CC BY
16
УДК 669.71; 338.46; 621.31
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО И МАГНИЙТЕРМИЧЕСКОГО СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
1 9
А.И. Бегунов1, А.А. Бегунов 2
Иркутский национальный исследовательский технический университет , 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, [email protected] Иркутский государственный университет путей сообщения2, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, [email protected]
В статье рассмотрены вопросы эколого-экономических проблем реализации электролитического и магнийтермического способов получения алюминия. Приводятся уровни потребления энергии, эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу, использование ручного труда и наличие герметичности аппаратуры, а также основные статьи производственных расходов в промышленном электролизе криолито-глинозёмных расплавов. При отказе от электролитического получения и переходе к магнийтермии расход энергии снижается по усреднённым значениям на 6,0 кВтчас/кг Al, что составляет более 40% исходной величины. Принимая во внимание то, что магнийтермиче-ский процесс может выполняться только при полной герметичности аппаратуры, в результате чего значительно сокращается эмиссия загрязняющих веществ в атмосферу, данное производство является несопоставимо более привлекательным и современным по сравнению с существующим.
Ключевые слова: магнийтермия; снижение расхода электроэнергии; герметичность аппаратуры; сокращение эмиссии веществ.
ECO LOGICAL AND ECONOMIC CHARACTERISTICS OF ELECTROLYTIC AND MAGNESIUM-THERMIC WAYS OF RECEIVING ALUMINIUM
1 9
A.I. Begunov1, A.A. Begunov2
Irkutsk National Research Technical University ,
83, Lermontov st., Irkutsk, 664074, Russia, [email protected]
Irkutsk State University of Railway Engineering2,
15, Chernyshevskogo st., Irkutsk, 664074, Russia, [email protected]
The ecologic and economic aspects of realization of electrolytic and magnesium-thermic ways of receiving aluminum are considered in the present article. Levels of consumption of energy, issue of the atmosphere polluting substances, use of manual labor and existence of tightness of the equipment, and also main articles of production costs in industrial electrolysis of cryolite-aluminous fusions are given. The power consumption is cut on average values on 6,0 kW hour/kg when refused to electrolytic receive of aluminum and replaced it with magnesium-thermic method. Thereby saving of energy makes more than 40% of initial size. Whereas magnesium-thermic process can be carried out only at full tightness of the equipment, the issue of the polluting substances to atmosphere is considerably reduced, so this production is more attractive and modern in comparison with the existing one.
Keywords: magnesium-thermic method, decrease in an expense of the electric power, tightness of the equipment, reduction of substances issue.
Известно, что единственным способом, применяемым во всём мире для промышленного производства алюминия, является метод электролиза криолито-глинозёмных расплавов. В качестве альтернативы ему предложен современный магнийтермический способ [1-3]. Возможности и сроки реализации новой техноло-
гии зависят, очевидно, от обстоятельств не только научно-технического, но и эколого-экономиче-ского, а также и социально-психологического характера. В настоящем сообщении мы рассматриваем вторую группу факторов. К ним относятся уровень потребления энергии, эмиссия загрязняющих веществ в атмосферу, использование руч-
ного труда и наличие герметичности аппаратуры (табл. 1).
Как видно, расход энергии при отказе от электролиза и переходе к магнийтермии снижается по усреднённым значениям на 6,0 кВтчас/кг А1, что составляет более 40% исходной величины.
Эмиссия вредностей в атмосферу по оксидам углерода в пересчёте на диоксид в электролизе равна ~ 650 нм3 /т А1. Количество полиароматических соединений и диоксида серы при использовании нефтяного кокса достигает на ваннах с самообжигающимися анодами недопустимо высоких величин, во много раз превышающих так называемые предельно допустимые концентрации.
Тяжёлый ручной труд, применяемый при выполнении многих операций технологического процесса электролиза, не может быть заменён автоматизированными процедурами. Для выполнения этих операций ванны приходится периодически разгерметизировать, что в современных условиях и масштабах производства представляется недопустимым.
Магнийтермический процесс может выполняться только при полной герметичности аппаратуры и является несопоставимо более привлекательным и современным.
Рассмотрим основные статьи производственных расходов в электролизе (табл. 2).
За последние 16-17 лет стоимость электроэнергии и затраты на неё возросли в 3,03,5 раза. Можно считать неизменными сырьевые затраты, оплату труда и компенсационные выплаты за ущерб, наносимый природе. Тогда всё возрастание производственных затрат с ~ 1364 до 2814 $/т А1 приходится на увеличение тарифов на электроэнергию. Производство алюминия методом Эру-Холла при ценах на него в сентябре 2015 г. 1600-1700 $/т становится весьма убыточным.
Иначе выглядят производственные затраты
Энерго-эколог
в создаваемом магнийтермическом методе (табл. 3). Энергетические затраты и расходы по трихлориду алюминия составляют для начала вполне приемлемые величины. Сте-хиометрический расход магния в 1,35 т на 1 т алюминия и его стоимость «обеспечивают» производственные затраты по этой статье непомерно высокими, достигающими ~2970 $/т А1, хотя и близкими к затратам в методе Эру-Холла. Рассмотрим, однако, является ли эта величина фатальной для магнийтермического метода. В производственных расходах для электролитического магния доля сырья, основных и вспомогательных материалов достигает ~70% (табл. 4). Вместе с энергозатратами и заработной платой эта сумма равна 98,7% всех расходов [8]. Особенно велики, очевидно, расходы на обезвоживание карналита и би-шофита.
Современное освоение способов «Рйдеоп» и «тадпеШегт» восстановления магния из его оксида ферросилицием требует в несколько раз более низких производственных затрат [10]. Выдающиеся достижения Китая, увеличившего производство магния на рубеже ХХ-ХХ1 вв. на прядок, до 1 млн т, подтверждает наши представления о возможности многократного снижения стоимости магния.
ВЫВОДЫ
Дихлорид магния, полученный в нашем процессе [1-3], может перерабатываться на металлический магний как электрохимически в герметичном электролизёре, так и металло-термически [9]. В любом случае этот безводный дихлорид не требует затрат на обезвоживание. Как дихлорид магния, так и получаемый из него металлический магний, являются ре-циклинговыми материалами, не имеют выхода на рынок. Их цена не соответствует рыночной категории.
Таблица 1
е характеристики
Показатели Электролиз Магнийтермия
Расход энергии, кВтч/кг 13-16 [4] 8-9 [1-3]
Эмиссия в атмосферу Оксиды углерода (в пересчёте на СО2), нм3/тА1 650 0
Сумма ПАУ*, г/т А1 2430 [5Г" 0
Диоксид серы, кг/т А1 17,6 [6]"" 0
Использование ручного труда Замена штырей или анодов, диагностика, лечение ванн, подтягивание осадка, выливка и др. Исключено
Герметичность Не обеспечивается Только полная герметичность
ПАУ - канцерогенные полиароматические углеводороды; * - для электролизёров России с верхним анодным токоподводом.
Таблица 2
Основные статьи производственных расходов в промышленном электролизе криолито-глинозёмных расплавов (по порядку величин)
Статьи расходов, размерность и время Средний расход Цена Сумма, $/t AI
Электроэнергия, кВтчас/т AI 1998 г. 14500 0,05 $/к\И 725
2014 г. 14500 0,15 $/к\\И 2175
Сырьевые материалы, кг/т AI Глинозём 1935 225 $Л 435
Фтор. соли 52 4% от производственных затрат 32
Анодная масса(аноды) 560 11-18% от производственных затрат ~ 116
Оплата труда - По [4] ~ 40
Плата за выбросы - 2% от производственных затрат 16
Всего: 1998 г. ~ 1364, 2014 г. ~ 2814.
Таблица 3
Производственные расходы для магнийтермического метода получения алюминия (порядок величин)
Статьи расходов и размерность Расход Цена Сумма, $/t AI
Электроэнергия 8500 квтчас/t AI 0,05 $/kwh 425
Сырьевые материалы: трихлорид алюминия 4940 кг/t AI 1350 кг/t AI 0,15 $/kg AI 2,20 $/kg Mg 740 2970
магний
Плата за выбросы - 0
Оплата труда - ~ 5
Всего: 4140.
Таблица 4
Выборка из структуры себестоимости электролитического магния (%,[8])
Статья расходов %
Сырьё, основные материалы 64,4
Вспомогательные материалы 5,2
Энергозатраты 26,5
Основная и дополнительная зарплата (и другие) 2,6
Всего: 98,7.
С учётом этого и практически без потерь дихлорида и металлического магния в герметичной аппаратуре итоговые производственные затраты на алюминий можно обеспечить более низкими показателями, чем в электролизе. С учётом же статей расходов энергетического и экологического характера магний-термический метод обещает быть более экономичным, чем метод электролиза криолито-глинозёмных расплавов. Косвенно это подтверждается и опытом, полученным в магниевой промышленности мира, где металлотермия уже вышла победителем в соревновании с электролизом расплавов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Пат. № 2.478.126, Российская Федерация. Способ получения алюминия / А.И. Бегунов; опубл. 27.03.2013, Бюл. № 9.
2. Пат. № 2.476.613, Российская Федерация. Устройство для реализации способа получения алюминия / А.И. Бегунов; опубл. 27.02.2013, Бюл. № 6.
3. Заявка на изобретение № 2013156010, Российская Федерация. Способ получения металлического магния из безводного дихлорида. / А.И. Бегунов, А.А. Бегунов.
4. Куликов Б.П., Истомин С.П. Переработка отходов алюминиевого производства. Красноярск, 2004. 439 с.
5. Лебедев В.А., Седых В.И. Металлургия магния. Иркутск, 2010. 175 с.
6. Минцис М.Я., Поляков П.В., Сиразутди-нов Г.А. Электрометаллургия алюминия. Новосибирск: Наука, 2001. 338 с.
7. Москвитин В.И., Николаев И.В., Фомин Б.А. Металлургия лёгких металлов. М., «Интернет инжиниринг», 2005. С. 355.
8. Begunov A.I. Intern. Claim PCT/RU 2011/000676 Method for producing aluminium by metallothermic reduction...
9. Driscoll K.J., Saraf S., Martin J.P. An assessment of the avoidable costs of production for
western world aluminium smelters // Light Metals. 1998. USA. PP. 1273-1277.
10. Grjotheim K. and Zhuxian Q. Molten Salt Technology. Theory and Application. Shenyang, China. 1991. 435 p.
1. Begunov A.I. Sposob polucheniya al-yuminiya [A method of producing aluminum]. Patent RF no. 2.478.126. Bulletin no. 9, Publ. 27.03.2013.
2. Begunov A.I. Ustroistvo dlya realizatsii sposoba polucheniya alyuminiya [The device for implementing the method of producing aluminum]. Patent RF no. 2.476.613. Bulletin no. 6, Publ. 27.02.2013.
3. Begunov A.I., Begunov A.A. Sposob polucheniya metallicheskogo magniya iz bezvodnogo dikhlorida [The method for producing metal magnesium from anhydrous dichloride]. Application for an invention RF no. 2013156010.
4. Kulikov B.P., Istomin S.P. Pererabotka ot-khodov alyuminievogo proizvodstva [Recycling of aluminum production wastes]. Krasnoyarsk, 2004, 439 p.
5. Lebedev V.A., Sedykh V.I. Metallurgiya
magniya [Magnesium Metallurgy]. Irkutsk, 2010, 175 p.
6. Mintsis M.Ya., Polyakov P.V., Sirazutdinov G.A. Elektrometallurgiya alyuminiya [Aluminum Electrometallurgy]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2001, 338 p.
7. Moskvitin V.I., Nikolaev I.V., Fomin B.A. Metallurgiya legkikh metallov [Metallurgy of light metals]. Moscow, Internet inzhiniring Publ., 2005, 414 p. (p. 355).
8. Begunov A.I. Method for producing aluminium by metallothermic reduction. Intern. Claim PCT/RU 2011/000676.
9. Driscoll K.J., Saraf S., Martin J.P. An assessment of the avoidable costs of production for western world aluminium smelters. Light Metals, USA, 1998, 1406 p. (pp. 1273-1277).
10. Grjotheim K. and Zhuxian Q. Molten Salt Technology. Theory and Application. Shenyang, China, 1991, 435 p.
Поступила в редакцию 2 сентября 2015 г.
После переработки - 29 сентября 2015 г.
