Влияние повышения силы тока электролизера на санитарно- гигиенические показатели атмосферы корпуса производства алюминия Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 669.713

ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕНИЯ СИЛЫ ТОКА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА НА САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АТМОСФЕРЫ КОРПУСА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

С.Г.Шахрай1, А.Н.Баранов2, В.В.Коростовенко3

1,3Сибирский Федеральный университет Института цветных металлов и материаловедения, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Выполнен анализ исследований качественных и количественных характеристик анодного газа в зависимости от силы тока. Рассмотрено изменение теплового баланса электролизера и показателей работы горелочных устройств под влиянием обеспечения герметичности газосборного колокола. Предложены условия нормализации атмосферы рабочей зоны. Ил. 9. Табл. 5. Библиогр. 14 назв.

Ключевые слова: анализ исследований; характеристики анодного газа; тепловой баланс; работа горелочных устройств; герметичность газосборного колокола.

THE INFLUENCE OF ELECTROLYZER CURRENT INCREASE ON ATMOSPHERE SANITATION PERFORMANCES

OF ALUMINUM PRODUCTION HOUSING

S.G. Shakhrai, A.N. Baranov, V.V. Korostovenko

Siberian Federal University of the Institute of Nonferrous Metals and Material Science,

79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041.

National Research Irkutsk State Technical University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The analysis of researches of qualitative and quantitative characteristics of the anode gas, depending on the current strength is carried out. The change in the thermal balance of the electrolyzer and the performances of burners under the influence of ensuring the hermeticity of a gas-collecting bell are examined. The conditions for normalizing the atmosphere of the working area are proposed. 9 figures. 5 tables. 14 sources.

Key words: analysis of researches; characteristics of anode gas; thermal balance; operation of burners; hermeticity of gas-collecting bell.

Характер образования и схода пузырей анодного газа в подколокольное пространство в условиях повышения силы тока. Наращивание производительности электролизеров путем повышения силы тока в течение последнего десятилетия в среднем на 15-20% привело к росту объема анодных газов, образующихся в единицу времени, а также изменению характера поведения пузырьков на аноде [1-15]. В частности, в [2] установлено, что размер пузырьков газа быстро возрастает при увеличении плотности тока на анодах большой площади. Исследования массопере-носа на межфазной границе металл-электролит, выполненные А.И. Бегуновым с использованием физической модели вертикального двумерного разреза электролизера в масштабе 1:1, показали следующие результаты. Объемный расход газового потока на кром-

ке анода Содерберга увеличивается пропорционально ширине анода: от 0,72-10-3 до 2,5-10" м3с-1 при изменении ширины анода от 0,8 до 2,8 м. При этом наблюдается рост амплитуды волны в 5-6 раз [3,4]. Благодаря этому происходят эмульгирование, перенос капелек эмульсии металла и последующее их окисление [5].

Также повышение силы тока увеличило тепловую нагрузку на анод и изменило характер его спекания. В среднем повышение силы тока на каждые 2 кА увеличивает высоту конуса спекания анода на 1 см. С увеличением высоты конуса спекания происходит снижение высоты слоя коксо-пековой композиции (КПК), что оказывает негативное влияние на процессы, протекающие в верхнем слое анода. Чем быстрее коксуется анод и чем выше конус спекания, тем длиннее путь

1Шахрай Сергей Георгиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры техносферной безопасности горного и

металлургического производства Института цветных металлов и материаловедения, тел.: 89500841967.

Shakhrai Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technospheric Safety of Mining and

Metallurgical Production the Institute of Nonferrous Metals and Material Science, tel.: 89500841967.

2Баранов Анатолий Никитич, доктор технических наук, профессор кафедры металлургии цветных металлов,

тел.: (3952) 405265, 89025610167, e-mail: [email protected]

Baranov Anatoly, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Metallurgy of Non-ferrous Metals, tel.: (3952) 405265, 89025610167, e-mail: a [email protected]

3Коростовенко Вячеслав Васильевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой техносферной безопасности горного и металлургического производства.

Korostovenko Vyacheslav, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Technospheric Safety of Mining and Metallurgical Production.

газов, стремящихся к поверхности анода, и тем сильнее их давление. Высокая температура верха анода приводит к тому, что анодная масса после загрузки расслаивается. Расслоение сопровождается образованием на поверхности анода отстоев пека и оседанием крупных частиц кокса на конус спекания. Таким образом, формируется один слой анода - крупнозернистый, имеющий увеличенную пористость, что повышает осыпаемость и увеличивает выход пены в 1,5-2 раза. Второй слой, состоящий из пылевой фракции и пека, более подвержен образованию трещин и расслоению анода. Увеличению выхода пены способствует и возможное скопление пека по периферии анода и ухудшение состояния его боковой поверхности в условиях повышения силы тока. Изменение высоты конуса спекания сопровождается перераспределением температур и в нижней части анода - увеличением тепловой нагрузки именно на эту часть анода, что также способствует увеличению скорости разрушения анода и образованию трещин на его подошве. Кроме этого, возможно образование на подошве лунок за счет попадания подштыревой анодной массы сразу же в зону высоких температур и ее периодических протеках под штырь [6] (рис. 1).

Рис. 1. Состояние подошвы анода в условиях его эксплуатации на повышенной силе и плотности тока

Рост объема образования и давления анодных газов, а также наличие значительных неровностей на подошве анода привели к тому, что частота забивания подколокольного пространства оплесами и пылевыми отложениями увеличилась в 3-4 раза и более. При этом значительно ухудшилось санитарно-гигиеническое состояние атмосферы корпуса вследствие выбивания анодных газов непосредственно в рабочую зону (рис. 2).

Забивание подколокольного пространства опле-сами происходит вследствие недостаточного объема и площади поперечного сечения газоходного канала, образованного газосборным колоколом (ГСК), боковой поверхностью анода и расплавом. На эксплуатируемых электролизерах площадь поперечного сечения подколокольного пространства составляет 0,05 м2 и в четырех точках имеет «пережимы» площадью 0,0375 м2, расположенные под бункерами системы АПГ (автоматической подачи глинозема в электролизер). Их наличие обусловлено необходимостью загрузки в электролизер глинозема в точках с максимальной циркуляцией электролита [7,8].

Рис. 2. Выбивание анодных газов в атмосферу корпуса при забивании подколокольного пространства оплесами

Отложения в подколокольном пространстве способны полностью перекрыть путь газам к горелочным устройствам (рис. 3), а сама конструкция мундштука системы АПГ сложна для ее герметизации глиноземом (рис. 4).

Рис. 4. Характер обвалов корки вокруг мундштука бункера АПГ

Увеличение частоты забивания подколокольного пространства оплесами, а также рост выхода пены диктуют необходимость более частого выполнения операций, связанных с разгерметизацией ГСК. В эти периоды его эффективность улавливания анодных газов падает до 60%, фтористого водорода - до 35% [9]. С учетом того что средняя продолжительность

Таблица 1

Сравнительные характеристики работы электролизеров С-8, С-8БМ на проектной силе тока и в _условиях ее повышения_

Показатель Ед. изм. Значение

Проект Достигнутое

Сила тока кА 156 174 - 180

Плотность тока А/см2 0,65 0,75

Производительность электролизера кг А!/час 41-42 50-52

Объем образующихся анодных газов нм3/час 36-37 41-43

Площадь поперечного сечения подколокольного пространства, в т.ч. под бункером АПГ м2 0,05 0,05 0,0375

Средняя частота забиваний подколокольного пространства оплесами и отложениями и связанная с ними разгерметизация ГСК раз/т А! 1 3-4

Средние затраты времени на выполнение операции «очистка подколокольного пространства от отложений» час/т А! 0,5 2,0

Выбросы загрязняющих веществ в периоды удаления отложений из подколокольного пространства: - оксида углерода - фтористого водорода кг/т А! 2,6 0,1 10,3 0,4

Количество фтористого водорода, образующегося в периоды загрузки глинозема системой АПГ кг/т А! - 15 - 40

этих операций в сутки равна 2 часам, выбросы загрязняющих веществ в атмосферу корпуса в эти периоды составят: анодного газа

„яг У„нт 329,5-2

обР 20 20 в том числе оксида углерода

= 33-

т А1

(1)

р СО гобр

_ ^обр ' %со ' Рсо — 33 • 0,25

фтористого водорода

рнс _

гобр

где Р,

^£1 = ^=04 —

20 20 ' т А1

Рсо и рНР и Р

1,25 = 10,3 — , (2)

т А1' К 1

(3)

обр > Робр

гобр

- величина выбросов соответственно анодного газа, оксида углерода и фтористого водорода в периоды очистки подколокольного пространства от отложений; 7ВН - объем анодного газа, выделяющегося в атмосферу корпуса, и равный ему объем воздуха, поступающего в подколокольное про- нм3

странство в период удаления отложений, —; г - продолжительность выполнения операций, час/т А1; Хсо -объемная доля СО в подколокольном пространстве в период удаления отложений, доли ед.; рсо - плотность СО при нормальных условиях, кг/м3; тНЦ - количество фтористого водорода, образующегося в процессе электролиза, кг/т А1.

Потери фтористого водорода происходят также и в периоды загрузки порций сырья в электролизер системой АПГ вследствие мгновенного взаимодействия влаги, содержащейся в глиноземе, с криолитом и фтористым алюминием:

2№зА!Рв + 3 Н2О = А12О3 + 6 №Р + 6 ИР , (4) 2А!Рз + 3 Н2О = А12О3 + 6 НР. (5)

Учитывая, что влажность глинозема составляет 0,4-0,6% масс. и иногда достигает 1,0% масс., количество образующегося фтористого водорода в результате реакций (4), (5) может составлять от 15 до 40 кг/т А!.

Потери фтористого водорода в периоды загрузки глинозема обусловлены конструктивными особенностями системы АПГ, которая загружает сырье с наружной стороны ГСК. При этом основная часть мгновенно образующегося фтористого водорода выбрасывается в атмосферу корпуса (рис. 5, 6).

Рис. 5. Выбивание пыли из-под мундштука АПГ в момент загрузки в электролизер порции глинозема

Рис. 6. Выбивание пыли и газов из-под мундштуков АПГ в момент загрузки в электролизер порции глинозема

Сравнительные характеристики работы электролизеров С-8, С-8БМ на проектной силе тока и в условиях ее повышения представлены в табл. 1.

Из всего количества образующихся анодных газов лишь около 90% улавливается ГСК, остальные выбрасываются в атмосферу. В результате содержание загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны может достигать 10 ПДК и более.

Рис. 7. Горение анодных газов в подколокольном пространстве при разгерметизации ГСК

Анализ влияния герметичности ГСК на тепловой баланс электролизера и работу горелочных устройств. В периоды разгерметизации ГСК сгорание анодных газов происходит в подколокольном пространстве (рис. 7, 8), что увеличивает поступление тепла в атмосферу корпуса. Приход теплоты за счет сгорания анода и его унос с отходящими газами определяют термодинамическими расчетами [10,11].

Тепловой эффект сгорания углерода (анода) в процессе электролиза определяют согласно зависимости

<2а н=Ъ 0 2'ДЯГС 0 2+Рс 0-ДЯгС 0 . (6)

Количество тепла, уносимого от электролизера с анодными газами:

, (7)

где РС0 2 и РС0 - количество образующихся в электролизере СО2 и СО, кг/ч; ДЯ£° и ДЯ™ 2 - теплоты реакций (6), (7), кДж/кг; ДЯЙС02 и ДЯ^с° - изменение теплосодержания СО2 и СО в интервале температур от Т2 до Т1, кДж/кг.

С + О2 = СО2 С + 0,5 О2 = СО.

Результаты расчета тепла сгорания анода и уноса с анодными газами (табл. 2, 3) показывают, что в условиях повышения силы тока эти величины выросли в среднем на 20%. Однако приход тепла от сгорания непостоянен и зависит от количества образующихся оксида и диоксида углерода, которые, в свою очередь, зависят от эффективности ГСК. Из представленных данных видно, что при разгерметизации ГСК приход тепла от окисления анода в среднем на 20% выше при работе с герметичным ГСК. При этом унос тепла с анодными газами в такие периоды увеличивается лишь на 7%.

н 5

эффективность ГСК

Рис. 8. Зависимости количества теплоты окисления

анода и уноса теплоты с анодными газами от эффективности ГСК: 1 - приход теплоты от окисления анода при работе электролизера на проектной силе тока; 2 - приход тепла от окисления анода при работе электролизера в условиях повышения силы тока; 3 - унос тепла с анодными газами при работе электролизера на проектной силе тока; 4 - унос тепла с анодными газами при работе электролизера в условиях повышения силы тока

Приведенные выше расчеты не учитывают количество тепла, выделяющегося при сгорании оксида углерода в подколокольном пространстве при разгерметизации ГСК. Если предположить, что весь кислород, поступающий в подколокольное пространство, взаимодействует с оксидом углерода по реакции

СО + О2 = СО2 тогда количество выделившегося при этом тепла и изменение содержания СО в подколокольном пространстве будут иметь следующие значения (табл. 4).

Количество теплоты, выделяющейся в процессе сгорания анода

Таблица 2

Эффективность ГСК Количество образующихся анодных газов, кг/ч Теплота реакции, кДж/ч

СО2 СО

Проект Факт Проект Факт Проект Факт

0,98 39,7 47,7 17,3 20,8 423223,5 508562,5

0,95 42,3 50,8 16,8 20,2 457913,5 533911,0

0,88 43,1 51,7 15,6 18,7 446914,7 536039,9

0,85 45,3 54,3 15,1 18,1 464611,9 556918,9

0,75 45,7 54,8 13,3 16,1 461085,5 553497,4

0,7 47,4 56,8 12,5 15,0 473128,4 567038,8

0,6 50,1 60,1 10,8 12,9 490560,9 588257,5

0,5 52,8 63,4 9,0 10,8 507598,8 605476,2

Данные табл. 4 показывают, что в периоды выполнения на электролизере технологических операций, связанных с разгерметизацией ГСК, концентрация СО в подколокольном пространстве достигает критического значения - ниже концентрационного предела воспламенения [12]. При такой концентрации СО происходит погасание горелочных устройств, анодные газы в эти периоды эвакуируются от электролизера без дожига. При этом в газоходах происходит резкий рост отложений, т.к. смолистые вещества и углеродная составляющая пыли, содержащиеся в анодных газах, в полном объеме поступают в систему организованного газоотсоса. Согласно данным [13,14] температура воспламенения угольной пыли находится в пределах 550-8000С и зависит от наличия в ней летучих веществ. С учетом того что угольная пыль, содержащаяся в эвакуируемых анодных газах, представлена частицами кокса, прошедшего предварительную прокалку на стадиях приготовления анодной массы и спекания анода, температура его воспламенения значительно выше. Вынос углерода возможно оценить по запыленности анодного газа и содержанию в пыли углерода. При проектном объеме газоотсоса от электролизера 652 нм3/ч, средней запыленности анодного газа 2 г/нм3 и доле углерода в пыли ~ 30% эта величина составит порядка 0,39 кг/ч или около 8 кг/т А!.

Учитывая время выполнения технологической

операции «очистка подколокольного пространства от отложений» порядка 2 ч/т А!, а также интенсивность забивания подколокольного пространства оплесами, когда анодные газы выбрасываются в атмосферу корпуса и происходит погасание горелочных устройств, снижение коэффициента полезного использования (КПИ) горелок составляет 20-30%.

Сравнивая теплоты реакций сгорания анода и оксида углерода в подколокольном пространстве (см. табл. 3, 4), можно увидеть следующую картину. При работе с герметичным ГСК влияние тепла сгорания СО под ГСК незначительно, порядка 8% от количества тепла реакции окисления анода. Однако при разгерметизации ГСК приход тепла от сгорания СО в подколокольном пространстве резко возрастает и при появлении дымков, ликвидации анодного эффекта, негерметичном укрытии становится доминирующим, превышая тепло окисления анода в 1,5 и более раз. Здесь же следует отметить, что рост тепла окисления анода при снижении эффективности ГСК носит практически линейный характер, в то время как рост тепла сгорания оксида углерода под ГСК близок к параболической зависимости (табл. 5, рис. 9).

Выводы. 1. Повышение силы тока электролизера изменило характер образования и схода анодных газов, что привело к увеличению частоты забивания подколокольного пространства оплесами в 3-4 раза.

Количество теплоты, уносимой от электролизера с анодными газами

Таблица 3

Эффективность ГСК Количество образующихся анодных газов, кг/ч Теплота реакции, кДж/ч

СО2 СО

Проект Факт Проект Факт Проект Факт

0,98 39,7 47,7 17,3 20,8 58480,3 70279,0

0,95 42,3 50,8 16,8 20,2 60615,8 72821,2

0,88 43,1 51,7 15,6 18,7 60187,4 72183,7

0,85 45,3 54,3 15,1 18,1 62184,6 74215,5

0,75 45,7 54,8 13,3 16,1 60455,3 73650,7

0,7 47,4 56,8 12,5 15,0 61360,7 73551,1

0,6 50,1 60,1 10,8 12,9 62353,2 74741,1

0,5 52,8 63,4 9,0 10,8 63241,9 75931,2

Таблица 4

Содержание СО в анодных газах под ГСК и количество теплоты, выделяющееся при его сгорании в _подколокольном пространстве_

гк аг ГСК, доли ед. Масса О2 под ГСК, кг/т А Количество СО, кг/т А Объемная доля СО, доли ед. Количество теплоты при сгорании СО*, кДж/т А!

образующегося К°бр после сгорания образующегося после сгорания

0,98 4,5 415,9 412,0 0,41 0,406 41340

0,95 11,2 403,3 392,5 0,39 0,38 114480

0,88 26,8 374,2 350,7 0,37 0,34 249100

0,85 33,5 361,8 332,5 0,36 0,33 310580

0,75 55,9 320,3 271,4 0,32 0,27 518340

0,7 70,2 299,6 238,2 0,30 0,24 650840

0,6 93,6 258,0 176,1 0,25 0,17 868140

0,5 117,0 216,6 114,2 0,21 0,11 1085440

* Удельная теплота сгорания СО 13250 кДж/м или 10600 кДж/кг.

0,98 0,95 0,88 0,85 0,75 0,7 0,6 0,5

эффективность ГСК

Рис. 9. Зависимости теплоты реакции от эффективности ГСК: 1 - сгорания анода; 2 - сгорания оксида углерода

в подколокольном пространстве

Таблица 5

Зависимости теплоты реакций сгорания анода и оксида углерода в подколокольном пространстве от эффективности ГСК

Их удаление сопряжено с разгерметизацией ГСК. В эти периоды удельные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу корпуса составляют: фтористого водорода ~ 0,4 кг/т Al; оксида углерода - 10, 3 кг/т Al. При разгерметизации ГСК оксид углерода сгорает в подколокольном пространстве с выделением тепла в количестве, в 1,5-2 раза превышающем теплоту окисления анода. При этом температура в рабочей зоне может превышать допустимую в 2-3 раза.

2. Нормализация атмосферы рабочей зоны возможна путем модернизации и повышения эффективности системы сбора и эвакуации анодных газов от электролизеров.

Эак ГСК, доли ед. Теплота реакции сгорания, кДж/ч

анода СО под ГСК

0,98 508562,5 41340

0,95 533911,0 114480

0,88 536039,9 249100

0,85 556918,9 310580

0,75 553497,4 518340

0,7 567038,8 650840

0,6 588257,5 868140

0,5 605476,2 1085440

1. Chen John J.J. Some physical model studies of gas-induced flows in aluminum cells. JOM, v.46, n.11, Nov. 1994, p. 15-19.

2. Zhaowen Wang, Bingliang Gao, Haitao Li, Zhongnin Shi, Xiaodong Lu, ZhuxianQiu. Исследования поведения пузырьков на аноде при электролизе алюминия / Сб. докл. XI Меж-дунар. конф. «Алюминий Сибири - 2005» (Красноярск, 13-15 сент. 2005). Красноярск, 2005. С. 135-139.

3. Begunov A.I, Gromov B.S. Light Metals 1994. Р. 295-304.

4. Бегунов А.И., Цымбалов С.Д. Макрокинетика потерь металла в алюминиевых электролизерах. СПб.: Наука, 1994. 77 с.

5. Бегунов А.И., Бегунов А.А. Решения по радикальной модернизации электролизных производств с анодами Со-дерберга Российской алюминиевой промышленности // Сб. докл. II Междунар. конгр. «Цветные металлы - 2010» (Красноярск, 2-4 сент. 2010). Красноярск, 2010. С. 581-588.

6. Поведение анода в условиях работы на повышенной силе тока [текст] / И.В. Черских [и др.] // Сб. докл. X Междунар. конф. «Алюминий Сибири - 2004» (Красноярск, 7-10 сент. 2004). Красноярск, 2004. С. 99-106.

7. Леви О.Э. Внедрение АПГ точечного типа на электролизерах С-8БМ на КрАЗе [текст] / О.Э. Леви, В.В. Пингин, К.Ф.

ский список

Никандров, Ю.В. Куликов // Технико-экономический вестник БрАЗа. 2002. №6. С.34-37.

8. Козьмин Г.Д., Тепляков Ф.К. Освоение и эксплуатация способа автоматической подачи глинозема в электролизные ванны // Технико-экономический вестник БрАЗа. 2002. №6. С. 11-16.

9. Буркат В.С., Друкарев В.А. Сокращение выбросов в атмосферу при производстве алюминия. СПб., 2005. 275 с.

10. Борисоглебский Ю.В. Расчет и проектирование алюминиевых электролизеров: учеб. пособие. Л.: Изд. ЛПИ им. М.И. Калинина, 1981. 80 с.

11. Криворученко В.В., Коробов М.А. Тепловые и энергетические балансы электролизеров. М.: Гос. научн.-техн. изд. литературы по черной и цветной металлургии, 1963. 320 с.

12. Гурвич С.М. Справочник химика-энергетика: т. 3. Энергетическое топливо. (Характеристика и контроль качества). М.: Энергия, 1972. 215 с.

13. Горбунов В.И. Вентиляция шахт: лекции для студентов. Магнитогорск: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2007. 112 с.

14. Порцевский А.К. Вентиляция шахт. Аэрология карьеров: лекции для студентов горных специальностей. М.: Московский государственный открытый университет, 2004. 71 с.