УДК 669.713
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
© Сизяков Виктор Михайлович, д-р техн. наук, проф.; Бажин Владимир Юрьевич, канд. техн. наук; Власов Александр Анатольевич
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). Россия, Санкт-Петербург. E-mail: bazhin-alfoil@mail.ru
Статья поступила 15.06.2010 г.
Обсуждаются проблемы дальнейшего развития производства алюминия в электролизерах разного типа. Дана сравнительная оценка различных способов получения алюминия. Отмечены недостатки и преимущества перспективных альтернативных технологий.
Ключевые слова: глинозем; алюминиевый электролизер; катодное устройство; выход по току; альтернативные технологии.
Снижение цен на алюминий в период экономического
кризиса заставило производителей сократить объемы его производства до 35,2 млн т. По прогнозам аналитиков, даже при увеличении потребления алюминия в 20102011 гг. за счет повышения его использования в транспортных средствах и упаковочной таре производство не будет интенсивно возрастать. Увеличение выпуска алюминия-сырца будет наблюдаться только в странах Ближнего Востока за счет ввода в эксплуатацию мощностей построенных ранее заводов.
Основным способом производства первичного алюминия уже более ста лет является электролиз криолит-глиноземных расплавов. Несмотря на долгий срок применения данной технологии, она имеет ряд недостатков:
- низкий энергетический КПД (40-50%);
- высокий расход электроэнергии (13-17 кВт-ч/кг Al);
- загрязнение окружающей среды;
- высокие трудозатраты.
Около 75% первичного алюминия в мире производится с использованием обожженных анодов (ОА — технология Эру-Холла), а остальная часть — с использованием самообжигающихся (СА — технология Содерберга). Мировая практика показала, что преимущества электролизеров первого типа неоспоримы:
- более низкие затраты электроэнергии на 1 т алюминия;
- меньший удельный расход углерода анода;
- меньшие выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;
- более высокий выход по току;
- более высокий срок службы;
- возможность получения алюминия высших сортов.
Себестоимость первичного алюминия, произведенного на электролизерах СА, более низкая (27,8 тыс. руб. против 34,4 тыс. руб.) за счет отсутствия дополнительного производства обожженных анодов и утилизации огарков. Однако технология СА не соответствует ужесточающимся
° мировым требованиям экологического менеджмента (ISO 14001). Это обусловлено большим уровнем выбросов пар-s никовых газов (СО, СО2, С2Р6, CF4), фторводорода, канцерогенов. За последние 15 лет уровень выбросов перфтор-| углеродов на 1 т алюминия в мире сократился с 3,3 до 0,7 т < [1], однако суммарные выбросы парниковых газов вырос-s ли вслед за ростом объема производства алюминия.
В России, где 70% алюминия производится по технологии СА, проблема модернизации действующих производств является весьма актуальной. Есть два пути повышения конкурентоспособности этой технологии: первый - совершенствование действующих производств за счет использования новых технических решений; второй - перевод заводов на технологию ОА.
На первом пути необходим комплексный подход, сочетающий в себе ряд взаимно связанных технологических решений. Для каждого предприятия должны быть разработаны свои комплексы мероприятий, которые приведут к уменьшению уровня загрязнения окружающей среды и повышению технико-экономических показателей:
- увеличение производительности процесса;
- снижение энергоемкости (стабилизация силы тока, уменьшение межполюсного расстояния (МПР), совершенствование конструкции ошиновки);
- снижение негативного экологического воздействия (использование «коллоидного» анода, строительство или реконструкция газоочистных установок, сооружение укрытий анода);
- повышение срока службы электролизеров (использование графитизированных катодных блоков, карбидо-кремниевых плит для боковой футеровки, кислых и модифицированных электролитов, совершенствование обжига и пуска электролизеров, искусственное охлаждение);
- снижение материалоемкости и трудозатрат (оснащение системами автоматического питания глиноземом (АПГ) и фтористыми солями (АПФС), установка и обновление программ АСУТП);
- повышение выхода по току, сортности металла за счет высококачественного сырья.
Установлено [2], что в результате модернизации можно существенно снизить выбросы фтора, активных перфтору-глеродов (ПАУ), пыли, расходы сырья, материалов, энергоресурсов и увеличить производство алюминия. Внедрение сухого анода, укрытия верха анода, точечного питания позволило снизить выбросы ПАУ с 0,37 до 0,03 кг/т А1, фторидов - с 0,5 до 0,25 кг/т А1, пыли - с 1,6 до 0,7 кг/т А1
При проводимой с 2000 г. модернизации в ОАО «РУСАЛ Красноярск» использовали комплексный подход и преследовали следующие цели: увеличение производительности; снижение негативного влияния на экологическую обстановку.
Достижение целей осуществляли благодаря: повышению силы тока с 155 до 170-175 кА; переводу завода на технологию «сухого анода»; установке нового газоочистного оборудования; внедрению систем АПГ; переходу к работе на кислых электролитах; четкой организации и стандартизации выполняемых работ. По прогнозам специалистов, модернизация должна была позволить снизить расход электроэнергии до 14 600 кВт-ч/т, повысить выход по току до 92% и производительность оборудования. Необходимо отметить, что намеченные результаты к настоящему времени не достигнуты. Завод работает со следующими показателями: сила тока 170175 кА, что обеспечило в 2008 г. рекордную производительность 1000,173 тыс. т (т.е. в пересчете на одного рабочего выросла почти в три раза - 203,12 т/чел). Расход электроэнергии составил 16 058 кВт-ч/т Al, снизился выход по току на 0,28% (выход по току составляет 88,24%), а также уменьшился выпуск алюминия марок А7-А8 на 5,7%, а срок службы электролизеров и уровень выбросов фторидов остались на прежнем уровне (49,9 мес и 1,8 кг/т Al). Данный неудовлетворительный опыт семилетней модернизации, над которой работали одни из самых авторитетных научных институтов и центров России, показателен. Технология Содерберга исчерпала себя, сегодня она актуальна для предприятий, у которых нет другого варианта.
Прошедшая в конце 2009 г. в Дании конференция по климату продемонстрировала серьезные намерения мировой общественности ужесточить контроль за снижением выбросов парниковых газов. В случае подписания Россией Киотского соглашения предприятия РУСАЛа, использующие технологию СА, станут неконкурентоспособными на мировом рынке, даже при условии высокоэффективной сухой очистки отходящих электролизных газов.
Второй путь — перевод предприятий на технологию ОА. Такая реконструкция связана с большими капитальными затратами и долгосрочностью (для КрАЗа около 10 лет), потерями валового выпуска алюминия.
Комплексное обследование алюминиевых заводов России выявило большую эффективность этого направления, заключающегося в демонтаже старых мощностей и строительстве новых с оснащением их электролизерами с обожженными анодами на силу тока свыше 300 кА.
Начиная с 1990-х годов вводимые в эксплуатацию заводы и в России, и в мире оборудуются только электролизерами с обожженными анодами (Hydro Aluminium
— HAL-250 (Норвегия), Alcoa — A-817 (США), SAMI
— SY-300 (Китай), Alcan — AP-35 (Канада), AP-50, Dubai
— CD-26 (ОАЭ), ОК РУСАЛ — РА-300, РА-300М, РА-400 (Россия)) [3]. Это объясняется более высокими технико-экономическими показателями данного процесса:
- сила тока 275-500 кА;
- производительность одной ванны в сутки 2,1-3,8 т Al;
- выход по току 93,7-96,4%;
- напряжение 4,2-4,4 В;
- удельный расход электроэнергии 13,08-13,79 кВт-ч/кг;
- частота анодных эффектов 0,03-0,18.
Задача совершенствования технологии процесса электролиза в условиях мирового роста производства алюми-
ния является крайне актуальной. Основные разработки ведущих компаний идут по двум направлениям [4]:
- альтернативные технологии (карботермический способ, электролиз хлоридных расплавов, электролиз сульфида алюминия, электролиз из неводных растворов);
- совершенствование процесса Эру-Холла (материалы и конструкции анода и катода, электролиты, увеличение единичной мощности).
В качестве отдельного научного направления развития алюминиевой промышленности рассматриваются следующие альтернативные технологии.
Способ карботермического восстановления алюминия из оксида Al2O3 изучается более 50 лет. В этом случае высокое сродство алюминия к кислороду обусловливает высокую температуру процесса — 2100 °С по реакции Al2O3 + 3C = 2Al + 3CO.
Как альтернатива процессу Эру-Холла, карботермический способ (совместная разработка компаний Alcoa (США) и Elkem ARP (Норвегия)) имеет потенциальные преимущества по затратам на энергию, по себестоимости, по экологическим показателям (см. таблицу).
Однако для применения данного способа необходимо преодолеть ряд критических технических препятствий. К ним относятся: эффективная доставка энергии для поддержания температуры; улавливание и возврат алюминий-содержащих летучих частиц; декарбонизация металлической фазы Al-C; использование теплоты сгорания для снижения расхода энергии.
Процесс электролиза алюминия из хлоридов протекает при 700 °С. В качестве сырья используют очень чистый и обезвоженный AlCl3, растворенный в расплавленных хлоридах щелочных металлов:
2AlCl3 = 2Al + 3Cl2.
Высокая производительность, низкий удельный расход электроэнергии, отсутствие расхода угольных анодов позволяют считать этот способ одним из самых перспективных. Имеется ряд причин, которые не позволили распространиться данному процессу дальше небольшого завода компании Alkoa [6]: технические сложности применения хлорида алюминия и образование чрезвычайно токсичных выбросов.
Получение алюминия из сульфида Al2S3 электролитическим разложением [7] характеризуется низким расходом электроэнергии (5,24 кВт-ч/ кг Al). Однако существует необходимость использования очень чистого Al2S3, что делает технологию промышленно не реализуемой.
При электролизе из неводных растворов [8] температура процесса не превышает 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.