CC BY
12
УДК 669.712: 66.07
DOI: 10.24412/1728-323X-2022-4-21-26
СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ В ПРОЦЕССЕ КАРБОНИЗАЦИИ АЛЮМИНАТНЫХ РАСТВОРОВ ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА
И. И. Шепелев, доктор техн. наук, профессор кафедры «Экологии и природопользования» Красноярского государственного аграрного университета, Ekoing@mail.ru, г. Красноярск, Россия, Е. В. Кирюшин, аспирант кафедры «Экологии и природопользования» Красноярского государственного аграрного университета, 2549007@mail.ru, г. Красноярск, Россия, О. В. Пиляева, канд. техн. наук, директор Ачинского филиала Красноярского государственного аграрного университета, olga_pilyaeva@mail.ru, г. Ачинск, Россия,
Е. И. Жуков, управляющий директор АО «РУСАЛ Ачинск», Evgeniy.Zhukov@rusal.com, г. Ачинск, Россия,
Е. Н. Еськова, канд. биол. наук, доцент кафедры «Экологии и природопользования» Красноярского государственного аграрного университета, nikeskov@mail.ru, г. Красноярск, Россия
Аннотация. В данной работе рассмотрены экологические проблемы глиноземного производства, обусловленные образованием аэрозолей щелочей в процессе карбонизации алюминатных растворов и выделением из них гидроксида алюминия. Для снижения выбросов аэрозолей щелочей была разработана конструкция защитного отсекателя, который был изготовлен и установлен внутри корпуса карбонизатора. Монтаж защитного от-секателя газов в корпусе карбонизатора привел к сокращению содержания аэрозолей щелочей в выбросах с 0,15 до 0,11 г/с (при объеме газов 30 тыс. нм3/ч) и с 0,252 до 0,140 г/с (при объеме газов 50 тыс. нм3/ч). При оптимальном расходе газа 40—45 тыс. нм3/ч, подаваемого на карбониза-тор с установленным защитным отсекателем, эффективность очистки от аэрозолей щелочей увеличилась на 47,0—47,5 % по сравнению с карбони-затором без защитного отсекателя. На основании полученных результатов лабораторных данных можно заключить, что установленный внутри кар-бонизатора защитный отсекатель обеспечивал положительную динамику не только по выбросам аэрозолей щелочей, но и парниковых газов в атмосферный воздух.
Annotation. In this work environmental issues of alumina production, caused by the formation of alkali aerosols during the carbonization of aluminate solutions and the release of aluminum hydroxide from them, are considered. In order to reduce alkali aerosol emissions, the design of a protective cut-off device was developed, which was manufactured and installed inside the carbonizer body. The installation of the protective shut-off device in the carbonizer body led to the reduction of alkali aerosol content in emissions from 0.15 to 0.11 g/s (at gas volume 30 000 nm3/h) and from 0.252 to 0.140 g/s (at gas volume 50 000 nm3/h). At optimum gas flow rate of40—45 kNm3/h, fed to the carbonizer with safety cutoff, the efficiency of cleaning from alkaline aerosols increased by 47.0—47.5 % as compared with the carbonizer without safety cutoff. Based on the results of the laboratory data, we can conclude that the safety cutoff installed inside the carbonizer provided a positive dynamics not only in terms of alkali aerosol emissions, but also in terms of greenhouse gases in the atmospheric air.
Ключевые слова: глиноземное производство, мелиорант, нейтрализация, кислые почвы, химический анализ, пыль, электрофильтры.
Keywords: alumina production, carbonization of aluminate solutions, alkali aerosol emissions, safety cutoff, greenhouse gases.
Введение
Для предприятий глиноземного производства необходимость очистки выбросов в атмосферу обусловлена наличием на данных предприятиях различного технологического (печи спекания, обжига известняка, кальцинации) и теплогене-рирующего оборудования (котлы теплоэлектроцентрали), являющегося источниками их выделения [1]. В результате промышленной деятельности АО «РУСАЛ Ачинск» при спекании сырьевой нефелиново-известняковой шихты наблюдается техногенное загрязнение атмосферного воздуха не только тонкодисперсной пылью, но и парниковыми газами, что требует разработки новых эффективных технологий их очистки в процессе карбонизации. Технологический процесс разложения алюминатного раствора способом барбо-тажа через растворы отходящих газов от печей
спекания, содержащих диоксид углерода, на переделе карбонизации цеха гидрохимии сопровождается выбросами аэрозолей щелочей, что тоже представляет собой экологическую проблему. Выбросы в атмосферу аэрозолей щелочей происходят в капельном виде от карбонизаторов, которые загрязняют в основном промышленную площадку Ачинского глиноземного комбината. Источниками выброса аэрозолей гидроксида натрия и калия являются батареи карбонизаторов [8—9]. В процессе эксплуатации батареи карбонизато-ров на АО «РУСАЛ Ачинск» было выявлено, что после определенного пробега технологического оборудования (3—4 месяца) происходит зарастание выходных труб карбонизаторов, которое приводит к уменьшению диаметра труб и, как следствие, к возрастанию скорости газовой смеси, с захватом каплей аэрозолей щелочей и повышенному выносу их в атмосферный воздух на пром-
Рис. 1. Загазованность и выбросы аэрозолей щелочей из труб батареи карбонизаторов
площадке комбината. В эти периоды работы карбонизаторов наблюдаются превышения по выбросам аэрозолей щелочей в атмосферу. Учитывая, что щелочи имеют значительный вес, они не распыляются с газовыми выбросами на большие расстояния от источника, а оседают вблизи цеха гидрохимии (рис. 1).
Известные способы очистки дымовых газов от твердых загрязняющих веществ и диоксидов углерода не всегда эффективны для глиноземного производства ввиду высоких температур технологического процесса спекания нефелиновой руды с известняком [2—4]. В результате д аже при соблюдении предприятием нормативов предельно-допустимых выбросов, на границе санитарно-защитной зоны концентрации загрязняющих веществ высоки, что приводит к ухудшению состояния окружающей среды на территории предприятия и в зоне прилегающих к нему жилых районов [5—7].
Целью настоящей работы является разработка технических предложений по сокращению выбросов аэрозолей щелочей в процессе карбонизации алюминатных растворов.
Одним из направлений, позволяющих обеспечить снижение выбросов загрязняющих веществ от карбонизаторов, могут быть изменения в конструктивных элементах карбонизаторов.
Результаты и обсуждение
При направлении очищенных газов печи спекания на передел карбонизации глиноземного цеха происходит химическое взаимодействие углекислого газа, содержащегося в отходящих технологических газах печей спекания, с алюминат-ным раствором в карбонизаторах [8, 9]. Карбони-затор представляет собой цилиндрический сосуд с коническим днищем. Подвод топочных газов осуществляется через барботеры, опущенные вертикально вниз в раствор. Очищенный в скруббер-электрофильтрах газ из нагнетателя имеет следующие параметры: температура газа 45—50 °С, запыленность не более 0,02 г/м3.
Карбонизация алюминатных растворов осуществляется барботированием через раствор смеси газов, содержащих СО2. Сущность процесса состоит в нейтрализации едкой щелочи с образованием соды:
2№ОН + СО2 = №2СО3 + Н2О. (1)
При взаимодействии алюминатного раствора с углекислым газом содержание каустической щелочи уменьшается, что ведет к снижению стойкости алюминатного раствора и выделению гидроксида алюминия в осадок:
КаЛ1(ОН)4 + СО2 = Л1(ОН)34- + КаНСО3. (2)
При глубокой карбонизации, проводимой на второй стадии (в присутствии карбонатной и би-карбонатной щелочей), происходит разложение оставшегося алюмината натрия с образованием гидроалюмокарбоната натрия (№20 х Л12О3 х х 2С02 х 4Н20):
2Ка(Л1(ОН)4) + 2КаНСО3 ^ ^ №2О х Л1203 х 2С02 х 4Н20^ + 2№ОН. (3)
Образование бикарбоната происходит по следующей реакции:
Ка2СО3 + СО2 + Н2О = 2КаНСО3. (4)
Для снижения выбросов аэрозолей щелочей нами была разработана конструкция защитного отсекателя (рис. 2).
В процессе опытно-промышленных испытаний осуществлялся отбор проб аэрозолей щелочей, который проводился периодически три раза в месяц по три дня в летний период 2020 года на батарее карбонизаторов № 2 (карбонизаторы № 6 и № 7). Данные замеров и параметров работы карбонизаторов представлены в таблице 1.
Монтаж защитного отсекателя газов в корпусе карбонизатора № 7 привел к сокращению со дер -жания аэрозолей щелочей в выбросах в атмосферу по сравнению с выбросами от карбонизатора
№ 6 (без установленного защитного отсекателя) с 0,15 до 0,11 г/с (при объеме газов 30 тыс. нм3/ч) и с 0,252 до 0,140 г/с (при объеме газов 50 тыс. нм3/ч) (рис. 3).
Изменение содержания аэрозолей щелочи в выбросах от карбонизатора № 7 и карбонизатора № 6 (без защитного отсекателя) в зависимости от расхода газовой смеси (x, 103 нм3/ч) представляется следующими функциями, имеющими уровень детерминации, соответственно, 95,47 % и 96,75 % (рис. 3):
У1
У2
1
Ü1 + X + c 1Х
2 '
Ü2 + ¿2 X + c 2X
2
(5)
(6)
где a1 = 23,77756389, b1 = -0,7980450635, c1 = 0,008045109361, a2 = 230,865201, b2 = -0,2667416552, c2 = -0,05594711733 - коэффициенты регрессии.
Оптимальным является расход газа в объеме 40—45 тыс. нм3/ч, подаваемого на карбонизатор с установленным защитным отсекателем, при этом эффективность очистки от аэрозолей щелочей по сравнению с карбонизатором без защитного отсекателя увеличилась на 47,0—47,5 % (рис. 4).
Рис. 2. Конструкция защитного отсекателя
Изменение эффективности очистки от аэрозолей щелочей для карбонизатора № 7 (с защитным отсекателем) по сравнению с выбросами от карбонизатора № 6 в зависимости от объема пропускаемого дымового газа печей спекания
Таблица 1
Основные параметры работы карбонизаторов № 6 и № 7 в период опытно-промышленных
испытаний
Наименование основных измеряемых показателей Усредненное значение по серии опытов
Серия № 1 Серия № 2 Серия № 3
Карбонизатор № 6
Количество аэрозолей щелочей, выброшенных в атмосферу, от карбонизатора, 0,153 0,149 0,152
г/сек
Среднее количество аэрозолей щелочей, выброшенных в атмосферу, от карбо- 0,151
низатора № 6 в период испытаний, г/сек
Средняя концентрация щелочи на фильтрах Сср, мг/м3 13,53 13,51 13,48
Объемный расход газа при н.у. условиях 2, нм3/час 30 531 34 184 33 941
Скорость газа в газоходе W, м/сек 7,4 8,2 10,5
Температура газа в газаходе Т, °С 49 75 72
Карбонизатор № 7
Количество аэрозолей щелочей, выброшенных в атмосферу, от карбонизатора, 0,112 0,114 0,113
г/сек
Среднее количество аэрозолей щелочей, выброшенных в атмосферу, от карбо- 0,113
низатора № 7 в период испытаний, г/сек
Средняя концентрация щелочи на фильтрах Сср, мг/м3 9,56 9,58 9,49
Объемный расход газа при н.у. условиях 2, нм3/час 30 534 32 928 33 006
Скорость газа в газоходе Ж, м/сек 5,0 5,5 5,5
Температура газа в газаходе Т, °С 46 67 72
Температура газа в газаходе Т, °С 48 78 72
30 35 40 45 50
0 Объем газов на карбонизатор х103, нм3/ч
Рис. 3. Изменение содержания аэрозолей щелочи в выбросах от карбонизаторав зависимости от объема газов:
1 — карбонизатор № 7 (с зазитным отсекателем); 2 — карбонизатора № 6 (без защитного отсекателя)
,50 46 42 38 34 30 26
30 35 40 45 50
Объем газов на карбонизатор х103, нм3/ч
Рис. 4. Эффективность очистки атмосферного воздуха от аэрозолей щелочей при установке защитного отсекателя на карбонизаторе № 7
(х, 103 нм3/ч) представляется следующей функцией, имеющей коэффициент детерминации 95,14 % (рис. 4):
У
; + bx + c*jx
(7)
где a = 12,39160049, b = 0,2813254564, c = —3,587420782 — коэффициенты регрессии.
Проведенные технологические исследования показали, что на выделение гидроксида алюминия при разложении алюминатного раствора оказывает также скорость пропускания газа, содержащего СО2, в процессе карбонизации [9]. С повышением скорости пропускания СО2 количество получаемого алюмокарбоната натрия Na3[Al(OH)2CÜ3] может превысить количество Al(OH)3. В то же время уменьшение скорости подачи СО2 позволяет выделять из алюминатного раствора преимущественно гидроксид алюминия даже при высокой температуре. Поэтому считалось целесообразным изучить влияние установки защитного отсекателя на изменение скорости газовой смеси в карбонизаторе. Показатели скорости газа в газоходах находились в диапазоне от 5,0 до 10,5 м/с (табл. 1). Так, самая высокая скорость газа была в газоходе карбонизатора № 6 — 10,0—10,5 м/с, причем после монтажа защитного отсекателя в корпусе карбонизатора № 7 скорость газа снизилась до 5,0—5,5 м/с.
Также можно предположить, что при пиковых нагрузках (серия опытов № 3) карбонизатор № 6 работал на пределе и выбросы аэрозолей щелочей при этом резко возрастали, что видно из приведенного графика (рис. 3). Кроме того, на основании полученных результатов лабораторных данных по выбросам аэрозолей щелочей можно считать, что установленный внутри карбонизатора № 7 защитный отсекатель имел положительную динамику не только по выбросам аэрозолей щелочей, но и парниковых газов в атмосферный воздух (табл. 2).
Так, концентрация выбросов СО2 в атмосферу от карбонизатора № 7 с установленным защитным отсекателем составила 1,0 %, для сравнения в газоходах на выходе из карбонизатора № 6 без установленного отсекателя она соответственно составила 1,57 % (табл. 2).
Проведенные промышленные испытания показали, что по окончании технологического периода эксплуатации защитного отсекателя (через
Таблица 2
Содержание парниковых газов в выбросах от карбонизаторов № 6 и № 7 в период промышленных испытаний защитного отсекателя газов
2
1
Наименование Объемный расход газа Концентрация газа СО2 Концентрация газа СО2
оборудования при н.у. Q, нм3/час на входе в установку, % выброшенного в атмосферу, %
30 531 16,7 1,6
Карбонизатор № 6 34 184 17,4 1,5
47 941 16,9 1,6
26 534 16,7 1,0
Карбонизатор № 7 22 928 17,4 1,0
33 006 16,9 1,0
4 месяца эксплуатации) наблюдалось его частичное обрастание содощелочной коркой, которую затем растворяли каустическим раствором, подаваемым в корпус карбонизатора.
Заключение
На основании полученных результатов экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
— возрастание концентрации аэрозолей щелочей в выбросах от карбонизаторов происходит в основном из-за зарастания труб карбонизато-ров и, вследствие этого, увеличении скорости газового потока;
— установленный внутри карбонизатора № 7 защитный отсекатель имел положительную динамику снижения выбросов аэрозолей щелочей в атмосферный воздух и обеспечивал сокращение выбросов аэрозолей щелочей от данного карбонизатора в атмосферный воздух более эффективно по сравнению с карбонизатором № 6,
в котором не было установлено защитного отсекателя;
— анализ концентраций щелочей, содержащихся в выбросах от батареи карбонизаторов, показал, что кроме изменения конструктивных элементов для снижения выбросов аэрозолей щелочей необходимо применять и технологические решения (например, изменение объема дымовых газов, содержащих диоксид углерода, и перераспределение их по карбонизаторам, увеличивая объем газов на первых карбонизаторах и снижая его на последних);
— решение проблемы обрастания корпуса карбонизатора содощелочной коркой может быть достигнуто в перспективе при реализации предложений по ведению технологического режима карбонизации алюминатного раствора (снижению температуры подаваемого печного газа для разложения алюминатного раствора), позволяющим обеспечить более высокую степень растворения газов в растворах гидрохимического процесса карбонизации.
Библиографический список
1. Абрамов В. Я., Алексеев А. И., Бадальянц Х. А. Комплексная переработка нефелино-апатитового сырья. — М.: Металлургия, 1990. — 392 с.
2. Дружинин К. Е. Апробация «мокрой» газоочистной установки центробежно-вихревого типа в промышленных условиях АО «РУСАЛ Ачинск» // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2018. — Т. 22. — № 5 (136). — С. 190—206.
3. Дружинин К. Е. Совершенствование основного и вспомогательного оборудования пирометаллургических процессов и его испытания в условиях д ействующего производства // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2016. — № 5 (112). — С. 144—152.
4. Гордон Г. М., Пейсахов И. Л. Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии. — М.: Металлургия, 1977. — 347 с.
5. Kirushin Е. V. Decrease in pollution of atmospheric air from fine dust due to increase in efficiency of cleaning of gas emissions of furnaces of agglomeration / E. V. Kirushin, O. V. Pilyaeva, I. I. Shepelev, E. N. Eskova // Ecology and Industry of Russia. 2021. Vol. 25. № 12. — P. 4—9.
6. Дампилон Ж. В. Влияние производства алюминия в России на окружающую среду // Вестник Чувашского университета. — 2008. — № 3. — С. 349—354.
7. Shepelev I. The solution to the problems of gas treatment in alumina production with application of ecological engineering / I. I. Shepelev, E. N. Eskova, O. V. Pilaeva // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (MSE). 2019. — 537 (6) 062063.
8. Бричкин В. Н. Карбонизация алюминатных растворов и ее использование для получения материалов высокой дисперсности // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2018. — Т. 22. — № 6. — С. 196—203.
9. Головных Н. В., Бычинский В. А., Шепелев И. И., Кирюшин Е. В., Жуков Е. И. Расчеты процессов карбонизации оборотных растворов и вод глиноземного производства / Сб. материалов XXVII Междун. научно-техн. конф. «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» 07—08 апреля 2022. — Екатеринбург, Уральский ГГУ, Издательство «Форт Диалог-Исеть». — С. 65—70.
10. Патент РФ 2756211 С 01 F 7/14. Карбонизатор / И. И. Шепелев, Е. В. Кирюшин, О. В. Пиляева [и др.] — заявл. 01.12.2020 г. Опубл. 28.09.2021, бюл. № 28.
REDUCTION OF POLLUTANT EMISSIONS INTO THE ATMOSPHERE DURING CARBONIZATION OF ALUMINATE SOLUTIONS IN ALUMINA PRODUCTION
I. I. Shepelev, Ph. D. (Engineering), Dr., Habil., Professor, Department of "Ecology and Nature Management", Krasnoyarsk State Agrarian University, Ekoing@mail.ru, Krasnoyarsk, Russia,
E. V. Kiryushin, Ph. D. student, Department of Ecology and Nature Management, Krasnoyarsk State Agrarian University, 2549007@mail.ru, Krasnoyarsk, Russia,
№ 4, vovv
25
O. V. Pilyayeva, Ph. D. (Engineering), Director, Achinsk Branch of Krasnoyarsk State Agrarian University, olga_pilyaeva@mail.ru,
Achinsk, Russia,
E. I. Zhukov, Managing Director, JSC RUSAL Achinsk, Evgeniy.Zhukov@rusal.com, Achinsk, Russia,
E. N. Eskova, Ph. D. (Biology), Associate Professor, Department of Ecology and Nature Management, Krasnoyarsk State Agrarian
University, nikeskov@mail.ru Krasnoyarsk, Russia
References
1. Abramov V. Y. Alekseev V. Y., Badalyants Kh. A. Kompleksnaya pererabotka nefelino-apatitovogo syr'ya [Complex processing of nepheline-apatite raw materials. Moscow. Metallurgy]. Moscow, Metallurgiya. 1990. 392 p. [in Russian].
2. Druzhinin K. E. Aprobaciya "mokroj" gazoochistnoj ustanovki centrobezhno-vihrevogo tipa v promyshlennyh usloviyah AO "RUSAL Achinsk". Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Approbation of "wet" gas purification unit of centrifugal-vortex type in industrial conditions of JSC "RUSAL Achinsk". Bulletin of Irkutsk State Technical University]. 2018. Vol. 22. No. 5 (136). P. 190-206 [in Russian].
3. Druzhinin K. E. Sovershenstvovanie osnovnogo i vspomogatel'nogo oborudovaniya pirometallurgicheskih processov i ego ispytaniya v usloviyah dejstvuyushchego proizvodstva. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Improvement of the main and auxiliary equipment of pyrometallurgical processes and its testing under the conditions of current production. Bulletin of Irkutsk State Technical University]. 2016. No. 5 (112). P. 144—152 [in Russian].
4. Gordon G. M., Peisakhov I. L. Pyleulavlivanie i ochistka gazov v cvetnoj metallurgii [Dust collection and gas purification in non-ferrous metallurgy]. Moscow, Metallurgy. 1977. 347 p. [in Russian].
5. Kirushin Е. V. Decrease in pollution of atmospheric air from fine dust due to increase in efficiency of cleaning of gas emissions of furnaces of agglomeration / E. V. Kirushin, O. V. Pilyaeva, I. I. Shepelev, E. N. Eskova. Ecology and Industry of Russia. 2021. Vol. 25. No. 12. P. 4—9.
6. Dampilon J. V. Vliyanie proizvodstva alyuminiya v Rossii na okruzhayushchuyu sredu. Vestnik Chuvashskogo universiteta [Influence of aluminum production in Russia on the environment. Bulletin of Chuvash University]. 2008. No. 3. P. 349—354 [in Russian].
7. Shepelev I. The solution to the problems of gas treatment in alumina production with application of ecological engineering / I. I. Shepelev, E. N. Eskova, O. V. Pilaeva. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (MSE). 2019. No. 537 (6) 062063.
8. Brichkin V. N. Karbonizaciya alyuminatnyh rastvorov i ee ispol'zovanie dlya polucheniya materialov vysokoj dispersnosti. Vest-nik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Carbonization of aluminate solutions and its use for obtaining materials of high dispersity. Bulletin of Irkutsk State Technical University]. 2018. Vol. 22. No. 6. P. 196—203 [in Russian].
9. Golovnykh, N. V. Bychinsky V. A., Shepelev I. I., Kiryushin E. V., Zhukov E. I. Raschety processov karbonizacii oborotnyh rastvorov i vod glinozemnogo proizvodstva. Sb. materialov XXVIIMezhdun. nauchno-tekhn. konf. "Nauchnye osnovy ipraktika pererabotki rud i tekhnogennogo syr'ya" [Calculation of carbonization processes of circulating solutions and water of alumina production. Collection of materials of the XXVII International Scientific and Technical Conference. "Scientific basis and practice of ore and technogenic raw materials processing"]. 07—08 April, 2022. Ekaterinburg, Ural State University, Publishing House "Fort Dialogue-Iset". P. 65—70 [in Russian].
10. Patent RF 2756211 S 01 F 7/14. Karbonizator. Shepelev I. I., Kiryushin E. V., Pilyaeva O. V. [i dr.] — zayavl. 01.12.2020 g. Opubl. 28.09.2021, byul. № 28 [Patent № 2756211 С 01 F 7/14. Carbonizer]. Shepelev I. I., Kiryushin E. V., Pilyaeva O. V. [et al.]. Application. 01.12.2020 r. Published on 28.09.2021, pamphlet № 28 [in Russian].
