Особенности технологии при использовании "сухой" анодной массы

5.2.1 Анализ загрязнений окружающей среды

В процессе производства алюминия электролизом используют различные виды сырья, при этом в окружающую среду выделяются твердые и газообразные вещества, оказывающие на нее негативное воздействие. Качество окружающей среды, его соответствие требованиям нормальной жизнедеятельности человека характеризуются экологическими стандартами.

Проникновение вредных веществ в организм человека чаще всего происходит через дыхательные пути, реже - через желудочный тракт и кожу. Поэтому основное внимание уделяется мерам по предотвращению поступления вредных веществ в рабочую зону и окружающую завод воздушную среду. Для многих веществ, используемых при производстве алюминия, установлены их предельно допустимые концентрации в атмосфере, которые даже при длительном воздействии безвредны для человека. Следует отметить, что в России по некоторым веществам (например, по HF) установлены более жесткие нормы ПДК, чем в других странах [I].

Токсикологическая оценка сырья и выделений при электролизе. Применяемое в процессе производства сырье и материалы иногда могут оказать негативное влияние на человека и окружающую природу. Целесообразно рассмотреть токсикологическую оценку основных видов сырья и отходов, выделяющихся при электролизе.

Глинозем (А12O3) - основное сырье для производства алюминия, представляет собой абразивный, мелкокристаллический порошок, нерастворимый в воде. ПДКрз глинозема 6 мг/м3, а в соответствии с [2] ориентировочный безопасный уровень воздействия в атмосферном воздухе (ОБУВ) населенных пунктов составляет 0,01 мг/м3.

Криолит (3NaF·AlF3) - один из основных компонентов электролита, представляет собой двойную соль, содержащую до 12,8 % А1, 32,8 % Na и около 54,4 % F. По внешнему виду - это мелкокристаллический порошок белого или сероватого вещества, комкующийся при сжатии. Для криолита ПДКрз - 1 мг/м3, а ПДКсс - 0,3 мг/м3.

Фторид алюминия (AlF3) - компонент электролита, представляет собой порошок белого или розоватого цвета, содержащий около 64,5 % F. Слабо растворим в воде, при нагревании возгоняется, не переходя в жидкое состояние. Токсичность его и допустимое значение ПДК аналогично криолиту.

Фторид натрия (NaF) - компонент электролита, составная часть криолита. Представляет собой гигроскопичный белый порошок, содержащий около 45 % F. Относится к ядовитым веществам, токсичен, поражает центральную нервную систему (плазменный яд). При попадании в организм может вызвать тошноту и более тяжелые отравления. Для фторида натрия ПДКрз составляет 1 мг/м3, а ПДКсс - 0,01 мг/м3.

Дифторид кальция (CaF2) - корректирующая добавка к электролиту, бесцветное кристаллическое вещество с содержанием 46 % F, практически нерастворимое в воде. ПДКрз для CaF2 составляет 1 мг/м3, а ПДКсс - 0,03 мг/м3.

Фторид лития (LiF) - одна из наиболее эффективных добавок к электролиту, снижающая температуру его плавления. Представляет собой белый порошок, слабо растворимый в воде, содержит около 73 % F. ПДКрз для LiF составляет 1 мг/м3, а ПДКсс не установлена.

Дифторид магния (MgF2) - добавка к электролиту, представляющая собой кристаллический порошок, плохо растворимый в воде. Токсичность MgF2, и ПДК аналогичны LiF.

Анодная масса - электродный материал, из которого формуются самообжигающиеся аноды. ПДКрз углеродной пыли из анодной массы составляет 6 мг/м3, летучих веществ пека 0,5 мг/м3, а бенз(а)пирена 0,00015 мг/м3. ПДКсс углеродной пыли не должна превышать 0,5 мг/м3, а бенз(а)пирена 0,1 мкг/100 м3.

Диоксид углерода (СО2) - основной компонент анодных газов, без цвета и запаха, тяжелее воздуха. В присутствии кислорода действует как наркотик, а в отсутствии - как удушающий газ ПДКрз и ПДКсс не установлены.

Оксид углерода (СО) - компонент анодных газов, выделение которого тем больше, чем хуже работает ванна. Бесцветный газ, без вкуса и почти без запаха, чрезвычайно ядовит ("кровяной яд"), но не обладает раздражающими свойствами, поэтому его присутствие в воздухе не обнаруживается. ПДКрз для СО составляет 20 мг/м3, а ПДКсс 3,0 мг/м3.

Фтористый водород (HF). HF - бесцветный газ, легче воздуха, хорошо растворяется в воде, образуя плавиковую кислоту. ПДКрз для HF составляет 0,5 мг/м3, а ПДКсс - 0,005 мг/м3.

Тетрафторид и гексафторид углерода (CF4 и CF6). По

Вследствие незначительного времени выделения этих компонентов ПДКрз и ПДКсс для них не установлены.

Тетрафторид кремния (S1F4). Кремний попадает в электролит с сырьем и в основном переходит в алюминий, но некоторая его часть, взаимодействуя с криолитом, образует S1F4. SiF4 - бесцветный газ с удушливым запахом, тяжелее воздуха, разлагается водой с образованием плавиковой и кремниевой кислот. ПДКрз для SiF4 составляет 0,5 мг/м3, а ПДКсс 0,02 мг/м3. В связи с незначительным содержанием кремния в электролите S1F4 образуется в малых количествах.

Диоксид серы (SO2) образуется путем взаимодействия серы, содержащейся в сырье в виде сульфатов и сульфидов, с компонентами электролита.

SO2 - бесцветный газ с острым запахом, тяжелее воздуха, растворяется в воде. ПДКрз для SO2 составляет 10 мг/м3, а ПДКсс 0,05 мг/м3.

Твердые отходы производства также являются источниками загрязнения окружающей среды. К основным из них относятся:

* потери сырья при разгрузке и транспортировке;

* пыль, увлекаемая вентиляцией и отходящими газами;

* угольная пена, снимаемая с поверхности электролита;

* отходы (хвосты) переработки угольной пены и производства регенерационного криолита (при мокрой очистке отходящих газов);

* отходы, образующиеся при капитальном ремонте электролизеров.

С экономической точки зрения наибольший интерес представляют те выбросы, за которые установлена оплата. Базовыми нормативами предусмотрена оплата за выбросы фтористого водорода, твердых фторидов (в виде AlF3, CaF2, Na3AlF6), глинозема, оксида углерода, диоксида серы и каменноугольной пыли. Норматив оплаты зависит от токсичности вещества. Если принять оплату за выброс 1 т СО за единицу, то плата за выброс (в пределах ПДВ) 1 т других веществ в атмосферу составит:

Оплата за выброс твердых отходов производится в зависимости от степени их токсичности. Все отходы разбиты на четыре класса и вне класса находятся бытовые отходы. Если принять стоимость складирования 1 т бытовых отходов за единицу, то стоимость отходов III класса (умеренно опасные) - в 34,8 раза; II класса (высокоопасные) - в 52,2 раза (отходы алюминиевых заводов относят к II-III классам). Плата за размещение твердых отходов может составить 30 % от норматива, если складирование отходов ведется на полигоне, принадлежащем заводу. Образующиеся в процессе производства алюминия отходы производства подлежат утилизации, длительному хранению или уничтожению.

В таблице 5.5. представлены количественные характеристики выбросов ОАО «КрАЗ»

Таблица 5.5. Сравнительные характеристики выбросов загрязняющих веществ.

Если привязать рассмотренные выше характеристики к международными экологическим стандартам, то картина выглядит следующим образом:

Таблица 5.6. Технологические зарубежные нормативы по выбросам загрязняющих веществ.

Анализ сопоставления удельных выбросов основных загрязняющих веществ заводов с зарубежными стандартами позволяет сделать следующий вывод: переводом завода ОАО «КрАЗ» на технологию «сухого» анода достигаются действующие международные экологические стандарты (технологические нормативы), кг/т Al по:

удельным выбросам фтористого водорода 0,5 - стандарты Испании (1,2) и последнее предложение (март 2002 г.) европейского Комитета OSPAR (Осло, Париж) по лимиту выбросов для технологии Содерберга (0,5);

удельных выбросам твердых фторидов(0,75) - стандарты Канады (1,2);

удельным выбросам суммарного фтора (1,25) - стандарты Канады и Испании (1,2-3,6). Удельные выбросы суммарного фтора КрАЗа могут соответствовать стандартам США (1,3), если по аналогии с американской практикой будет доказано, что для отчистки газов были применены все возможные и наиболее современные технические средства; Перевод завода «КрАЗ» на технологию «сухого» анода даёт снижение экологических платежей на 70-75%.

5.2.2 Утилизация отходов производства

Утилизация газообразного фтора преследует две цели: улучшение экологических показателей производства и снижение затрат за счет выработки регенерационного криолита. Способ утилизации фтористых газов зависит от вида газоочистки (мокрая или сухая). При сухом способе отходящие от электролизера газы проходят через слой глинозема, который адсорбирует фтористый водород, а вторичный глинозем, насыщенный фтором, возвращается в производство алюминия. Таким образом, утилизируются практически все фторсодержащие газы и никаких отходов не образуется.

Утилизация фторсодержащих газов и производство регенерационного криолита возможны лишь при использовании мокрой газоочистки.

Образующийся при этом процессе шлам гидротранспортом направляется на шламовое поле, так как экономичного способа его переработки пока еще нет. В шламе содержится значительное количество ценных компонентов, но несмотря на многочисленные исследования и испытания, экономичного способа утилизации шлама найти не удалось.

Утилизация отработанной футеровки электролизеров - большая экологическая проблема вследствие того, что футеровка пропитана компонентами электролита. По данным [8], отработанная футеровка электролизеров (ОФЭ) содержит около 30 % углерода, 30 % огнеупоров и до 40 % фторидов.

Экологическая опасность ОФЭ заключается в том, что значительная часть содержащихся в ней фторидов находится в водорастворимом виде и под воздействием атмосферных осадков выщелачивается, загрязняя водные источники. Положение еще более осложняется тем, что в 1976 г. в США [4] в ОФЭ обнаружен цианид натрия NaCN, сильно токсичного вещества, действующего на центральную нервную систему.

По данным [4], содержание цианида в ОФЭ достигает 0,2 %, а его растворимость в воде составляет 36,8 % [2], что представляет реальную опасность для загрязнения водоемов.

Положение осложняется тем, что успехи в области совершенствования технологии производства алюминия за рубежом привели к резкому сокращению потребления фторидов, а криолит во многих странах вообще не используется. Поэтому переработка ОФЭ экономически нецелесообразна.

5.2.3 Способы очистки отходящих газов

В отходящих газах содержатся пары, капли жидкости и частицы твердой пыли. При охлаждении пары конденсируются в аэрозоли и сгущаются в субмикронные агрегаты частиц сложного состава.

Анализируя состав примесей, можно сделать вывод, что отходящие газы необходимо очищать от пыли, фторидов и при необходимости от SO2.

Очистка газа от пыли осуществляется следующими способами сепарации частиц из газового потока.

Электрофильтры - аппараты для отделения пыли и тумана в электростатическом поле. Эффективность улавливания пыли в электрофильтрах весьма высока и достигает 99 % даже при очистке газов, нагретых до 450-500 °С, и высоком содержании сернистого ангидрида и других газов. Тканевые фильтры. В этих аппаратах запыленный газ пропускают через фильтровальную ткань, в результате чего частицы задерживаются на ее волокнах. При малых скоростях фильтрации можно добиться высокой степени очистки газов (до 99 %). Тканевые фильтры можно использовать в электролитическом производстве алюминия для сухой очистки отходящих газов не только от пыли, но и фторидов.

Очистка газа от фтористых соединений. По западным нормам [10] ее КПД по улавливанию фтора должен составлять не менее 98,5 %. Для достижения такого уровня эффективности системы должны быть приспособлены для улавливания газообразных и мелкозернистых частиц фторидов. Для этого часто применяют мокрый скруббер или двухступенчатую очистку в электрофильтре и мокром скруббере.

Мокрая очистка газа от фтористых соединений. Отходящий газ сразу (или после очистки его от пыли в электрофильтрах) подается в систему мокрой очистки для улавливания газообразных фторсодержащих и сернистых соединений. В качестве таких установок применяются пенные аппараты и скрубберы различных типов, конструкция которых подробно рассмотрена в [1, II].

Мокрая газоочистка обладает высокой эффективностью улавливания газообразных примесей, но имеет ряд существенных недостатков: необходимость подготовки и оборота растворов, наличие шламовых полей, каплеунос, коррозия и эрозия аппаратуры и др. Возврат в процесс электролиза фторидов осуществляется путем их регенерации в гидрохимических процессах, которые осуществляются в специальных цехах. От этих недостатков свободны сухие системы очистки газов, широко используемые за рубежом и на некоторых заводах СНГ.

Сухая очистка отходящих газов основана на адсорбции HF глиноземом. Этот принцип является общим для всех аппаратурно-технологических схем сухой очистки анодных газов.

Все схемы сухой очистки газов состоят из:

* устройства для контактирования газа с глиноземом (реактор);

* пылеуловителя для улавливания глинозема и другой пыли;

* системы транспорта глинозема;

* дымососа для транспортировки газа;

* автоматизированной системы управления процессом.

Конечным продуктом при сухой очистке газов является фторированный глинозем, возвращаемый в электролизеры без какой-либо переработки. Таким образом, сухая газоочистка - практически безотходная технология. [ ]

6. Энергоснабжение

6.1 Снабжение технологической электроэнергией