Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного уровня энергетической эффективности и экологической безопасности электролизеров для получения алюминия и постановка задач исследований 16
1.1 Основные направления энергосбережения в современных алюминиевых электролизерах 17
1.1.1 Мероприятия интенсивного энергосбережения в производстве алюминия 18
1.1.2 Энергетическая модернизация алюминиевых электролизеров 27
1.1.3 Утилизация теплоты анодных газов, удаляемых от алюминиевых электролизеров 30
1.2 Основные направления повышения экологической безопасности современных алюминиевых электролизеров. 32
1.2.1 Газосборный колокол алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом 35
1.2.2 Горелочные устройства дожигания анодных газов 39
1.2.3 Газоходные тракты корпусов производства алюминия и способы их обслуживания 43
1.3 Постановка задач исследования 49
2 Методология экспериментальных исследований 52
2.1. Методика исследования физических свойств (гранулометрия, прочность на сжатие и модуль упругости) материалов укрытия анодного массива алюминиевого электролизера 52
2.2 Методика определения теплопроводности материалов укрытия анодного массива алюминиевого электролизера 56
2.3 Методика эксперимента по определению технологических параметров горения смолистых веществ, содержащихся в сжигаемых анодных газах 57
2.4 Методика оценки эффективности работы системы импульсной автоматической очистки горелок от пыли 59
2.5 Методика экспериментов по определению тепловых и газодинамических параметров газовых потоков 61
2.6 Методика экспериментов по определению влияния температуры загружаемого в электролизер глинозема на время его растворения в электролите 63
2.7 Методика экспериментальной оценки снижения тепловых потерь через поверхность теплоизолированного газосборного колокола 64
2.8 Выводы по главе 2 64
3 Развитие теоретических основ и разработка технических решений повышения энергетической эффективности алюминиевых электролизеров 66
3.1 Анализ влияния факторов на потери напряжения в газосодержащем слое электролита 66
3.2 Численное исследование влияния на энергопотребление габаритов самообжигающегося анода 72
3.3 Разработка мероприятий по уменьшению газового слоя под анодом 83
3.4 Предложения по снижению потерь теплоты поверхностями алюминиевого электролизера 89
3.5 Технические решения по утилизации теплоты процесса электролиза 95
3.6 Анализ энергетических затрат на эксплуатацию газоходной сети корпуса электролиза 103
3.7 Экспериментальное исследование и оптимизация свойств материалов укрытия анодного массива 106
3.8 Выводы по главе 3 113
4 Повышение экологической безопасности алюминиевых электролизеров 116
4.1 Определение геометрических параметров газосборного колокола и горелки с использованием критериев гидродинамического подобия 116
4.2 Математическое моделирование сжигания анодного газа в горелке 126
4.3 Прикладные разработки по сжиганию анодного газа 146
4.4 Математическое моделирование газоходной сети корпуса электролитического производства алюминия 152
4.5 Численное исследование движения пылевых частиц в закрученном воздушном потоке 165
4.6 Предложения по улавливанию смолистых веществ с поверхности самообжигающегося анода и от охлаждаемого анодного штыря 173
4.7 Выводы по главе 4 176
5 Оценка влияния газопылевых балластных примесей на эффективность дожигания анодных газов 179
5.1 Влияние газовых балластных примесей анодного газа на устойчивость работы горелки 180
5.2 Механизм и интенсивность коагуляции пылевых частиц в горелке 182
5.3 Седиментация в горелке пылевых конгломератов 188
5.4 Динамика газодисперсного потока в горелке 193
5.5 Система импульсной автоматической очистки горелок и газоходов от отложений 200
5.6 Выводы по главе 5 201
6 Экспериментальная оценка разработанных технических и технологических решений 204
6.1 Опытно-промышленные испытания системы импульсной автоматической очистки горелок от отложений 204
6.2 Опытно-промышленные испытания горелок в условиях регулирования в них разрежения 206
6.3 Опытно-промышленные испытания теплоизолированного газосборного колокола 213
6.4 Опытно-промышленные испытания и оценка эффективности загрузки в расплав предварительно нагретого глинозема 215
6.5 Лабораторные исследования температурных режимов сжигания смолистых веществ (нафталина и антрацена), входящих в состав анодных газов 217
6.6 Выводы по главе 6 227
7 Общая укрупненная оценка энергетической, экологической и экономической эффективности результатов исследований и внедрения их в производство 229
Заключение 233
Основные обозначения 237
Библиографический список 241
Приложение А Справка о промышленном внедрении и использовании результатов диссертационной работы ОК «РУССКИЙ АЛЮМИНИЙ» 276
Приложение Б Акт опытно-промышленных испытаний влияния температуры загружаемого в электролит глинозема на энергетические характеристики электролизера 278
Приложение В Выписка из протокола заседания технического совета ИТЦ ИрНИТУ 283
Приложение Г Акт внедрения в учебный процесс ФГАОУ ВО СФУ 287
Приложение Д Справка об использовании научных материалов в учебном процессе НТЦ «ЛЕГКИЕ МЕТАЛЛЫ» 288
Приложение Е Экспертное заключение по техническому решению «Электролизер для получения алюминия» 289
- Газосборный колокол алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом
- Экспериментальное исследование и оптимизация свойств материалов укрытия анодного массива
- Механизм и интенсивность коагуляции пылевых частиц в горелке
- Лабораторные исследования температурных режимов сжигания смолистых веществ (нафталина и антрацена), входящих в состав анодных газов
Введение к работе
Актуальность работы. Алюминиевое производство относится к числу базовых отраслей промышленности, где современное высокотемпературное теплотехнологическое оборудование является крупнейшим потребителем энергетических и сырьевых ресурсов. Так, мировая алюминиевая промышленность производит более 57 млн. т/год металла, затрачивая на эти цели около 8 % вырабатываемой электроэнергии. По оценке аналитиков, ежегодно мировое потребление алюминия увеличивается в среднем на 3,8 %, или более чем на 2200 тыс. тонн к объемам существующего производства.
В России при производстве одной тонны металла в электролизерах с предварительно обожженным и с самообжигающимся анодами расходуется 13,0…14,5 и 15…16 тыс. кВтч электроэнергии соответственно. Высокое энергопотребление в производстве алюминия является следствием низкой энергетической эффективности алюминиевых электролизеров, не превышающей 45 %, где значительная часть потребляемой энергии рассеивается через его поверхности в виде теплоты в окружающую среду и затрачивается на преодоление сопротивления прианодного газосодержащего слоя электролита и контактных узлов токопроводя-щей цепи. В общей сложности Российская алюминиевая промышленность на выпуск около 3,6 млн. т/год металла расходует более 60 млрд. кВтч электроэнергии, что равно суммарной выработке Красноярской, Братской и Саяно-Шушенской ГЭС или тепловых электростанций, сжигающих 24 млн. т/год угля.
При производстве тонны алюминия образуется около 1,5 тонн газообразных и твердых загрязняющих веществ, из которых порядка 90 % улавливается и обезвреживается системой газоудаления, что недостаточно для достижения допустимого уровня выбросов, установленного Законодательством в области охраны окружающей среды.
Разработка новых и совершенствование существующих конструкций электролизеров осуществляется в основном за счет углубленного изучения и уточнения основных закономерностей процессов газодинамики и тепломассопереноса, протекающих в криолит-глиноземных расплавах. Этим проблемам посвящены труды зарубежных и российских ученых, представителей научных школ ВАМИ, СибВАМИ, ИТЦ РУСАЛ, СФУ, ИрГТУ, Сиб-ГИУ, ИТ им. С.С. Кутателадзе СО РАН и ряда др. Однако большинство этих трудов направлены преимущественно на решение локальных задач, где формирование выбросов в электролизере и технология их обезвреживания не рассматриваются как единая задача, а имеющиеся ресурсы в области энергосбережения задействованы не в полной мере.
В связи с этим, актуальной научной проблемой для производителей алюминия является разработка научно обоснованного комплекса технических и технологических решений по
повышению энергетической эффективности и экологических показателей оборудования для производства первичного алюминия, обеспечивающих уменьшение энергетических затрат на единицу производимой продукции, сбережение материальных ресурсов и защиту окружающей среды.
Исследование выполнено в рамках тем: «Разработка технологии получения алюминия
со снижением расхода электроэнергии на действующих электролизерах на
300…1000 кВтч/т Al»; «Фундаментальные исследования создания основ современных энергосберегающих и экологически чистых технологий производства алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом» (соглашение с Минобрнауки РФ о предоставлении субсидии № 14.579.210032 от 05.06.2014 г., проект НИЧ СФУ № от 19.05.2017 г.).
Объект исследования – алюминиевые электролизеры Содерберга и их система газоудаления, включающая газосборный колокол, газоходную сеть корпуса и горелки для сжигания анодных газов.
Предмет исследования – процессы горения, аэрогазодинамики и тепломассообмена.
Цель диссертационной работы. Разработка научно обоснованного комплекса технических и технологических решений, направленных на повышение энергетической эффективности и экологических показателей теплотехнологического оборудования для производства первичного алюминия.
Задачи исследования:
-
Обобщить имеющиеся исследования в области энергосбережения и обеспечения экологической безопасности производства алюминия, проанализировать степень их проработки, выявить скрытые ресурсы, разработать и предложить методы их использования.
-
Разработать научно обоснованные технические и технологические решения по снижению потерь теплоты, потребления электроэнергии и негативного воздействия на окружающую среду алюминиевыми электролизерами.
-
Расчетно-экспериментальным путем определить технологические границы горения анодного газа и геометрические параметры горелок, обеспечивающие полное сгорание смолистых веществ, содержащихся в сжигаемых анодных газах.
-
Выполнить оценку влияния газовых и пылевых балластных примесей сжигаемого анодного газа на эффективность и устойчивость работы горелок электролизера.
-
Исследовать аэрогазодинамические, тепло- и массообменные процессы, протекающие в электролизерах и их системах газоудаления, разработать способы повышения эффективности процессов, обеспечивающих сокращение расхода энергетических и материальных ресурсов и уровня выбросов загрязняющих веществ.
-
Разработать комплексную инженерную методику расчета параметров системы газоудаления электролизера с самообжигающимся анодом в условиях увеличения силы тока и закрученного газопылевого потока в газоходной системе электролизера.
-
Выполнить опытно-промышленные испытания разработанных технических и технологических решений.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке комплекса научно обоснованных технических и технологических решений, обеспечивающих снижение потребления энергоресурсов и выбросов загрязняющих веществ как действующими, так и проектируемыми электролизерами для получения первичного алюминия. При этом:
– теоретически и экспериментально обоснован комплекс взаимосвязанных мероприятий по сбережению энергетических ресурсов алюминиевыми электролизерами Содерберга, заключающихся в сокращении потерь теплоты поверхностями электролизера, утилизации теплоты анодных газов, уменьшении затрат теплоты на нагрев и растворение в электролите глинозема, снижении объема прианодного газоэлектролитного слоя, образующегося в результате окисления анода;
– разработана методология теплотехнического расчета системы газоудаления электролизеров с самообжигающимся анодом, позволяющая провести комплексный анализ влияния геометрических и режимных параметров газосборного колокола, горелок и газоходной сети на ее технико-экономическую эффективность в условиях увеличения силы тока процесса электролиза;
– установлено предельное значение избытка воздуха = 3,5, превышение которого снижает концентрацию горючих компонентов до уровня, находящегося ниже нижнего концентрационного предела воспламеняемости, а температуру в зоне горения – до уровня, недостаточного для поддержания горения. Выявлено, что одной из причин погасания горелок является коагуляция пыли, содержащейся в сжигаемых анодных газах, и рост концентрации пылевых конгломератов в зоне горения. Определено, что критическая концентрация конгломератов, приводящая к погасанию горения, достигается за 3,5…6,5 ч;
– на основе математического моделирования научно обоснована целесообразность оборудования горелок дисковыми турбулизаторами и определены их конструктивные параметры, обеспечивающие увеличение пути смешивания сжигаемых в них анодных газов с воздухом и возможность регулирования при этом разрежения в системе газоудаления, а также системой импульсной очистки от пылевых отложений за счет периодического увеличения давления в горелке от – 20 Па до 400…500 кПа в течение 0,5…1,0 с;
– получены новые температурно-временные зависимости воспламенения и горения основных компонентов смолистых веществ, содержащихся в сжигаемых анодных газах:
нафталина, антрацена и бенз(а)пирена, установлено, что их горение происходит соответственно при 290…330, 400…440 и 1270…1330 С. Выявлено, что при температуре 750 С и более полное дожигание нафталина и антрацена достигается соответственно в течение 0,5 и 0,2 с. Определено, что при сжигании нафталина и антрацена в условиях недостатка воздуха происходит их пиролиз с образованием этилена, метана, ацетилена, сажи, а также возгонов исходных веществ;
– разработан научно обоснованный подход к решению проблемы повышения эффективности улавливания и обезвреживания образующихся в алюминиевом электролизере загрязняющих веществ, заключающийся в том, что система газоудаления алюминиевого электролизера рассматривается как единый и взаимосвязанный комплекс, где характер и интенсивность аэрогазодинамических, тепло- и массообменных процессов, протекающих в каждом ее конструктивном элементе, являются определяющей в оценке эффективности работы смежных элементов;
– в результате численных исследований разработаны конструкции газосборного колокола, отличающиеся от проектируемых 1,5…2,0-кратным увеличением объема подколоколь-ного пространства и параболоидной конфигурацией его поперечного сечения, обеспечивающие улучшение условий работы горелок за счет снижения аэродинамического сопротивления в 3…4 раза, исключение образования вторичных течений анодных газов, а также повышение эффективности сбора анодных газов на уровне 94…96 % и сокращение удельных выбросов фторидов на 0,7…0,8 кг/т Al;
– на основе теоретического исследования установлено, что для очистки газоходных сетей корпусов электролиза от пылевых отложений целесообразна закрутка потока анодных газов за счет ввода в газоход сжатого воздуха под углом 36…48 по отношению к его продольной оси.
Практическая значимость и реализация результатов работы
-
Разработаны, испытаны и рекомендованы к внедрению в промышленное производство алюминия технические и технологические решения по энерго- и ресурсосбережению, основанные на снижении теплоты поверхностями электролизера, утилизации теплоты анодных газов и сокращении энергетических затрат при их транспортировке по газоходным сетям, уменьшении потерь электрической энергии на газосодержащем слое электролита.
-
Разработаны диаграммы и таблицы, позволяющие оценить влияние:
– коэффициента избытка воздуха и объема горелки на температуру в зоне горения, верхние и нижние пределы воспламеняемости сжигаемой смеси и время ее нахождения в зоне высоких температур;
– коэффициента избытка воздуха, температуры и скорости потока в зоне горения, вязкости газовой смеси и размеров частиц пыли на интенсивность ее коагуляции и скорость седиментации образующихся конгломератов.
-
Разработаны и внедрены в промышленном масштабе технические и технологические решения по повышению экологической безопасности производства алюминия путем увеличения эффективности сбора и обезвреживания загрязняющих веществ, образующихся в процессе электролиза. Разработанные рекомендации по совершенствованию газоходной сети приняты в качестве исходных при проектировании модернизированных систем газоудаления корпусов электролиза алюминиевых заводов.
-
Разработаны и запатентованы новые способы и устройства снижения потерь теплоты и энергопотребления алюминиевыми электролизерами, повышения эффективности улавливания и обезвреживания вредностей, выделяющихся в процессе электролиза (№№ 2558813, 2586184, 2456380, 2456383, 2534712, 163339, 157373, 2309200, 2407827, 2437966, 2464360, 2324012, 2397278, 95669, 95670, 2399697, 2532792, 2569866,68512, 69868, 2385973, 2542180, 2555302, 2585601, 2586184, 2621322).
-
Внедрение результатов работы обеспечивает снижение удельного расхода электроэнергии в среднем на 900 кВтч/т Al; сокращение удельных выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду, кг/тAl: газообразных соединений фтора – 0,20, твердых соединений фтора – 0,28, смолистых веществ (по нафталину – 0,55, бенз(а)пирена – 0,00088, оксида углерода – 44,7, диоксида серы – 0,55, пыли неорганической с содержанием SiO2 до 20 % – 0,77. При этом удельное сокращение металлоемкости технологического процесса производства алюминия составляет 0,0027 кг/т Al. Суммарный экономический эффект от внедрения разработанных технических и технологических мероприятий заключается в снижении себестоимости производимого металла на 2289,8 руб/т Al.
6. Результаты работы используются в учебном процессе Сибирского Федерального
университета при подготовке бакалавров и магистров по специальностям, включающим дис
циплины «Промышленная теплоэнергетика», «Промышленная экология» и «Безопасность
жизнедеятельности в техносфере», а также в курсах, организуемых для повышения квалифи
кации работников алюминиевых заводов России.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Направления повышения энергетической эффективности и экологической безопас
ности теплоиспользующих установок для получения первичного алюминия.
2. Научное обоснование технических и технологических решений, обеспечивающих
снижение потерь теплоты конструктивными элементами электролизера, утилизацию теплоты
эвакуируемых от электролизеров анодных газов, уменьшение падения напряжения на газо-
7
содержащем слое электролита и сокращение энергетических затрат на эксплуатацию газо-ходных сетей корпусов производства алюминия.
3. Методология комплексного теплотехнического расчета элементов системы газо
удаления в условиях увеличения силы тока электролизера с самообжигающимся анодом.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния технологи
ческих, режимных и конструктивных параметров на процессы горения, аэрогазодинамики,
тепло- и массообмена в электролизерах и элементах системы газоудаления.
5. Технические и технологические решения, а также разработанные способы и
устройства, обеспечивающие снижение потребления энергоресурсов и выбросов загрязняю
щих веществ электролизерами для получения первичного алюминия.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием современных теоретических и физических методов исследования теплотехнологических процессов, статистической обработки и формализации полученных результатов. Теоретический анализ проводился на основе известных аналитических методов расчета и аппарата численного моделирования, экспериментальный – на лабораторных и промышленных объектах согласно действующим стандартам с привлечением методов и средств измерений технологических и теплотехнических параметров.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы, выводов и рекомендаций основывается на использовании современных и апробированных методах теоретического и физического анализа процессов горения, аэрогазодинамики, тепло- и мас-сообмена в алюминиевых электролизерах и их системах газоудаления. Исходные данные для исследования получены в ходе натурных обследований и инструментальных измерений технологических и теплотехнических параметров оборудования с последующей их статистической обработкой и определением доверительных интервалов. Результаты расчетов вполне удовлетворительно согласуются с данными экспериментов на действующих электролизерах и лабораторных установках.
Личный вклад автора заключается в постановке задач и проведении теоретических и экспериментальных исследований; разработке, обосновании и патентной защите новых конструкций электролизеров для получения алюминия, способов их эксплуатации и обслуживания; проведении организационно-технических мероприятий по опытно-промышленным испытаниям и промышленному освоению разработанных технических решений; обработке полученных результатов; анализе, обобщении, научном обосновании и формулировании выводов и рекомендаций.
Все приведенные в диссертации основные положения, теоретические результаты и технические решения получены и разработаны лично автором или при его непосредственном
участии. При анализе результатов работы использовались консультации Архипова Г.В., Дек-терева А.А., Крюковского В.А., Полякова П.В., Прошкина А.В., Ребрика И.И., Стороже-ва Ю.И.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие и природозащитные технологии в производстве глинозема, алюминия, магния и сопутствующей продукции», посвященной 75 –летию ВАМИ (Санкт-Петербург, 2006); XII – XIV Международных конференциях «Алюминий Сибири» (Красноярск, 2006, 2007, 2008); IV Международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2006); V Международном конгрессе по управлению отходами и природоохранным технологиям «ВэйстТЭК – 2007» (Москва, 2007); IV Международной конференции «Реконструкция металлургических производств. Современные экологические технологии и повышение эффективности предприятий» (Москва, 2008); I – VI Международных конгрессах «Цветные металлы» (Красноярск, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014; 2015; 2016; 2017), Международной научно-практической конференции «Инновационный вектор развития: предпосылки, реальность, перспективы» (С-Петербург, 2014), VI Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (с участием иностранных ученых) (Кемерово, 2005); IV заседании Международного клуба Содер-берг (Красноярск, 2008); Международной летней школе «Глобальные изменения климата», г. Красноярск, 2014.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 109 печатных работ, в том числе две монографии, 17 статей в изданиях, входящих в наукометрическую базу Scopus, 25 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено четыре Евразийских патента на изобретения и 29 патентов РФ на изобретения и полезные модели.
Объем и структура. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка из 273 наименований и приложений. Общий объем работы 289 страниц, в том числе 33 таблицы и 123 рисунка.
Автор выражает искреннюю признательность за большую помощь при постановке исследований и реализации результатов коллегам из ФГАОУ ВО СФУ, ФГБОУ ВО ИрНИТУ и ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет», а также сотрудникам ОК РУСАЛ (ИТЦ, Красноярского, Братского, Новокузнецкого, Иркутского и Саяногорского алюминиевых заводов), НТЦ «Легкие металлы», ООО ТОРИНС.
Газосборный колокол алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом
Газосборный колокол (ГСК) является, по сути, основным элементом и первой ступенью улавливания образующихся в электролизере анодных газов. Эффективность его работы является основным фактором, определяющим величину фонарных выбросов, а также эффективность работы горелочных устройств.
В периоды разгерметизации электролизера эффективность улавливания анодных газов газосборным колоколом падает до 60 %, фтористого водорода – до 35 % [124]. При средней регламентной продолжительности нахождения электролизера в разгерметизированном состоянии 2 часа в сутки, времени, необходимого для очистки подколокольного пространства от отложений, удельные выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду в эти периоды составляют:
– анодного газа: в т.ч. оксида углерода:
– фтористого водорода:
где , и – величина выбросов, соответственно, анодного газа, оксида углерода и фтористого водорода в периоды очистки подколокольного пространства от отложений, кг;
– объем анодного газа, выделяющегося в атмосферу корпуса и равный ему объем воздуха, поступающего в подколокольное пространство в период удаления отложений, ; продолжительность выполнения операций, час/т Al; - объемная доля СО в подколокольном пространстве в период удаления отложений, доли ед.; плотность СО при нормальных условиях, кг/м3; – количество фтористого водорода, образующегося в процессе электролиза, кг/т Al.
Выбросы загрязняющих веществ в периоды загрузки глинозема обусловлены способом их подачи системой АПГ – с наружной стороны ГСК (рис. 1.6), при котором значительная часть пыли и образующегося фтористого водорода выбрасывается в атмосферу корпуса (рис 1.7).
Известные конструкции ГСК условно можно разделить на три типа: – безгорелочные для дожигания анодных газов непосредственно в подколокольном пространстве [90; 91];
– предотвращающие (сокращающие) деформацию пояса анодного кожуха, на которые навешиваются секции ГСК и увеличивающие срок службы нижней, самой быстро изнашиваемой части анодного кожуха [92 - 94]; – повышающие эффективность сбора и дожигания анодного газа в горелочных устройствах [95 - 100].
Однако, безгорелочные ГСК промышленного применения не нашли, в силу того, что избыточное давление анодных газов в подколокольном пространстве сопровождается их выбиванием в атмосферу через отверстия, предназначенные для подсоса атмосферного воздуха, а горение в подколокольном пространстве вызывает дополнительное окисление боковой поверхности анода.
Суть технических решений, направленных на предотвращение деформации пояса анодного кожуха, заключается в обеспечении плотности прилегания к нему верхней кромки внутренней стенки ГСК. Для этого, секции газосборного колокола имеют «смещенный центр тяжести», направленный к анодному кожуху, или между анодным кожухом и поясом устраивается полость, заполняемая теплопроводящим материалом, например, бетоном, предотвращающим перегрев узла. Однако при этом увеличивается общая масса анодного узла, и возрастает нагрузка на домкраты анодной рамы, а попадание бетона в электролизер, в случае прогорания пояса, несет риск увеличения содержания кремния в производимом алюминии. Секции ГСК, изготовленные из алюминия или его сплавов, существенно снижают эту нагрузку. Однако их эксплуатационная температура не превышает 150 С [101], что значительно ниже температуры газосборного колокола в условиях действующего электролизера, достигающей нескольких сотен градусов [102]. Поэтому они также не нашли промышленного применения.
К сожалению, не нашли промышленного применения и секции ГСК, изготовленные из порошковых материалов – спеченного корунда или глинозема, порошкового алюминия и жидкого стекла в качестве связующего [103]. Газосборные колокола, изготовленные таким способом, обладают высокой теплостойкостью, до 2000 С, а также инертностью по отношению к агрессивным анодным газам. Применение такого ГСК сокращает поступление железа в электролизер, а низкая теплопроводность порошкового материала способна существенно снизить потери теплоты через верх электролизера и таким образом снизить расход электроэнергии на их компенсацию.
Краткий обзор конструкций ГСК показывает, что ни одна из них не направлена на решение проблемы сокращения образования отложений в подколокольном пространстве, являющихся главными причинами выбивания газов в рабочую зону корпуса электролиза и далее, через аэрационный фонарь, в атмосферу. Рост частоты забиваний подколокольного пространства оплесами обусловлен его малыми объемом и площадью поперечного сечения, не соответствующими достигнутой производительности электролизера и объему образующихся анодных газов. На эксплуатируемых электролизерах площадь поперечного сечения составляет 0,05 м2, а в четырех, под мундштуками бункеров системы АПГ, присутствуют «пережимы» площадью поперечного сечения 0,0375 м2. Наличие «пережимов» обусловлено необходимостью загрузки в электролизер глинозема в точках с максимальной циркуляцией электролита [104; 105]. Именно эти места подколокольного пространства подвержены наиболее интенсивному забиванию отложениями. Обусловлено это малым расстоянием между боковой поверхностью анода и внутренней стенкой ГСК, недостаточным для осаждения брызг электролита, выносимых из-под анода газовыми пузырями, на поверхность расплава. Поэтому основная часть брызг оседает на внутреннюю стенку ГСК, забивая подколокольное пространство и ухудшая условия движения анодного газа к горелкам.
Отсюда, известные конструкции ГСК нельзя рассматривать как перспективные, решающие проблему повышения экологической безопасности электролизеров для получения алюминия.
Экспериментальное исследование и оптимизация свойств материалов укрытия анодного массива
Укрытие анодного массива алюминиевого электролизера снижает окисление анода и стабилизирует тепловой баланс ванны, поддерживает целевой уровень электролита, обеспечивает оптимальную форму настыли и гарнисажа, адсорбирует летучие фториды: HF, NaAlF4 и AlF3, защищает ниппели анододержателя от воздействия расплава при возникновении анодного эффекта, поддерживает тепловой баланс электролизера и предотвращает чрезмерные потери им теплоты, достигающие 153 кВт, снижает затраты электроэнергии на их компенсацию. Таким образом, укрытие анодного массива оказывает существенное влияние на технико-экономические и экологические показатели электролиза, позволяет снизить расход электроэнергии, углеродных материалов и уровень выбросов загрязняющих веществ.
Качество укрытия анодного массива зависит от характеристик исходных материалов: свежего глинозема, качества и состава дробленых корок и оборотного электролита, технологии их переработки и смешивания, способов транспортировки и хранения, операций загрузки в электролизер укрывного материала (УМ) и физико-химических свойств последнего – химического и гранулометрического составов, газопроницаемости, теплопроводности, текучести, угла естественного откоса (УЕО) [194 - 198].
Как правило, 25…30 % масс. загружаемого в электролизер УМ, размещается на поверхности анода, оставшиеся 70…75 % масс. - по его периметру. Толщина слоя укрытия на различных заводах колеблется в широких пределах, от 5 см до 12 см, и определяется из соображений надежной защиты анода от окисления и отвода теплоты в количестве, обеспечивающем поддержание теплового баланса ванны. Толщина слоя укрытия может варьироваться, в зависимости от теплопроводностей спеченных корок УМ и анода, которые колеблются в пределах 0,9…1,6 Вт/мК и 2,5…5 Вт/мК соответственно. Удельные тепловые потери от поверхности укрытия, сформированного из смеси дробленого электролита и глинозема, составляют от 4 до 5,4 Вт/м2, из глинозема – 3,9 Вт/м2. По этой причине глинозем в качестве укрывного материала может применяться в случаях, когда есть необходимость уменьшения междуполюсного расстояния или в случае высокой теплопроводности эксплуатируемых анодов (от 4 Вт/мК и более).
При выборе химического и гранулометрического состава УМ применялся опыт лучших алюминиевых заводов мира [198]. Химический состав выбранных для испытаний рецептур УМ представлен дроблеными электролитом и корками с добавкой 20 % масс. фторированного глинозема. Для оценки влияния крупности компонентов выбраны четыре состава УМ, гранулометрические характеристики которого представлены в табл. 3.2.
Свойства материалов предложенных рецептур сравнивались со свойствами криолито-глиноземной шихты (КГШ), используемой в настоящее время на алюминиевых заводах для укрытия анодного массива электролизеров. Химический состав КГШ и входящей в ее состав дробленой корки с анодного огарка представлен в табл. 3.3, гранулометрический в таб. 3.4.
Данные таблиц 3.3 и 3.4 показывают, что в настоящее время УМ большей частью состоит из глинозема и содержит значительное количество частиц размером до 100 мкм, что противоречит общепринятой мировой практике.
Данные, представленные на рис. 3.31 показывают, что минимальной теплопроводностью обладает КГШ, что обусловлено высокой долей входящего в ее химический состав глинозема (около 80 % масс.), и высокой долей в ее гранулометрическом составе мелких пылевидных частиц размером до 100 мкм (более 45 % масс.). Высокое содержание глинозема обеспечивает низкую теплопроводность укрывного материала, но не обеспечивает надежной защиты анода от окисления. Согласно [199], скорость окисления анода, защищенного глиноземом, в 32 раза превышает скорость окисления анода, защищенного УМ - смесью дробленого электролита с глиноземом. Обусловлена такая разность низкой газопроницаемостью спеченной корки, 0,02…0,04 нПм и высокой, порядка 8…9 нПм, глинозема, при температуре электролиза корки не образующего. О низкой эффективности защиты анода от окисления криолитоглиноземной шихтой свидетельствует высокое содержание углерода в дробленой корке (более 5 % масс.), и в готовой КГШ (около 2 % масс.) (табл. 3.3), и это при том, что приемлемым является содержание углерода в количестве 0,5 % масс. Превышение содержания углерода 1…2 % масс. указывает на низкое качество анода или его укрытия [200]. Источниками углерода являются мелкая пыль, оседающая из анодных газов на поверхность укрытия, свободный слой частиц углерода на верхней поверхности анода вследствие его окисления воздухом, угольная пена, входящая в состав грейферного электролита и куски анода, попавшие на измельчение с коркой, удаленной с огарка.
Большая часть углерода на глубине до 15 см окисляется воздухом, что увеличивает пористость укрывного материала и скорость окисления анода воздухом, замыкая таким образом порочный круг. Углерод в глубоких слоях укрытия, защищающих боковые поверхности анода, окисляется меньше, однако он может стать причиной загрязнения расплава, увеличения сопротивления и температуры электролита и связанных с этим снижением производительности электролизера и выхода по току, повышением потребления электроэнергии и фтористых солей, содержания газообразных и твердых фторидов в анодных газах. Согласно [201], увеличение температуры электролита на каждые 10 С приводит к снижению выхода по току примерно на 2 %.
Другой причиной высокой скорости окисления анода является гранулометрический состав УМ. В соответствии с данными табл. 3.4, содержание пылевидных частиц размером до 100 мкм превышает 45 % масс. При этом содержание в КГШ крупных частиц, размером 2 мм и более, не достигает и 1 % масс. Это противоречит общепринятой мировой практике, где оптимальным признается гранулометрический состав УМ, содержащий частицы размером от 0,5 до 22 мм [202 - 204]. При этом фракционный состав дробленого электролита в соответствии с данными таблицы 3.5, близок к общепринятому, но значительная добавка глинозема, около 80 % масс. приводит к тому, что в готовом укрывном материале преобладают дисперсные частицы.
Механизм и интенсивность коагуляции пылевых частиц в горелке
Средняя концентрация пыли в поступающих в горелку анодных газах составляет 35 г/м3 [256]. Качественный состав дисперсной фазы анодных газов представлен фтористыми солями, глиноземом и коксом, уносимыми в систему газоудаления в результате пыления сырья при его загрузке в электролизер, а также вследствие низкой механической прочности анода в условиях высокой силы тока [257], и высокой реакционной способности кокса и связующего пека в СО2 и на воздухе, поступающем под ГСК [258; 259]. Дисперсный состав пыли представлен, преимущественно, частицами размером от 2 до 30 мкм. При среднем объеме сжигаемых в горелке анодных газов 20…22 нм3/ч [214], количество поступающей в нее пыли составляет 700…770 г/ч. Из этого количества от 90 до 95 % захватывается газовым потоком и уносится в систему газоотвода. Остальные пылевые частицы при столкновении друг с другом коагулируют (слипаются), образуя, таким образом, конгломераты размером 400 мкм и более, остаются в горелке. В горелке одновременно происходит три вида коагуляции частиц – тепловая, вызванная в среде с высокими температурами броуновским движением мелкодисперсных частиц размером до 2 мкм, на которых сорбировано более 80 % смолистых веществ [124], турбулентная, вызванная пульсациями газовой среды и частиц, и кинетическая (гравитационная), вызванная различной скоростью частиц, приобретаемой под действием внешних сил.
Количество частиц, соприкоснувшихся под действием тепловых сил за время , зависит от расстояния, на котором они (частицы) находятся от центра поглощающей среды и может быть представлено в виде [121]:
Из уравнения (5.8), полученного Эйнштейном в 1905 г., видно, что коэффициент молекулярной диффузии и скорость диффузии не зависят от массы частиц, но зависят от их размеров.
Переходя к коагуляции полидисперсных аэрозолей, каковой является пыль, содержащаяся в анодных газах, предположим вначале, что в аэрозоле присутствуют два рода частиц: с радиусами r1 и r2. Константу коагуляции (число соприкосновений частиц 1-ого и 2-ого рода) в этом случае можно выразить следующим образом
Результаты расчета констант коагуляции частиц различных радиусов при 1200 С (горелка, работающая в оптимальном режиме) и 350 С (погасшая горелка), приведенные в табл. 5.2 показывают, что в горелке, работающей в оптимальном режиме, интенсивность тепловой коагуляции частиц на 25…30 % выше, чем в погасшей. При этом наиболее интенсивно коагулируют частицы размером 2 и 4 мкм, наименее интенсивно – частицы размером 8 и 10 мкм. Интенсивность коагуляции частиц в диапазоне от 4 до 8 мкм и от 10 до 30 мкм находится практически на одном уровне. Объяснить это можно снижением плотности и ростом вязкости газов при увеличении температуры (работающая горелка) [260].
Более частая встреча частиц в турбулентном потоке обусловлена разностью плотностей среды и дисперсной фазы. Частицы разных размеров увлекаются турбулентными пульсациями, движутся с различными скоростями и поэтому чаще сталкиваются друг с другом.
Средняя квадратичная относительная пульсационная скорость двух частиц турбулентной среды в направлении линии их центров может быть определена из выражения
Далее, из свойств гармонических колебаний следует , следовательно, . Относительная скорость двух частиц, расстояние между которыми мало по сравнению с масштабом пульсации, равна (5.15)
Так как относительное движение частиц и среды возможно лишь при пульсациях с масштабом , период которых t уже не зависит от масштаба, то максимальная величина ускорения составит:
Коэффициент диффузии за счет пульсаций с масштабом , соответственно, определяется из выражения:. (5.17)
Из этого уравнения следует, что скорость диффузии двух частиц друг к другу в турбулентной среде уменьшается по мере их сближения.
Общее число частиц, достигших поглощающей среды за счет турбулентных пульсаций определяется по формуле: Ф , (5.18) где – начальная концентрация аэрозоля (счетная концентрация аэрозоля).
Из выражения (5.18) следует, что интенсивность турбулентной коагуляции возрастает с увеличением радиуса пылевых частиц и температуры в зоне горения, повышающей вязкость газовой фазы.
Погасание горелок напротив, снижает интенсивность коагуляции частиц, уменьшает вязкость газовой фазы, увеличивает скорость релаксации и снижает время седиментации частицы.
Осаждение частиц различных размеров с различными скоростями сопровождается их кинематической (гравитационной) коагуляцией. Число мелких частиц, захваченных в 1 с крупной частицей с радиусом R можно определить по формуле: Ф , (5.19) где – коэффициент захвата (осаждения), который в случае стоксовского закона сопротивления определяется из выражения: где – радиус крупной частицы; – скорость движения пылегазовой смеси (аэрозоля); – радиус мелкой частицы; – заряд частицы.
Лабораторные исследования температурных режимов сжигания смолистых веществ (нафталина и антрацена), входящих в состав анодных газов
Задачей настоящих исследований является получение экспериментальных данных по температуре и избытку воздуха , необходимых для полного сгорания смолистых веществ, содержащихся в сжигаемых анодных газах. В общей сложности выполнено 18 экспериментов по сжиганию нафталина и антрацена – одних из основных компонентов, входящих в состав смолистых веществ, выделяющихся при коксовании анода и сжигаемых вместе с анодными газами в горелках электролизера. Сжигание проводилось в воздушной и в инертной среде (в аргоне), в имитирующей горелку трубчатой печи, показанной на рис. 2.5. – 2.7.
Согласно [220], для смолистых веществ, содержащихся в сжигаемых анодных газах, нижние и верхние температурные пределы воспламенения могут быть определены по формулам, учитывающим число связей и бензольных колец в их молекулах: (6.1) (6.2) где число связей и структурных групп вида в молекуле. Для О значение для , для .
Для нафталина, температура кипения которого 218 С, а молекула состоит из двух групп (двух бензольных колец) и имеет 24 связи, температурные пределы воспламеняемости находятся в диапазоне 290…330 С, для антрацена, температура кипения которого 340 С, а молекула состоит из трех групп и имеет 33 связи - от 400 до 440 С, для бенз(а)пирена, температура кипения которого 495 С, а молекула состоит из пяти групп и имеет 46 связей - от 1270 до 1330 С. Полученные расчетным путем данные по температуре горения бенз(а)пирена (1270…1330 С) на 5… 10 % превышают данные, полученные ранее другими исследователями и изложенные в [272].
Сжигание нафталина проводилось в диапазоне температур 300…1000 С, антрацена - 700…900 С. Кроме этого, для оценки эффективности сжигания смолистых веществ в условиях недостаточного избытка воздуха выполнены эксперименты по сжиганию нафталина и антрацена в инертной среде (в среде аргона). Эффективность сжигания оценивалась по химическому составу продуктов горения. Масса навески сжигаемого вещества составляла 3…5 мг, расход продуваемого через печь воздуха находился в диапазоне 30…200 мл/мин, что обеспечивало избыток воздуха = 1…6 и время нахождения сжигаемых веществ в зоне высоких температур от 0,2 до 0,9 с.
Результаты экспериментов по сжиганию нафталина в диапазоне температур 300…450 С (рис. 6.11…6.14) показывают, что в этих условиях горение слабое, о чем свидетельствует наличие в продуктах горения паров нафталина и отсутствие воды, количество которой ниже предела обнаружения ИК-спектрометром.
Таким образом, сжигание нафталина при температуре 700 С не обеспечивает его полное сгорание. Полное сгорание нафталина наблюдается при 750 С и выше и времени его нахождения в зоне высоких температур от 0,5 до 1,5 с (рис. 6.17…6.19).
Для полного сгорания антрацена требуются подобные условия. При температуре в зоне горения 700 С и времени нахождения в ней сжигаемого антрацена в течение 0,2 с в продуктах сгорания присутствуют ацетилен и бензальдегид (рис. 6.20), в течение 0,5 с - СО, фенол и бензальдегид (рис. 6.21).
Эксперименты по сжиганию нафталина и антрацена в среде аргона выполнены для оценки влияния недостатка воздуха в зоне горения. Сжигание нафталина велось при 900 С и времени нахождения сжигаемых компонентов в зоне высоких температур в течение 0,9 с (рис. 6.23), антрацена при 800 и 900 С и времени нахождения в зоне высоких температур в течение 0,5 и 0,9 с соответственно (рис. 6.24; 6.25).
Из рис. 6.23 видно, что при сжигании нафталина в инертной среде при 900 С происходит его испарение с образованием этилена. При сжигании в инертной среде антрацена происходит его пиролиз с образованием горючих этилена, метана, ацетилена, сажи и собственно возгонов исходных веществ (рис. 6.24; 6.25).
Таким образом данные, полученные в результате экспериментальных исследований показывают, что полное сгорание нафталина и антрацена в воздушной среде происходит при температуре 750 С. Однако при эксплуатации горелок необходимо ориентироваться на температуру горения бенз(а)пирена, от 1270 до 1330 С, которая обеспечивается при избытке воздуха = 1,05…1,25.