Общая характеристика работы

2.1 Предварительное наименование

Введение

Глава 1. Особенности адсорбции фтористого водорода оксидом алюминия при сухой очистке газов

Глава 2. Методика исследования и аппаратурное оформление

Глава 3. Изучение адсорбционных процессов на поверхности глинозема в различных технологических условиях

Глава 4. Повышение эффективности улавливания отходящих газов и пыли в электролизных корпусах

Заключение

Список литературы

2.2 Оглавление первой обзорно-аналитической главы работы

1.1 Технология мощного алюминиевого электролизера и существующие системы сухой газоочистки

1.2 Баланс по фтору и снижение потерь фторсодержащих компонентов.

1.3 Взаимодействие глинозема с фторидами отходящих газов.

1.4 Способы утилизации промышленных газов (патентный обзор)

Выводы по главе I.

3. Предполагаемые новые технологические, технические, экономические, экологические решения

3.1 Чертеж

Рисунок 1 Пусковое газосборное укрытие алюминиевого электролизера

Пусковое газосборное укрытие алюминиевого электролизера, представляющее собой укрытие ангарного типа, включающее в себя жесткий металлический каркас, обшитый листовым металлом, слой электрической изоляции в нижней части по всему периметру устройства, газосборную систему, и проушины для крепления стропов при транспортировании по корпусу электролиза, отличающееся тем, что пусковое укрытие выполнено с возможностью временной локальной герметизации алюминиевого электролизера.

3.2 Информация о подготовленной заявке на изобретение

Получен патент на полезную модель (№135320) по тематике исследования “Пусковоегазосборное укрытие алюминиевого электролизера”

3.3 Краткое геологическое, экономическое, техническое описание предложений

Полезная модель относится к цветной металлургии, а именно к средствам сбора отходящих газов алюминиевого электролизера в пусковой период. Газосборное укрытие представляет собой устройство ангарного типа, в поперечном сечении – равнобокую трапецию. Состоит из жесткого металлического каркаса, обшитого листовым металлом. Для обеспечения требований электробезопасности устройство снабжено слоем электроизоляции снизу по периметру. На крыше укрытия расположены проушины для крепления стропов при транспортировке краном по корпусу электролиза. Продольные стороны укрытия разделены на секции, каждая из которых снабжена стальной рольставней, обеспечивающие при необходимости доступ к продольным сторонам алюминиевого электролизера для проведения технологических операций. Газосборная система отходящих газов включает в себя мощный вытяжной вентилятор, установленный в торцевой стенке укрытия, и выполнено с возможностью подсоединения к общей системе газохода корпуса посредством металлической гофры и фланца. Газосборное укрытие позволяет полностью ликвидировать выбросы вредных веществ в атмосферу корпуса в пусковой период, а также снижает расход фтористых солей на пуск, за счет транспортировки отходящих газов в систему сухой газоочистки, что позволяет улучшить экологическую обстановку и снизить затраты на пуск.

4. Планируемые теоретические, лабораторные, виртуальные и натурные исследования

4.1 Разработанная программа и методика исследований

Для определения эффективности газоочистных установок (ГОУ), в которых в качестве сорбента используется песочный глинозем, опыты проводятся при помощи лабораторной модели промышленной ванны, изображенной на рисунке 2.

В стальной стакан 2 в печи 1 установлен стеклоуглеродный тигель 3, заполненный криолит-глиноземным расплавом. Температура поддерживается за счет нагрева печи в пределах 950-960 °C с изменением криолитового отношения от 2,1 до 2,7 . Контроль температуры и напряжения осуществляется при помощи термопары 6 и вольтметра 7. Отходящие газы поступают в газосборник 4, который находится сверху тигля 3. Газы последовательно проходят по трубам 8, 9 и поступают в реактор-адсорбер, наполненный глиноземом с различной выдержкой в потоке отходящих газов. Скорость потока регулируется вакуум-насосом 15. Состав отходящих газов прошедших через слой глинозема регистрируется на масс-спектрометре 14 PfiefferVacuumTermostarGSD301T3 (Германия). Сигнал от термопары 6, вольтметра 7 и масс-спектрометра 14 поступает на пульт управления системы 17.

4.2 Созданные экспериментальные стенды

Рисунок 2 - Схема лабораторной установки

4.3 Результаты первой серии экспериментов

Глинозем выдерживали в потоке отходящих газов фторидов в различные промежутки времени. Была получена серия проб фторированного глинозема после сухой газоочистки.

4.4 Информация о подготовке публикаций

Готовится к выходу статья в журнале ВАК.

5. Предполагаемые объекты внедрения результатов исследований: возможные предприятия и организации, заинтересованные в этих исследованиях

На предприятиях ОК РУСАЛ и минерально-сырьевого комплекса, занимающихся производством алюминия из криолит-глиноземных расплавов на высокоамперных электролизерах с использованием сухой очистки отходящих газов (Богучанский и Тайшетский алюминиевый завод).

6. Планируемые производственные эксперименты и опытно-промышленные работы и предполагаемые предприятия для этих работ.

Опытно-промышленный эксперимент с набором данных, зарегистрированных данных по выбросам во время проведения технологических операций выливки металла, замены анодов, перетяжки анодной рамы, обработки продольных и торцевых сторон электролизеров с обожженными анодами. Отбор проб внутри и снаружи производственных корпусов, позволяющих составить схему эффективного удаления, сбора и утилизации промышленных отходов во время электролитического процесса.

7.Краткая аннотация выполненных разделов диссертации для доклада на аттестации

7.1Краткий анализ объекта исследований

Повышение эффективности работы газоочистных сооружений в процессе производства алюминия на высокоамперных электролизерах при нейтрализации фторсодержащих компонентов, вредных газов и пылей во время технологических операций.

7.2Краткий обзор и анализ научно-технической литературы

Проведен предварительный обзор литературы (проработано 25 литературных источников)

7.3Краткий обзор предложенных решений

Исследование кинетики процесса хемосорбции фтора на поверхности глинозема песочного типа при удалении промышленных газов в систему газоочистки.

7.4Краткая информация об изобретениях и патентах

В 2013 году получен патент на полезную модель (№135320) по тематике исследования “Пусковое газосборное укрытие алюминиевого электролизера”

7.5Краткое изложение методики исследований

В шахтную печь погружен тигель, заполненный криолит-глиноземным расплавом. Температура поддерживается за счет нагрева печи в пределах 950-960 °C .Контроль температуры осуществляется при помощи термопары. Отходящие газы поступают в реактор-адсорбер, где в качестве адсорбента используется глинозем песочного типа. В реакторе-адсорбере в режиме аэровзвеси, происходит процесс соединения фтористого водорода с оксидом алюминия. Глинозем выдерживается в потоке отходящих газов в течение различных промежутков времени. В результате получается серия проб фторированного глинозема. Пробы фторированного глинозема анализируются с целью получения кинетических зависимостей адсорбции.

7.6Краткая информация о созданных экспериментальных стендах

Для определения эффективности газоочистных установок (ГОУ), в которых в качестве сорбента используется песочный глинозем, опыты проводятся при помощи лабораторной модели промышленной ванны и модели сухой газоочистки.

7.7Краткая информация о проведенных экспериментах

Глинозем выдерживали в потоке отходящих газов фторидов в течение различных промежутков времени. В результате получена серия образцов фторированного глинозема. Необходимо провести электронно-микроскопическое исследование полученных образцов.

8. Обзор литературы по теме диссертации

1. Галевский Г.В. Металлургия алюминия. Воздействие электролитического производства на окружающую среду и здоровье человека / Г.В. Галевский, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов // Сиб. гос. индустр. ун-т. – Нц-к : Изд. центр СибГИУ, 2011. – 203 с.

В учебном пособии кратко освещены основные вопросы законодательства об охране окружающей среды, технологические основы производства алюминия электролизом; дана токсикологическая оценка используемого сырья, выделений и отходов; систематизированы источники выбросов в окружающую среду; проанализированы технологические и конструктивные факторы, влияющие на величину и состав выбросов, намечены пути по их минимизации. Представлены способы и устройства, позволяющие локализовать выделения из электролизеров и обезвреживать их; изложены основы промышленной вентиляции, водопотребления и отвода сточных вод; описаны вопросы санитарии, гигиены и профессиональной заболеваемости.

2. Галевский Г.В. Экология и утилизация отходов в производстве алюминия : учебное пособие для вузов / Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис// 2-е изд. – М. : Флинта ; Наука, 2005. – 268 с.

Изложены основы экологического законодательства, вопросы образования отходов при производстве алюминия электролизом. Показаны пути минимизации выбросов вредных веществ в окружающую среду, приведена токсикологическая оценка сырья и отходов, а также современные методы их утилизации. Рассмотрены вопросы водоснабжения, сброса сточных вод и захоронения твердых отходов. Даны методы расчета платы за выбросы вредных веществ.

3. Галевский Г.В. Металлургия алюминия. Технология, электроснабжение, автоматизация : учебное пособие для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. / Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов. – М. : Флинта: Наука, 2008. – 529 с., ил.

В учебном пособии рассмотрены свойства и применение алюминия, способы его производства, строение и свойства электролита, основы электролиза криолит-глиноземных реагентов, применение глинозема в производстве алюминия электролизом, конструкции электролизеров и основы их расчета, распределение тока, электромагнитные и газо-гидродинамические явления в электролизере, транспорт глинозема и системы автоматизированного питания глиноземом, управление процессом электролиза (АСУ ТП), серия электролиза.

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

5. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники – М. Химия, 1984 – 592 с.

Описано практическое применение адсорбционных процессов , в частности для защиты атмосферы и гидросферы от загрязнений, кондиционирования и хранения продукции, о разделении газов в движущимся слое адсорбента. адсорбционно- десорбционный цикл и вспомогательные стадии процесса рассмотрены как комплекс равновесных и кинетических закономерностей, вытекающих из данных об адсорбционном равновесии, структуре сорбентов, кинетики и динамике адсорбции. изложены основы теории адсорбции и важнейшие процессы, реализованные на ее основе.

6. Машовец В.П. Электролитическое производство алюминия / В.П. Машовец, Г.В. Форсблом // М. Металлургиздат 1980 -185 с.

В книге даны основные сведения из химии, физики, электрохимии, а также изложены теоретические и практические основы электролитического получения алюминия. Приведено описание устройства, монтажа и работы ванн, методы и приемы их обслуживания и пути устранения неполадок в работе.

7. Янко. Э.А. Производство алюминия/ Э.А. Янко.- СПб: Изд-во СПбГУ, 2007. 376 с.

Дано описание конструкции основных типов алюминиевых электролизёров: с самообжигающимися и с предварительно обожженными анодами. Представлены сведения, касающиеся практики обслуживания электролизёров в режиме нормального технологического состояния и при технологических нарушениях. Даны практические рекомендации по обслуживанию анодов, как самообжигающихся с боковым и верхним подводом тока, так и предварительно обожженных.

8. Аншиц А.Г. Экологические аспекты производства алюминия электролизом / А.Г.Аншиц, П.В.Поляков, А.В.Кучеренко и др. - Новосибирск : 1991. - 92 с.

Рассмотрены экологические аспекты производства алюминия во взаимосвязи с технологией на основе самобжигающихся и обожженных анодов. Описываются пути уменьшения экологической опасности за счет применения сухой анодной массы , стойких катодных материалов, совершенствования конструкций электролизера и технологии их обслуживания. Обсуждается механизм перехода фтора в газовую фазу и негативное воздействие полициклических ароматических углеводородов на биосферу.

9. Patterson, E.C., Hydrogen Fluoride Emissions From Aluminium Electrolysis Cells. PhD Thesis, The University of Auckland, New Zealand, 2002.

В работе показано, что в современном алюминиевом электролизере с обожженными анодами к наиболее значимым производственным факторам, влияющим на выбросы, относится вторичное образование HF, долгосрочные изменения в выбросах это результат изменения влажности окружающей среды и поверхности корки электролита в ванне. Контроль над состоянием целостности корки имеет наибольшее значение для сокращения изменений. Это относится как к эксплуатации в обычных условиях, так и к периодическим загрузкам. Сокращение всех остальных источников выбросов является проблемой вещественного состава электролита.

10. Paulin Irena, Donik Crtomir, Jenko Monika. Mechanisms of HF bonding in dry scrubber in aluminium electrolysis . Materials and technology 43 (2009) 4, 189–193

В статье описано, что современная сухая газоочистка на предприятиях по производству алюминия работает с очень высокой эффективностью, как правило выше 99%. Принцип очистки отходящих газов это адсорбция HF чистым глиноземом в сухих реакторах-адсорберах. Очень важно при помощи какого механизма протекает реакция.

11. Беляев А.И. Металлургия легких металлов, М. Металлургиздат- 1970, 370 с.

Изложены основы металлургии важнейших легких металлов - алюминия, магния. бериллия, кальция, бария и лития. Приведены свойства каждого из этих металлов, области их применения, основные положения, теории и технологии их производства.

12. Исаева Л.А. Глинозем в производстве алюминия электролизом / Л.А. Исаева, П.В. Поляков – К.: ОАО «БАЗ», 2000 г – с. 199.

В работе описана роль глинозёма и механизм его получения. А также физико-химические свойства глинозема, его растворение в криолит-глиноземном расплаве и критерии выбора.

13. Devadiga H. R. Reduction in HF emission through improvement in operational practices/ H. R Devadiga, Ali Jassim Banjab, Maryam Mohamed Al Jallaf / Light Metals 2013 p. 763-767

В электролизной ванне с предварительно обожженными анодами, фтористый водород образуется за счет постоянного электрохимического окисления водорода, который есть в составе углеродных анодов, что приводит к образованию выбросов HF. Кроме того, образование HF происходит из-за присутствия влаги в глиноземе или из-за электрохимической генерации на аноде,

Выбросы, как известно, оказывают неблагоприятное влияние на человека и на экологию мегаполисов. Поэтому Dubai Aluminium придерживается строгих стандартов качества работы, уменьшение выброса HF происходит благодаря инвестициям в высокоэффективные очистные сооружения отходящих газов, которые способны улавливать более 98 % фторидов и контролировать технологию работы. В серии электролиза D20, снижение фонарных выбросов HF на 30-50% было достигнуто после пересмотра технологии.

14. Ruijie Zhao Reduced ventilation of upper part of aluminum smelting pot – potential benefits, drawbacks, and design modifications// Ruijie zhao, Louis gosselin, Mario Fafard, Donald P. Ziegler/ Light Metals 2013 p. 805-810

Поддержание проектируемых условий по силе тока в верхней части плавления алюминиевого электролизера требует значительных затрат на работу вентиляторов. Снижение интенсивности вентиляции может существенно уменьшить общее энергопотребление воздуходувок. Однако, неблагоприятные изменения в эксплуатационных режимах по сокращению вентиляции могут нарушить тепловое равновесие в электролизере. Модель CFD была создана, чтобы исследовать влияние сокращения вентиляции на тепловой баланс в электролизере. С целью поддержания нормальных тепловых потерь с поверхности электролизера, моделируются несколько модификаций, такие как использование пластинчатых рёбер на анодной секции, изменение геометрии разрывов укрытий и изменение толщины покрытия анода. Темпы теплопередачи определяют для модифицированных конструкций и по сравнению с достигнутыми на сегодняшний день.

15. Jomar Thonstadl On the mechanism behind low voltage PFC emissions/ Jomar Thonstadl, Sverre Rolseth, Rudolf Keller// Light Metals 2013 p. 883-885

За последнее время было зарегистрировано несколько сообщений о выбросах ПФУ (CF4+ C2F6) при нормальной эксплуатации алюминиевых электролизеров. Лабораторные записи о так называемой “критической плотности тока”, которая дает начало анодному эффекту на угольных анодах в криолит-глиноземных расплавах, могут быть полезными для понимания этого явления. После постепенного повышения анодного потенциала, плотность анодного тока увеличивается до тех пор, пока концентрация глинозема на поверхности анода не достигнет нуля. В результате чего ток резко падает до очень низкого значения, и образуются ПФУ. В алюминиевом электролизере, работающем при низкой концентрации оксида алюминия, уменьшение содержания глинозема может возникнуть на одном и более анодах, этим механизмом инициируются выбросы ПФУ. Из-за низкой плотности тока местное омическое падение напряжения замедляется, что позволяет поляризоваться аноду и образовываться перфторуглеродам. С остальных анодов выделяется СО2, это может поддерживать процесс электролиза близкий к нормальному напряжению электролизера. Как избежать этой вредной ситуации обсуждается.

Выбросы ПФУ при близком к нормальному напряжению электролизера так же были наблюдались при электрохимическом получении неодима из расплава фторидов.

16. Hyland М. Surface studies of hydrogen fluoride adsorption on alumina / M. Hyland, J. Metson, R. Haverkamp, B. Welch / Light Metals. 1989. P. 113-11

9. Список опубликованных и подготовленных к публикации статей и тезисов

10. Результаты апробации выполненных исследований, включая доклады на Российских и Международных конференциях и семинарах, а также в Горном институте.

Выступление с докладом «Повышение степени сухой газоочистки на алюминиевых предприятиях» на 54-й международной конференции молодых ученых и специалистов на базе Краковской горно-металлургической академии.