофт" (Москва), с автоматизированной централизованной раздачей глинозема (ЦРГ), разработанной специалистами САЗа. В корпусе ОПКЭ есть стабилизация тока и смонтирован компенсационный контур. Указанный комплекс технических решений позволил за короткий период (с 1 февраля 2000 года до 22 сентября 2000 года) перевести поэтапно все 22 электролизера в режим электролиза без обработки продольных сторон с питанием глинозема через систему АПГ «о концентрации. Накопленный опыт освоения АПГ точечного тина в ОПКЭ и других корпусах электролиза был заложен в программу перевода, всех электролизеров ОА САЗа на усовершенствованную систему АШ" нового поколений.
О системе автоматизированного питания электролизеров фтористым алюминием (АПФ). По проекту питание электролизеров ОА фтористыми солями (криолитом и фтористым алюминием) осуществлялось электролизниками вручную путем загрузки этого технологического сырья в мешках непосредственно на корку электролита. На САЗе заводскими специалистами с участием автора диссертации разработана и осваивается система автоматизированного питания электролизеров фтористым алюминием (АПФ), аналогичная системе АПГ [81, 82, 84]. На электролизере монтируется бункер для A1F;, в который перекачивается со склада фтористый алюминий, служащий для корректировки электролита. Бункер с АШз на электролизере снабжен точечным дозатором, аналогичным применяемым в системе АПГ. Разовые загрузки фтористого алюминия рассчитаны применительно к составам электролита в зависимости от криолитового отношения. Системы АПГ и АПФ были включены в систему автоматического управления технологическим процессом электролиза (АСУТП), что обеспечивает их эффективное функционирование. Для систем АПГ, ЦРГ и АПФ перед включением их в АСУТП на электролизерах ОА с участием автора диссертации были разработаны алгоритмы питания электролизных ванн технологическим сырьем (АПГ, ЦРГ и АПФ). Описание алгоритмов питания ванн фтористым алюминием приведено в главе 4.
На рисунке 3.5 приведена динамика внедрения систем АПГ, ЦРГ и АПФ на САЗе за период 1998-2002 годов. Из приведенных на рисунке данных видно, что по состоянию на конец 2000 года из 742 электролизеров ОА, установленных на заводе, системами АПГ были оснащены все 100% электролизеров, системами ЦРГ-660 электролизеров (89%) и системами АПФ - 100 электролизеров.
Повышение эффективности контроля выбросов фтористого водорода после газоочистной установки
Снижение и контроль выбросов фтористого водорода (HF) является одним из главных экологических требований при производстве первичного алюминия [83,84,87]. Для постоянного контроля концентрации HF в очищенных газах в газоочистных установках 1-8 применяются стационарные газоанализаторы (сенсиметры), основанные на потенциометрическом принципе измерения.
При рассмотрении вопроса контроля и регистрации содержания HF в очищенных газах опытно-промышленного корпуса электролиза были проведены испытания не применявшейся ранее в России компьютеризированной спектрометрической системы "LasiR", включающей лазерный диод с регулируемой длиной волны инфракрасного (ИК) излучения.
Используемая на ГОУ ОПКЭ система контроля предусматривает возможность измерения концентрации HF одновременно в 4 точках (на входе и выходе ГОУ, в рабочей зоне и на фонаре) в диапазоне от 0,004 до 5000 мг/нм3 с периодичностью усредненных замеров от 1 с до 10 мин. Оборудование может работать в широком диапазоне температур газового потока (-100...+1000С), работы оптических головок (-40...+150С) и системного блока(+5...+40С)[87]. В настоящее время система "LasiR" установлена на сборном коллекторе очищаемого газа и на газоходе очищенного газа, что позволяет контролировать концентрацию фтористого водорода на входе и выходе из установки-Результаты определения концентрации фтористого водорода на входе и выходе из установок показаны на рис. 4.3., 4.4.
Анализ полученных данных показывает, что при средней входной концентрации HF -82,6 мг/м3. средняя концентрация HF в очищенных газах составляет 0,23 мг/м3, что свидетельствует о высокой степени очистки газов (99,7%).
Статистическая обработка данных показала, что при рассмотрении зависимости выходной концентрации HF от входной коэффициент корреляции невысок — на уровне 0,33, что гарантирует стабильное обеспечение низких величин выходной концентрации HF независимо от колебаний входной концентрации HF.
В то же время обращает на себя внимание то, что среднеквадратичное отклонение значений выходной концентрации достигает 0,09 мг/м3 при средней величине концентрации 0,23 мг/м3 (38,8%). Это может быть связано со специфическим технологическим режимом работы установки сухой газоочистки, характеризующимся периодическим импульсным встряхиванием рядов рукавов по заданной программе. В момент встряхивания рукавов нарушается целостность фильтрующего слоя глинозема на регенерируемых рукавах и несколько увеличивается проскок HF. В то же время количество одновременно регенерируемых рукавов незначительно по отношению к общей массе рукавов, поэтому колебание выходной концентрации HF практически не сказывается на общей высокой эффективности очистки газов от фтористого водорода.
Применяемая система анализа незаменима и при проведении работ по оптимизации технологического процесса очистки газов. Так, при переходе работы ОПКЭ в 2001 г. с «мучнистого» глинозема на «песчаный», эффективность работы ГОУ контролировалась системой "LasIR"» что позволило оперативно и качественно определять изменения концентрации HF в очищенном газе (рис.4.4).
Новая технология измерений фтористого водорода на алюминиевых производствах фактически вытесняет традиционный метода измерения - потенциометрический, используемый для измерения концентрации HF в очищенных газах [87,91].
Целью использования системы "LasIR" является не только получение информации экологического характера, но также достижение определенного экономического эффекта. Так как электрическая энергия является самым дорогим сырьем в производстве алюминия, то ее оптимальный расход - это важная экономическая задача. Технологическая обработка электролизеров (замена анодов, выливка, подсыпка сырья и т.д.) приводит как к эмиссии анодных газов в воздух цеха, так и к уменьшению средней температуры электролита, к снижению эффективности электролиза и дополнительному расходу электроэнергии. Непрерывные наблюдения за текущими концентрацияхш фтористого водорода на входе в газоочистку позволяют оценить длительность технологической обработки электролизеров, а также количество фтора, поступившего на газоочистку, для решения задачи максимального улавливания выделяющегося фтора и направления его в систему газоочистки, с последующим улавливанием и возвратом в процесс электролиза.
Показания изменения концентрации HF системой "LasIR1 при переходе с мучнистого на песчаный глинозем В отходящих газах алюминиевого производства, наряду с газообразным фтором, присутствуют еще и твердые частицы, состоящие из углерода, оксида алюминия, Na3AlF6, NasAIFu AIF3, CaF2 и др.. Необходимо отметить, что в пыли больше всего содержится оксида алюминия и фторидов. Учитывая, что фтористые соединения представляют наибольшую опасность, то необходимость очистки отходящих газов от мелкодисперсных частиц фторидов очевидна.
Одним из существенных направлений повышения экологической безопасности установок сухой очистки газов является анализ возможных отказов оборудования. Основной целью диагностики неполадок является минимизация объема экспериментальных данных, уменьшение длительности анализа процесса, затрат машинного и рабочего времени и точности определения причин неудовлетворительной работы или местоположения неисправностей. Анализ неполадок связан с подготовкой различного вида логических диаграмм или соответствующих причинно-следственных матриц, которые отображают взаимосвязь между нарушениями в работе и наблюдаемыми признаками. При рассмотрении этих методов могут быть выявлены аварийные ситуации и возможные отказы установки сухой газоочистки, а также проведена диагностика причин неудовлетворительного функционирования работающей установки [89].
Диагностика неисправностей является экономически эффективным, логически последовательным и наглядным инженерным методом, который широко используется для идентификации опасностей, анализа надежности и работоспособности различных систем, начиная от стадии ее принципиальной разработки и проектирования и кончая этапами постройки, наладки и эксплуатации [88,90]. Он может быть применен как к отдельным частям, так и ко всей установке в целом.
Оценка воздействие Саяногорского алюминиевого завода на почвенный покров
Почвенный покров [96] является важнейшим элементом ландшафтно-экологических систем, он играет огромную роль в сохранении и нормальном функционировании биосферы, влияет на чистоту воды и воздуха. Покров является базисом для производства продуктов питания и сельскохозяйственного сырья для промышленности, аккумулирует и перераспределяет через фотосинтез растений солнечную энергию, обеспечивает оптимальный баланс кислорода и углерода в атмосфере, представляет собой своего рода "экран", удерживающий в биосфере важнейшие для обеспечения жизни на земле химические элементы, способствуя сохранению биоразнообразия. Почвенный покров является важнейшим компонентом биосферы, играя роль физико-химического и биологического поглотителя и нейтрализатора многих загрязнителей, способствует "самоочищению" ландшафта.
При проведении исследований, выполненных автором с Сибирским научно-исследовательским и проектно-изыскательским институтом землеустройства и мелиорации (1988-2004 гг.), приоритетное внимание уделяется не только конкретному содержанию фтора в почвах, но и изучению динамики и развития тенденций фторидного загрязнения почв [96]. Как видно из рис. 5.2.1 практически 95% площадей за все годы исследований имеют концентрацию фтора от 0,0 до 3,0 мг/кг почвы, при ПДК 10 мг/кг, т.е. содержание фтора в них абсолютно безвредно, и накопления фтора практически не происходит.
Ареал распространения площадей с концентрацией фтора 3-5 мг/кг почвы несколько расширен, в то же время отчетливо прослеживается уменьшение площадей (почти в 2 раза) с концентрацией 5-7 мг/кг, что лишний раз подтверждает положительный эффект от работ по снижению выбросов фтористых соединений.
Выполненный анализ данных по содержанию фтора в почвах, включая и его водорастворимую форму, по мере удаления от промышленной площадки позволил выявить обратно-экспоненциальную зависимость: чем больше расстояние, тем меньше содержание фтора (рис.5.2.1). Так, наибольшие его величины отмечаются в почвах санитарно-защитной зоны (СЗЗ) в радиусе 3 км, где количество фтора находится в пределах 6,44 - 8,27 мг/кг почвы, что составляет общую площадь 833,3 га - это около 0,6% от общей площади обслуживания. Следует отметить, что условия произрастания любой сельскохозяйственной продукции здесь также вполне благополучные.
Анализируя данные по фтору (табл. 5.3), полученные на 8 мониторинговых площадках, находящихся в зоне влияния завода можно сделать вывод, что фторидныи уровень в почвах за годы исследований 1997-2002 гг. практически остается неизменным.
Математическая обработка результатов наблюдения антропогенного загрязнения литосферы, представленная в виде графических зависимостей F=f(x), показывает, что закономерных изменений концентраций фтора по годам не наблюдается (рис.5.2.2), т.е. колебание содержания фтора в почвах определяется, в основном, динамическими свойствами экосистемы, а конкретнее - факторами неживой (топографическими, климатическими, химическими) и живой (микробо-, фито- и зоогенными) природы мест отбора проб. Необходимо подчеркнуть, что фториды, за исключением KF (45,0%), плохо растворимы в воде: A1F3 (0,41%); Na3AlF6 (0,42%); LiF (0,13%); NaF (3,90%); NaHF2 (3,75%) [1]. Поэтому важнейшую роль в ускорении растворения фтористых соединений могут играть кислотность почвы, жизнедеятельность бактерий, участвующих в цикле превращений фтора, зеленые растения, создающие биологическую миграцию элементов, количество дождевых дней, наличие паводков и талового снега, рельеф местности.
Таким образом, экологическое состояние почвенного покрова исследуемой территории, прилегающей к заводу, на площадях сельхозпредприятий Хакасии и Шушенского района с точки зрения фторидной нагрузки можно рассматривать как благоприятное для произрастания любой сельскохозяйственной продукции.
Полученные результаты и сделанные выводы хорошо совпадают с данными других исследований. Так, по данным Межведомственной комиссии по оценке экологической обстановки в районе размещения Саяногорского алюминиевого завода от 08.10.1997 г., содержание водорастворимого фтора в почвах хозяйств Бейского, Кировского, Аршановского, Краснопольского районов находится на очень низком уровне 1,5-3,0 мг/кг, это свидетельствует о том, что техногенное воздействие завода на окружающую территорию не привело к предполагаемому ранее накопительному процессу фтористых соединений в почве и содержание водорастворимого фтора стабилизировалось на уровне 30-50% от ПДК.
В отчете Института Географии СО РАН "Распространение аэропромвыбросов фтора Саяногорского алюминиевого завода на территории Минусинской котловины и его роль в общем балансе" от 9 марта 1993 г. также отмечается, что за годы исследований на различном расстоянии от ОАО "САЗ" повышения уровня содержания техногенного фтора в почве и сопредельных средах не произошло.
ФГУ ГСАС "Хакассия" не обнаружено негативного воздействия промышленных выбросов САЗа на почву и растения, однако территория, на которой улавливаются фториды, превышающие фоновое содержание оказывается равной 1900 кв. км. На этой площади почвенного покрова рассредоточено твердых и газообразных фторидов в виде аэрозолей в среднем 0,1 г на 1 м или 0,43-0,45 мг/кг почвы. Этим, по-видимому, и объясняется очень слабая и неустойчивая динамика фторидов в почве.
Таким образом, химические особенности (температура приземного воздуха, атмосферные осадки, водный режим почв и грунтов, ветровая активность), особенности почвенного покрова, орографии Южно-Минусинской впадины, в том числе территории, окружающей ОАО "САЗ", представляют достаточно мощный самоочищающий и нейтрализующий природный комплекс, способный длительное время переводить активные химические соединения в нерастворимые виды.
Четырнадцатилетний мониторинг [91,92,94,95] экологического состояния растительного покрова в Хакассии позволил установить радиус распространения фторидов, выбрасываемых в атмосферу Саяногорским алюминиевым заводом, величина которого не превышает 20-30 км. Для определения уровня фторидов растительном покрове было взято и химически проанализировано в 1989-2002 гг. 13296 усредненных образцов (проб) растений. Использованы статистические приемы с привлечением большого количества данных для формирования совокупности и получения достаточно надежных средних и доверительных интервалов, подтверждающие картину реального состояния фторидной среды.
Концентрация фтора в сухом веществе пастбищного и сенокосного корма естественных сельхозугодий и сеяных трав все годы была невысокой - 1,9-9,7 мг/кг (0,09-0,49 МДУ), которая свидетельствует о вполне удовлетворительном качестве кормов. Пункты обследования сенокосов и пастбищ условно были поделены на четыре группы в зависимости от удаленности от САЗ. В первую группу включены пункты, находящиеся на расстоянии 3-15 км от завода, во вторую - 15-30 км, в третью - 30-50 км, в четвертую
