КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ «ЭЛЕКТРОЛИЗ 600+»
Для развития российской алюминиевой промышленности в соответствии с мировыми тенденциями необходима новая концепция энергоэффективного производства алюминия в криолит-глиноземных расплавах в электролизерах на силу тока 600 кА и выше. В этой статье выявлена и обоснована возможность внедрения новой высокоамперной технологии получения алюминия. Также приведены основные отличительные особенности высокоамперных технологий по сравнению с электролизерами средней мощности. Рассчитаны конструкционные и экономические показатели электролизных ячеек согласно концепции «Электролиз 600+».
Ключевые слова: «Электролиз 600+», АПГ, модель электролизера.
Bazhin V.U. 1 , Smol’nikov A.D. 2 , Petrov P.A. 3
1 PhD in Engineering, 2 Postgraduate student, 3 ORCID: 0000-0002-2883-9823, PhD in Engineering, Saint-Petersburg Mining University.
CONCEPT OF ENERGY EFFICIENCY ALUMINUM PRODUCTION «ELECTROLYSIS 600+»
Abstract
For developing of Russian aluminum industry according to global trends, it’s necessary to make a new concept of energy efficiency production of aluminum in alumina-cryolite melts for 600 kA and more current. The possibility of implementation of new high-amperage aluminum producing technology was identified and proved in this article. The main features of high-amperage technologies in comparison with medium-amperage technologies are also presented. The construction and economics parameters of electrolysis cells «Electrolysis 600+» are calculated.
Keywords: «Electrolysis 600+», APG, electrolysis model.
В настоящее время в период неустойчивой экономической ситуации и низких цен на цветные металлы перед алюминиевыми продуцентами ставится задача добиться максимальных технических и экономических показателей на единицу производственной площади при снижении материальных и энергетических затрат. Актуальной становится оптимизация технологических параметров на сверхмощных высокоамперных электролизерах и реализация проектов и технологий электролитического получения алюминия на силу тока более 600 кА. Существующие технологии высокоамперного электролиза на электролизерах с обожженными анодами мощностью 300-400 кА доказали [6,7], что возможно дальнейшее повышение эффективности процесса за счет усовершенствования конструкции, оптимизации прогрессивных технических решений при использовании новых материалов и высококачественного сырья.
На территории России преобладает устаревшая технология получения алюминия на электролизерах с верхним токоподводом (технология Содерберга), и большинство заводов ОК РУСАЛ нуждаются в коренной модернизации процесса. Единственным преимуществом отечественных производителей является их приближенность к дешевым источникам электроэнергии. Сегодня только два завода КрАЗ и БрАЗ, построенные в 70‑е годы прошлого века, производят 50% всего российского алюминия с выходом по току 88-89% и расходом электроэнергии 16200 кВт∙ч/т [1].
Достигнутые на передовых зарубежных алюминиевых предприятиях показатели подтверждают эффективность выбранного направления: выход по току достигает 95 %, расход технологической электроэнергии составляет 12500-13000 кВт∙ч/т Al, расход анодов 500-510 кг/т Al, фторида алюминия 15-17 кг/т Al [2,5]. Применение обожженных анодов значительно снижает выбросы смолистых веществ, в том числе бензапирена, и других вредных компонентов от электролизера. Снижению выбросов вредных веществ на высокоамперных электролизерах способствует возможность применения более герметичных укрытий с высоким КПД, систем автоматизированного питания глиноземом, уменьшающих время работы электролизеров с открытыми укрытиями [3,4].
Основными отличительными особенностями высокоамперных технологий по сравнению с электролизерами средней мощности являются:
– использование для питания электролизера (только через системы АПГ) глинозема песочного типа, фторсолей, фторированного глинозема и оборотного криолита
– работа в заданном интервале низких концентраций глинозема 2-5% по технологии без анодных эффектов (0,05 шт/сут);
– низкий уровень металла (18-20 см) и высокий уровень электролита (20-22 см);
– использование в процессе только кислых электролитов с заданным интервалом КО=2,2-2,4;
– отказ от применения свежего криолита взамен оборотного криолита;
– использование фторированного глинозема ГОУ в качестве питания и корректировки КО по заданным алгоритмам;
– возможность работы на плотностях тока близких критическим значениям 0,9-0,95 А/см 2 ;
– большие скорости (до 18-20 см/сек) движения расплава в электролизной ванне с точками равновесия;
– новый состав укрывных материалов, обеспечивающий стабилизацию теплового и материального баланса [8];
– технология «завод-автомат», с использованием при обслуживании многофункциональных кранов, механизмов и робототехники при постоянном сканирующем мониторинге технологического состояния электролизера;
– катодное устройство шпангоутного типа с дополнительными ребрами охлаждения с использованием высокографитированных катодных блоков замкового типа, и боковой карбидокремниевой футеровки с искусственными профильными настылями.
Повышение единичной мощности электролизера и рациональная компоновка основного технологического оборудования в корпусах электролиза обеспечивает увеличение съема металла с 1 м 2 производственной площади и снижает удельные затраты на создание электролизного производства. Применение малоотходных и безотходных технологических процессов, способствующих использованию уловленных химических реагентов, также снижает эксплуатационные затраты.
В России единственным продуцентом по производству электролитического алюминия является ОК РУСАЛ, на долю которого приходится около 9% мирового рынка алюминия и 18% глинозема. Несмотря на то, что компания в 2014 и 2015 году провела массовую остановку нерентабельных производств в западном дивизионе (остановлены полностью или частично электролизные производства на заводах в Волхове, Волгограде, Каменск-Уральском, Краснотурьинске, Новокузнецке и т.д.), она производит 3,3 млн. тонн алюминия и более 10 млн. тонн глинозема в год, полностью обеспечивая себя сырьем и электроэнергией [9]. В настоящее время выпуск отечественного первичного алюминия на высокоамперных электролизерах, весьма органичен (≈ 20% от внутреннего валового выпуска Al), из-за сохранения технической политики, направленной на «реанимацию» технологии Содерберга (более 2,5 млн. т в год первичного алюминия), и неконкурентоспособности разработанных электролизеров РА-300 и РА-400 по сравнению с зарубежными аналогами. В России на сегодня работают две серии с электролизерами ОА более 300 кА (серия, которая объявлена заводом ХАЗ и 5-я серия на Иркутском алюминиевом заводе) [2]. Начинается пуск Богучанского алюминиевого завода с расчетной годовой производительностью более 550 тыс т. Проект Тайшетского алюминиевого завода остановлен, в первую очередь из-за слабой конструкторской проработки электролизеров РА-400. За последние 20 лет не реализовано ни одного проекта электролизного производства в зарубежных странах, с другой стороны, проекты, разработанные в институте ВАМИ, нашли свое применение во многих странах мира. Не смотря на это, ИТЦ РУСАЛ, не учитывая ошибки и недостатки предыдущих проектов, отказавшись от сотрудничества со специалистами по электролизу ведущих российских ВУЗов, начал разработку электролизеров ОА на силу тока 550 кА.
Представляет научно-технический интерес разработка альтернативного электролизера с амперной нагрузкой более 600 кА с последующей реализацией его в некоторых странах Ближнего Востока и Азии, обладающих алюминиевыми активами.
Модель электролизера «Электролиз 600+» состоит из четырех основных узлов:
- Катодное устройство с модернизированным кожухом шпангоутного типа, углеграфитовая футеровка из 25 подовых секций, покрытых специальным интегрированным пьезонапылением из диборида титана, имеет искусственную настыль и проемы для дренажа металла. Между блоками вмонтированы карбидо-кремниевые вставки, под блоками предусматривается проложить барьерный слой из нефелина для предотвращения образования электролитных линз. Карбидо-кремниевая боковая футеровка имеет заданный профиль с учетом МГД – ситуации.
- Анодное устройство, состоящее из трех массивов, с 64-мя обожженными анодами управляется независимыми приводами и передаточными механизмами для подъема и опускания анодного массива. Данные приводы позволяют корректировать МГД профиль расплава в зависимости от ситуации. Аноды имеют специальные пазы для отвода анодных газов с подошвы, которые расположены под углом 30 о , в отличие от существующих технологий.
- Ошиновка из пакетов катодных шин и анодная ошиновка с 6-ю усиленными стояками и ассиметричными катодными шинами, снабженными компенсаторами.
- Укрытие с 64-мя боковыми крышками со специальными захватами, торцевыми створками и системой газохода, обеспечивающее практически полную герметичность электролизера, имеет дополнительный аэрационный привод для равномерного отвода газов по всей длине.
Электролизер управляется при помощи АСУТП за счет обратных сигналов с ПИД регуляторов (преобразователь интегрально дифференциальный), подаваемых от интеллектуальной системы оптимизации АПГ фирмы ООО «Camozzi». Сотрудники кафедры АТПП СПГУ активно сотрудничают с этой фирмой и имеют положительные результаты технической деятельности на зарубежных алюминиевых заводах.
В ходе выполняемой работы проведен конструкционный расчет электролизера мощностью 600 кА. Рассчитаны материальный, электрический и тепловой балансы (табл. 1). Также рассчитаны конструкционные параметры электролизной ванны на силу тока 600 кА (табл. 2).
Таблица 1 – Технико-экономические показатели электролизера ЭОА-600
Таблица 2 – Конструкционные параметры электролизера ЭОА-600
Материальный баланс уточнен современным балансом по фтору. Уменьшение значения среднего напряжения происходит за счет снижения греющего напряжения, а в частности, за счет работы электролизера по технологии «без анодных эффектов» с коэффициентом 0,05.
Все расчеты апробированы при помощи компьютерной программы («Control cell balance») [10].
Внедрение предложенных мероприятий позволит создать принципиально новую высоко управляемую модель алюминиевого электролизера с минимальным влиянием человеческого фактора, а также снизить себестоимость и увеличить прибыль заводов.