Образование SiF₄

Кремний попадает в электролит с глиноземом, фторидами и анодной массой (или анодами). Часть кремния переходит в алюминий, а часть разрушает электролит, увеличивая расход фторидов.

3SiO₂ + 4Al = 2Аl₂О ₃ + 3Si (в алюминии) (12)

и 3SiO₂ + 4Na₃AlF₆ = 3SiF₄^ + 12NaF + 2Аl₂О₃ (13)

Четырехфтористый кремний SiF₄ - бесцветный газ с удушливым запахом, тяжелее воздуха, разлагается водой с образованием плавиковой и кремниевой кислот. Раздражает слизистую оболочку глаз, носа и дыхательных путей. Не исключена возможность токсического действия, аналогичного воздействию фтористого водорода. ПДК для SiF₄ в воздухе рабочей зоны составляет 0,5, а воздухе населенных пунктов - 0,02 мг/м ³. В связи с незначительным содержанием кремния в электролите SiF₄ образуется в небольших количествах.

Образование SO₂

Сера поступает в электролит с глиноземом, фторидами (в виде сульфатов) и с анодной массой (сульфиды). Сульфаты вступают в обменную реакцию с криолитом

3Na₂SO₄ + 2Na₃AlF₆ -A1₂(SO₄)₃ + 12NaF, (14)

в результате чего повышается криолитовое отношение электролита. Растворенный в электролите сульфат восстанавливается алюминием

3Na₂SO₄ + 8А 1 - 3Na₂S + 4А1₂О₃, (15)

что снижает выход по току. Образовавшийся сульфид переносится к аноду и окисляется до серы, которая, в свою очередь, взаимодействует с диоксидом углерода

S + 2СО ₂ = SO₂^ + 2CO. (16)

Выделяющийся сернистый газ SO₂ ухудшает условия труда, а при наличии серы в анодной массе на штырях образуется корка плохо проводящего сульфида железа FeS, что повышает потери энергии в аноде.

Сернистый газ SO₂ - бесцветный газ с острым запахом, тяжелее воздуха, растворяется в воде. Оказывает общетоксическое, раздражающее и эмбриотоксическое действие, вредно влияет на растения. При контакте со слизистыми оболочками человека образует последовательно сернистую и серную кислоты, оказывает местное раздражающее действие, нарушая обменные процессы. При значительных концентрациях появляется сухой кашель, жжение и боль в горле, а при более длительном воздействии возможно поражение легких. ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 10, а в воздухе населенных пунктов - 0,5 мг/м ³.

8. Объемы выбросов газов

Электролизу подвергается только глинозем, состоящий почти на 65% из кислорода, который, вступая в реакцию с углеродом анода, образует оксиды углерода (СО + СО₂). На каждую выработанную тонну электролитического алюминия выделяется около 4000 м ³ оксидов углерода, часть которых отсасывается в систему газоочистки, а часть сквозь неплотности укрытий попадает в атмосферу рабочей зоны, ухудшая санитарно-гигиенические условия в корпусе. Кроме того, от электролизера выделяется большое количество тепла.

Для эвакуации выделившихся газов и тепла требуются сравнительно большие объемы воздуха, которые частично удаляются через фонарь в окружающую атмосферу, а частично - в систему газоочистки. Процентные соотношения выбросов газов от различных типов электролизеров и требуемые объемы воздуха для удаления этих газов и выделенного тепла представлены в таблице 1.

Как видно из этих данных, объемы необходимого вентиляционного воздуха для удаления вредных газов и излишков тепла требуются от 0,7 до 2,2 млн нм ³/т А1 - больше всего для электролизеров БТ и меньше всего для ОА. Количество же газовоздушной смеси, направляемой в систему газоочистки, составляет от 16 - 19 (для электролизеров ВТ) до 240 - 280 тыс. нм ³ (для электролизеров БТ) на тонну произведенного алюминия.

В таблице 2 представлены типичные диапазоны содержания HF, суммарного F, пыли и SO₂ в атмосфере корпуса и в отходящих на газоочистку газах, в кг/т Аl.

Таблица 1 - Характеристика выбросов от электролизеров

Тип электролизера	%, выброса газа в цех	Вентиляционный воздух, 106 нм3/т А1	Газы на очистку, 103 нм3/т А1
ВТ БТ ОА (открытый) ОА	10 - 35 20 100 1 - 5	1,8 - 2,0 2,0 - 2,2 1,5 - 2,2 0,7 - 1,0	16 - 19 240 - 280 - 90 - 140

Таблица 2 - Содержание вредных веществ в газах, кг/т А 1

Выбросы	БТ	ВТ	ОА (открытый)	ОА
	корпус	газо-очист.	корпус	газо-очист.	корпус	газо-очист.	корпус	газо-очист.
HF F-сум. Пыль SO2	1,0-2,0 1,5-3,0 3,0-10 1,0-5,0	11-16 13-22 27-68 11-44	2,0-6,0 3,0-9,0 19-29 1,3-13	9-25 10-30 9-32 9-35	8-12 4-26 30-60 10-40	- - - -	0,1-4,0 0,2-7,0 1,5-5,0 0,2-5,0	5- 30 10-40 18-60 6-48

Из приведенных данных видно, что на применяемых в России электролизерах наибольшие выбросы через фонарь в окружающую атмосферу по всем видам вредностей у ванн ВТ, а наименьшие - у электролизеров ОА. Поэтому не случайно при реконструкции ныне действующих мощностей предпочтение отдается электролизерам ОА, которые к тому же могут работать на больших токах (до 300 кА) и имеют самый низкий расход электроэнергии.

9. Способы сбора отходящих газов

В процессе производства алюминия электролизом образуются отходящие газы, которые содержат не только газообразные, но и твердые вещества.

Как уже было показано выше, методы сбора этих газов зависят от типа электролизера. Количество выделяемых газов при равной мощности электролизеров практически равны, но вследствие разбавления их окружающим воздухом количество газа, направляемого на очистку, различно. Больше всего газа отсасывается от электролизеров БТ - в среднем их количество составляет около 240-280 тыс. м³/т Аl. На электролизерах ВТ эта величина меньше, чем на всех остальных типах электролизеров и составляет 16-19 тыс. м³/т А1, а от электролизеров ОА - около 90-140 тыс. м³/т А1.

Отходящие газы собираются в газосборниках на электролизерах и оттуда по газовым магистралям транспортируются к установкам очистки. С экономической точки зрения выгоднее всего очищать концентрированные газы, и поэтому конструкторы прилагают усилия для создания совершенных укрытий, а от обслуживающего персонала требуется работа при возможно более полном закрытом электролизере.

Сборные газоходы для одноэтажных корпусов выполняют под землей, а для всех остальных типов ванн газоходы выполняют из металлических труб, которые имеют два электрических разрыва между ванной и газосборным трубопроводом. Подавляющая часть газоходов расположена внутри корпуса на высоте около 4 м.

Подземные газоходы показали себя крайне неудовлетворительно - их трудно ремонтировать и еще более трудно очищать от осевшей в них пыли. Поэтому в настоящее время большинство серий оснащено сборными газоходами надземного типа, которые располагаются, как правило, над полом на небольшом (0,5-1 м) расстоянии от стен. При этом газоходы могут размешаться как внутри корпуса, так и снаружи.

Следует отметить, что наземным газоходам присущи определенные недостатки, связанные в основном с неустойчивой работой горелок. Это способствует росту слоя горючих отложений по всему тракту с последующими их возгораниями и взрывами, что выводит из строя газоходы и электрофильтры. Как показывает опыт, конструкция газохода не всегда удачно просчитана, и поэтому объем газоотсоса от крайних ванн отличается в 2-3 раза.

Следует отметить, что значительное количество газов, минуя газоочистные установки, выбрасывается через фонари. По данным фирмы "Flakt" через фонари корпусов, оборудованных электролизерами ОА, эвакуируется до 0,7-1 млн нм³/т Al; при установке в корпусе электролизеров БТ эвакуация газов через фонарь достигает 2,0-2,2 млн нм³/т Аl, а для электролизеров ВТ - 1,8-2,0 млн нм³/т Al.

Таким образом, с экологической точки зрения наиболее неэкологичными электролизерами являются ванны БТ. Кроме того, надо иметь в виду, что для организации отсоса газов от этих электролизеров расходуется дополнительно еще около 660 кВт·ч/т Al, а также требуются дополнительные затраты энергии на вентиляцию, гак как эти электролизеры установлены исключительно в одноэтажных корпусах.

В газах, собранных системой, содержатся также пары, капли жидкости и частицы твердой пыли. При охлаждении газов пары практически полностью конденсируются в жидкие аэрозоли и затем сгущаются в субмикронные агрегаты частиц сложного состава.

В отходящих газах содержатся следующие частицы и газы:

- частицы: С, Al₂O₃, Na₃AlF₆, Na₅AlF₁₄, AlF₃, CaF₂, углеводороды

- газы: HF, CF₄, C₂F₆, SiF₄, SO₂, H₂S, CS₂, COS, СО₂, СО, H₂O, углеводороды.

Уровни выброса этих примесей в отходящих газах зависят от типа используемого электролизера и на них влияют также такие технологические операции, как обработка электролизеров, выливка металла, замена анодов, регулирование положения анода и т.д.

В твердых частицах больше всего содержится A1₂O₃ и фторсодержащих соединений, которые, как было показано выше, могут вызвать различные заболевания у человека. В газах же больше всего содержится СО и СО₂, а также фтористые соединения; количество же SO₂ зависит от количества серы в электродных материалах. Наибольшую опасность представляют фторсодержащие газы и, главным образом, HF, количество которого в сумме фторсодержащих газов доминирующее. На здоровье человека оказывает влияние и оксид углерода СО, но, к сожалению, до настоящего времени нет практически приемлемого способа улавливания сильно разбавленного газа, как это имеет место в отходящих газах от электролизеров.

Анализируя состав примесей, можно сделать вывод, что отходящие газы должны быть очищены от пыли, фторсодержащих газов, и при большом содержании в атмосфере города сернистого ангидрида необходимо производить очистку и от SO₂.

10. Очистка газов от пыли

алюминий глинозем реактор фторированный

Для улавливания пыли могут быть применены аппараты, действие которых основано на использовании различных способов сепарации частиц из газового потока. Рассмотрим принцип действия основных из них.[1]

В таблице 3 приведены некоторые характерные параметры сухих механических пылеуловителей, позволяющие провести их сравнительный анализ и оценить возможности при использовании в промышленной практике.[3]

Таблица 3 - Характерные параметры сухих механических пылеуловителей

Тип пылеуловителя	Максимальная производительность	Эффективность пылеулавливания частиц различных размеров	Гидравлическое сопротивление, Па	Верхний предел температуры газов, °С
Осадительная камера	Определяется возможной площадью для размещения	>50 мкм (80 - 90 %)	50-130	350-550
Циклон	85000	10 мкм (50-80%)	250-1500	350-550
Батарейный циклон	170000	5 мкм (90%)	750-1500	350-550
Инерционный пылеуловитель	127500	2 мкм (00%)	750-1500	до 400 °С

Очистку газов от пыли под действием сил тяжести производят в пылеосадительных камерах (рисунок 8). Запыленный газ поступает в камеру 1, внутри которой установлены горизонтальные перегородки (полки) 2.



Рисунок 8 - Пылеосадительная камера: 1 - камера; 2 - горизонтальные перегородки (полки); 3 - отражательная перегородка; 4 - дверцы.

Под действием силы тяжести удается достаточно полно выделить из газа лишь крупные частицы пыли. Поэтому пылеосадительные камеры используют только для предварительной, грубой очистки газов, содержащих частицы пыли относительно больших размеров (>100 мкм). Степень очистки газа от пыли в этих аппаратах обычно не превышает 30-40%. В настоящее время пылеосадительные камеры ввиду их большой громоздкости и сравнительно малой эффективности вытесняются другими аппаратами, в которых применяются более совершенные способы очистки газа[5] и применяются только в качестве аппаратов предварительной очистки, особенно при высокой начальной концентрации пыли.

Основные достоинства осадительных камер заключаются в простоте конструкции, низкой стоимости, в небольших расходах энергии и в возможности улавливания абразивной пыли. Кроме того, работа камер не подвержена влиянию температуры и обеспечивает улавливание пыли в сухом виде. Однако для достижения высокой эффективности при улавливании относительно мелкой пыли необходимы очень громоздкие камеры.

При проектировании осадительных камер необходимо обращать внимание на равномерное распределение газового потока по сечению камеры. Для этой цели устанавливаются диффузоры или газораспределительные решетки.[3]

Процессы осаждения, происходящие в пылевых камерах, наблюдаются и в горизонтальных газоходах. Однако в этих условиях осаждение пыли в большинстве случаев нежелательно, поэтому скорости в газоходах принимают значительно более высокими (18-20 м/с), чтобы обеспечить турбулентный режим движения и унос даже крупных частиц, а также экономию металла при изготовлении газоходов.[4]

Пылевые камеры и газоходы в условиях электролизных цехов мало применимы, так как для снижения скорости отходящего газа пришлось бы резко увеличивать диаметр газоходов, а при больших скоростях в пылевых камерах и газоходах могут оседать только крупные частицы, что приведет к невысокой степени очистки отходящего газа. [1]

Использование центробежной силы положено в основу конструкции циклонов, являющихся одним из наиболее распространенных типов пылеулавливающих устройств, применяемых для очистки газов от пыли крупностью более 5 мкм. Корпус циклона выполнен в виде вертикально расположенного цилиндра, нижняя часть которого заканчивается конусом (рисунок 9).

Для подвода газа в верхней части корпуса имеется патрубок прямоугольного сечения, расположенный тангенциально (по касательной) к поверхности цилиндра. Очищенные газы выходят из циклона через вертикальную трубу круглого сечения, расположенную соосно по отношению к корпусу.

Поток запыленных газов при входе в циклон начинает вращаться в пространстве между цилиндрической поверхностью корпуса и центральной выходной трубой, образуя внешний вращающийся вихрь. При этом центробежной силой частицы пыли отбрасываются к стенкам цилиндрической части циклона. Внешний вихрь, опускаясь к конической части циклона, меняет направление и движется вверх, образуя внутренний вихрь. Частицы пыли, достигшие стенок циклона, перемещаются в нижнюю коническую часть и выносятся через пылеотводящий патрубок.

Циклоны выпускаются серийно на специализированных предприятиях, их конструкции унифицированы. Задача технолога состоит в выборе циклона нужного типоразмера для обеспечения заданной степени очистки газа с учетом его объемного расхода и дисперсного состава пыли. Наиболее распространены циклоны конструкций Научно-исследовательского института очистки газов (НИИОГАЗ), Ленинградского института охраны труда (ЛИОТ) и Свердловского института охраны труда (СИОТ).

Рисунок 9 - Схема работы циклона: 1 - вход газа; 2 - уловленная пыль; 3 - выход газа

Циклоны обеспечивают удовлетворительную степень очистки газов от крупных частиц пыли; например, степень улавливания пыли размером 100 мкм составляет 91 - 98 % (в зависимости от типа и диаметра корпуса циклона), частицы с размером 10 мкм улавливаются на 70-90 %, а мелкие фракции пыли размером 5 мкм - не более чем на 40-65 %. Температура газа может превышать 400°С, при этом, однако, внутреннюю поверхность циклона необходимо футеровать огнеупорным кирпичом, а выходную трубу изготовлять из жаропрочной стали или керамики. При умеренной температуре газов (около 100°С) эта температура должна быть выше точки росы, для чего корпус циклона покрывают теплоизоляцией. Циклоны работоспособны как под разрежением, так и под давлением газа до 2,5 кПа. При большем давлении или разрежении необходимо обеспечить герметичность циклона для предотвращения подсосов или утечки газа.[2]

Циклонные аппараты благодаря дешевизне и простоте устройства и обслуживания, сравнительно небольшому сопротивлению и высокой производительности являются наиболее распространенным типом сухого механического пылеуловителя. Циклонные пылеуловители имеют следующие преимущества:

1) отсутствие движущихся частей в аппарате;

2) надежное функционирование при температурах газов вплоть до 500°С без каких-либо конструктивных изменений (если предусматривается применение более высоких температур, то аппараты можно изготовлять из специальных материалов);

3) возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;

4) пыль улавливается в сухом виде;

5) гидравлическое сопротивление аппаратов почти постоянно;

6) аппараты успешно работают при высоких давлениях газов;

7) пылеуловители весьма просты в изготовлении;

8) рост запыленности газов не приводит к снижению фракционной эффективности очистки.

Правильно спроектированные циклоны могут эксплуатироваться надежно в течение многих лет.[3]

Циклоны не могут быть использованы в условии электролизного цеха из-за большого объема отходящих газов. Кроме того, циклоны эффективно отделяют только крупные частицы (более 10 мкм). Тем не менее эти аппараты достаточно успешно работают в цехах анодной массы для очистки пыли в отходящих газах от прокалочных печей. При этом значительная часть мелкой пыли не улавливается.[1]

Для обеспечения большой производительности циклоны объединяют в группы по 2 ... 8 элементов при прямоугольной компоновке и до 14 элементов при круговой. Циклоны в группе работают параллельно, имея общие входной и выходной газоходы и бункер для пыли.[2]

Рисунок 10 - Группа из четырех циклонов НИИОГАЗ: 1 - входной патрубок; 2 - камера обеспыленных газов; 3 - кольцевой диффузор; 4 - циклонный элемент; 5 - бункер; 6 - пылевой зaтвop.

При больших расходах очищенных газов применяют групповую компоновку аппаратов (рисунок 10). Это позволяет не увеличивать диаметр циклона, что положительно сказывается на эффективности очистки.

Группу аппаратов обычно составляют из цилиндрических циклонов НИИОГАЗ. Она имеет общий коллектор загрязненных газов, общий сборник очищенных газов и общий пылевой бункер. Отвод очищенных газов от циклонов группы выполняют либо через улитки, устанавливаемые на каждом циклоне и объединяемые общим коллектором, либо непосредственно через общий коллектор. Применение выходных улиток уменьшает общую высоту группы.

Иногда в группу (батарею) объединяют большое число маленьких циклонных элементов, так называемых мультициклонов. Снижение диаметра циклонного элемента D_u в этом случае преследует цель увеличения эффективности очистки, которая несколько возрастает с уменьшением D_u. Батарея мультициклонов показана на рисунке 11.[3]

В батарейном циклоне сгруппированы в общем корпусе циклонные элементы небольшого диаметра - 100, 150 или 200 мм. Батарейный циклон имеет общую верхнюю камеру, через которую вводится очищаемый газ, среднюю газораспределительную камеру и нижнюю камеру, представляющую бункер для пыли. Вращательное движение потоку газов на входе в циклонный элемент придает наличие направляющего аппарата в виде винтовой поверхности (рисунок 11, а) или розетки (рисунок 11, б) с несколькими лопастями. В результате размеры батарейного циклона в плане меньше, чем группы из обычных циклонов того же диаметра.

Рисунок 11 - Мультициклоны: а, б - направляющие аппараты мультициклона в виде винта и розетки соответственно: 1- корпус; 2 - направляющий аппарат; 3 - патрубок; в - общий вид мультициклона: 1 - патрубок; 2 - распределительная камера; 3 - патрубок для выхода газа; 4 - верхняя камера; 5 - коллектор; 6 - циклонный элемент; 7 - направляющий аппарат.

Батарейные циклоны имеют большую производительность при достаточно высокой степени улавливания пыли с размером частиц более 5 мкм. Вместе с тем необходимо обеспечить равномерное распределение потока газа по циклонным элементам.[2]

Работа инерционных пылеуловителей основана на возникновении сил инерции, приложенных к частицам пыли, при резком изменении направления движения газового потока, несущего пыль.

Жалюзийные пылеуловители (рисунок 12), основным элементом которых является жалюзийная решетка, расположенная под углом к направлению газового потока, применяются наиболее часто. Решетка состоит из ряда наклонно установленных пластин. Огибая пластины, струи газа резко изменяют направление движения, проходят на другую сторону решетки и движутся в прежнем направлении.

Рисунок 12 - Жалюзийный пылеуловитель: 1 - короб; 2 - ребра; 3 - кольца

Частицы пыли, встречаясь с пластинами решетки, стремятся сохранить по инерции первоначальное направление движения, не огибают пластину, а отражаются в сторону, противоположную движению газов, опять поворачивают по направлению газового потока, ударяются о следующую пластину и т. д.

В результате газы, прошедшие через решетку, очищаются, а газы, оставшиеся по другую сторону решетки, обогащаются пылью. Эта часть газового потока, около 10 % от всего объема, направляется для дальнейшей очистки.

Эффективность очистки газов в инерционных пылеуловителях ниже, чем в циклонах. Гидравлическое сопротивление этих аппаратов составляет 10-50 мм вод. ст. Оптимальная скорость газового потока составляет 10-15 м/с, температура газа допускается до 600 °С.[2]

На степень очистки влияет скорость движения газов, отсасываемых в циклон. Для того, чтобы в циклон было отведено возможно больше пыли, эта скорость должна быть не меньше скорости газов при подходе к решетке. Гидравлическое сопротивление решетки составляет 100-500 Па.

Недостатками жалюзийного пылеуловителя являются: износ пластин решетки при высокой концентрации особенно крупной пыли и возможность образования отложений при охлаждении газов до точки росы.[3]

Область применения ограничивается предварительной очисткой газов с частицами пыли крупнее 20 мкм.[2] Этот аппарат широко применяется для предварительной очистки газов перед циклонами или рукавными фильтрами.[3]

Электрофильтры - аппараты для отделения пыли в электростатическом поле широко применяют для улавливания пыли и тумана любых размеров, в том числе и менее 1 мкм. Эффективность улавливания пыли в таких электрофильтрах весьма высока и достигает 99% даже при очистке газов, нагретых до 450-500°С и высоком содержании сернистого ангидрида и других газов. Электрофильтры широко используются в алюминиевом производстве. Общий вид наиболее распространенною электрофильтра УГМ-2-7 представлен на рисунке 13.

Рисунок 13 - Электрофильтр типа УГМ-2-7: 1 - газораспределительная решетка, 2- механизм встряхивания коронирующих электродов; 3 - корпус; 4- осадительный электрод; 5 - коронирующий электрод; 6 - люк; 7- механизм встряхивания осадительных электродов; 8- коробка подвода тока

На НКАЗе в настоящее время установлен электрофильтр ПГДС 2x20 горизонтальный, двухсекционный, двухпольный с S-образными осадительными электродами, состоит из следующих узлов:

- корпуса электрофильтра. Активное сечение 20м ².

- газораспределительной системы.

- системы коронирующих электродов - 20 штук.

- системы осадительных электродов - 24 шт.

Очистка газа от пыли протекает следующим образом:

Содержащий взвешенные частицы газ проходит через неоднородное электрическое поле, создаваемое двумя разноименными заряженными электродами, с большой разностью потенциалов. На поверхности коронирующего электрода напряженность электрического поля при определенной величине приложенного напряжения образует "коронный" разряд. В зоне "короны" происходит ударная ионизация газа с образованием большого количества ионов катионов. Под действием электрического поля, частицы поля получают заряд. Заряженные частицы притягиваются к противоположно заряженному электроду и осаждаются на его поверхности.

В цветной металлургии нашли широкое применение методы улавливания пыли, основанные на фильтрации газа через пористые материалы: кокс, кварц, фильтровальные ткани. Типичным аппаратом этого типа являются рукавные фильтры, в которых используются ткани из различных волокон: шерстяных, хлопковых, синтетических и стеклянных. Применяются также и нетканые материалы, такие как фетр и войлок. Характеристики фильтровальных тканей, наиболее широко применяемых на практике, приведены в таблице 4.[2]

Таблица 4 - Ткани для рукавных фильтров цветной металлургии

Вид ткани	Артикул	Химическая стойкость	Максимальная рабочая температура, °С
		к щелочам	к кислотам
Чистошерстяная	ЧШ-21	Низкая	Удовлетворительная	90
Смешанная (70 % шерсти, 30 % капрона)	ЦМ-83	Низкая	Ухудшенная	90
100 %-ный нитрон	НЦМ	Удовлетворительная	Хорошая	130
100 %-ный лавсан	ЦНИХБИ	То же	То же	130
100 %-ное стеклянное волокно	ТССНФ(О)	То же	То же	240

Тканевые материалы представляют собой переплетения нитей диаметром 300-700 мкм. В случае специальной обработки - ворсования на поверхности ткани образуется ворс из перепутанных между собой волокон. Продольные нити называют основой, а поперечные - утком. Характер переплетения основы и утка может быть различным.

В условиях работы технологических фильтров для газов на металлургических заводах к тканям предъявляют следующие требования:

термостойкость, достаточная для работы в условиях температур отходящих газов металлургических агрегатов;

химическая стойкость по отношению к агрессивным компонентам, присутствующим в отходящих газах металлургических агрегатов;

механическая прочность по отношению к истиранию и

многократным изгибам во время регенерации тканей, а также стабильность размеров при рабочих условиях;

высокая пылеемкость при фильтрации и способность удерживать при регенерации часть пыли, обеспечивающая достаточно высокую эффективность после регенерации;

сохранение максимальной воздухопроницаемости в запыленном состоянии;

минимальное влагопоглощение и способность к легкому

удалению накопленной влаги (малая гигроскопичность);

умеренная стоимость.

Фильтрующих материалов, полностью удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, нет. Поэтому каждую ткань используют в наиболее благоприятных для нее условиях.

Выбор вида ткани определяется в основном температурой, а также влагосодержанием и агрессивными свойствами газового потока, сроками службы ткани в рабочих условиях и стоимостью ткани.

Волокна фильтровальной ткани или иных фильтрующих материалов образуют пространственную решетку, через которую проходит поток очищаемого газа. Механизм улавливания частиц пыли основан не на отсеивающем действии фильтровального материала, как это происходит при просеивании порошков через сита. Фильтр способен задерживать частицы, размеры которых значительно меньше размера пор.

Запыленный газовый поток несет частицы разного размера. Проходя слой фильтрующего материала, например ткани, газовый поток встречает на пути волокна и изменяет свое направление, обтекая их.

Крупные частицы при этом отклоняются от направления потока под действием сил инерции и могут столкнуться с волокнами ткани, подойдя к ним настолько близко, что прилипнут к ним.

У мелких частиц сила инерции мала, поэтому они продолжают следовать за газовым потоком, огибая волокна. Однако, чем меньше масса и размер частицы пыли, тем больше она подвержена влиянию сил броуновского движения, под действием которых частица движется в случайном направлении и может столкнуться с волокном, прилипая к его поверхности. При значительной турбулентности газового потока осаждению частиц способствуют также вихревые потоки. Движение потока газа через ткань приводит к появлению электростатического заряда на поверхности волокон и частиц пыли. Знак и величина заряда зависят от свойств волокон и частиц пыли. Наличие заряда на поверхности волокон и частиц пыли также способствует улавливанию частиц пыли.

В начальный момент фильтрования, когда ткань чистая, преобладают указанные причины осаждения пыли и формируется первичный слой осадка на фильтре. При этом размер пор уменьшается, и в дальнейшем возможно улавливание пыли, основанное на отсеивающем эффекте, когда размер пор уменьшится и станет меньше размера частиц. Эффективность очистки при этом возрастает, но вместе с этим растет и гидравлическое сопротивление фильтра. Для обеспечения длительной работы фильтра необходимо периодически удалять уловленную пыль, т. е. регенерировать фильтровальный материал. Интервал времени между циклами фильтрования и регенерации может быть от 3 - 4 мин до нескольких часов. Для регенерации проводят обратную продувку либо встряхивают фильтровальную ткань.

В цветной металлургии наиболее широко применяются рукавные фильтры (рисунок 14), в которых фильтрующим элементом служит бесшовный рукав из фильтроткани диаметром 125 - 300 мм (наиболее часто 220мм). Рукава группируют в плане прямыми рядами или в шахматном порядке и подвешивают вертикально в корпусе фильтра. Длина рукавов обычно составляет от 2 до 4м и ограничена размерами корпуса по высоте.



Рисунок 14 - Рукавный фильтр: а - поперечный разрез; б - продольный разрез; 1 - корпус; 2 - площадка для облуживания; 3 - распределительная решетка; 4 - бункер; 5 - затвор; 6 - общий бункер; 7 - шнек; 8 - коллектор чистого газа; 9, 17 - пневмоцилиндры клапанов; 10 - пневмоцилиндр встряхивающий; 11, 15 - клапаны; 12 - подвеска рукавов; 13 - рукав; 14 - затвор.

Поверхность фильтрования одного рукава около 2м ², а общая поверхность фильтрования зависит от числа параллельно работающих рукавов в фильтре и достигает 280 - 560м ² для фильтров типа РФГ. Выпускаются также укрупненные рукавные фильтры конструкции института Гинцветмет типа УРФМ с площадью фильтрации до 2300м ². Принципиальных отличий в конструкции фильтров РФГ и УРФМ нет.

Поток газа направляют в нижнюю часть рукавов, верхний конец которых заглушён и подвешен к устройству для встряхивания и регенерации. Корпус фильтра разделен внутри на секции, в нижней части которых имеются бункеры для сбора пыли. Регенерация фильтров осуществляется механическим встряхиванием и обратной продувкой.[2]

При малых скоростях фильтрации запыленного газа через тканевые фильтры можно добиться высокой степени очистки газов (до 99%).

Тканевые фильтры находят широкое применение в электролитическом производстве алюминия для сухой очистки отходящих газов не только от пыли, но и фторсодержащих соединений.[1]

11. Особенности технологии сухой очистки отходящих газов

Мокрые способы очистки, в основном используемые при очистке газов, выделяющихся при электролизе, начинают уступать место сухим методам. В последние годы все более широкое распространение находит метод сухой сорбционной очистки газов цехов электролиза, основанный на адсорбции фтористого водорода глиноземом.

В настоящее время самой совершенной, соответствующей новым требованиям, считается система сухой очистки с замкнутым контуром, состоящая из реакторов, обеспечивающих контакт газ - глинозем и последующих рукавных фильтров для улавливания прореагировавшего глинозема и твердых частиц. Принципиальная схема сухой газоочистки представлена на рисунке 15.

Опубликованные предположительные гипотезы о механизме реакции, происходящей при сорбции фторводорода на глиноземе, достаточно противоречивы. Однако можно считать, что количество активных центров, на которых происходит реакция абсорбции фторводорода глиноземом, не зависит от типа глинозема и составляет 8 гидроксильных групп на 100 квадратных ангстрем площади поверхности глинозема. Это объясняет прямо пропорциональную зависимость между сорбционной способностью глинозема и его удельной поверхностью (м ²/г), измеренной по изотерме адсорбции азота (BET), которая считается наиболее важным параметром при выборе качества глинозема для cyxoй очистки отходящих газов. В настоящее время считается достаточной величина удельной поверхности BET не менее 30 - 45 м ²/г.

Сухая очистка газов основана на адсорбции HF глиноземом. Этот принцип является общим для всех аппаратурно-технологических схем сухой очистки электролизных газов. Процесс схематично может быть представлен следующим образом

Рисунок 15 - Принципиальная схема сухой очистки газа

Как известно, промышленный глинозем включает в себя ряд модификаций оксида алюминия - б-А1₂О₃, в-A1₂O₃, г-А1₂О₃ и др. Свойства глинозема зависят от используемого сырья, способа и параметров технологического процесса получения глинозема и ряда других факторов. Как было показано выше, адсорбционная способность глинозема зависит от его удельной поверхности, а наличия активных модификаций глинозема (г-А 1₂О ₃), способных его адсорбировать. Выполненные в ВАМИ исследования показали, что в промышленных глиноземах содержание б-А 1₂О ₃ колеблется в пределах 18 - 50%, и с увеличением содержания этой модификации в глиноземе величина удельной поверхности S снижается, а высокая степень адсорбции сохраняется до момента, соответствующего заполнению мономолекулярного слоя HF на поверхности глинозема. Расчетная емкость мономолекулярного слоя Х_m составляет (гHF/гAl₂O₃).

X_m = [(S · M)/(N · A_m)] · 10^-20 = 0,292 · 10^-3 · S,

где M - молекулярный вес HF;

A_m - посадочная площадка молекулы HF;

N - число Авогадро.

Для глинозема с удельной поверхностью S = 45 м ²/г сорбционная емкость глинозема Х_m составит

Х_m = 0,292 · 10 ³ · 45 = 0,013,

т.е. 1г глинозема может адсорбировать 0,013г HF или 1,3%. До достижения этой величины степень улавливания HF сохраняется на уровне 99 - 99,5%, после чего резко снижается. Наиболее важная переменная при проектировании установок сухой очистки - время контакта глинозема с потоком очищаемого газа. Оказалось, что время от одной до трех секунд является наиболее подходящим для хорошей адсорбции фторидов. Более короткое время контакта можно использовать в тех случаях, когда удается достичь хорошего распределения частиц глинозема по всему потоку газа. Многочисленные модификации аппаратурно-технологических схем сухой очистки газов состоят из (рисунок 16):

- устройства для контактирования газа с глиноземом (реактор);

- пылеуловителя для улавливания глинозема и другой пыли (как правило, рукавный фильтр, в отдельных случаях электрофильтр);

- системы транспорта глинозема;

- дымососа для транспортировки газа;

- автоматизированной системы управления процессом.

Конечным продуктом при сухой очистке газов является фторированный глинозем, возвращаемый в электролизеры. Таким образом, сухая газоочистка является наиболее малоотходной технологией очистки газа.



Рисунок 16 - Схемы очистки электролизных газов зарубежных фирм: а - "Балко"; 6 - "Лурги"; в - "Флект"; г - "Просидейр"; 1 - электролизер; 2 - электрофильтр: 3 - вентилятор; 4 - скруббер; 5 - реактор; 6 - рукавный фильтр

Фторированный глинозем помимо HF содержит уловленную электролизную пыль, в состав которой входят твердые фториды, С, Fе, Si и др., которые, попадая в электролизер, вызывают снижение качества алюминия или нарушают технологический процесс. Рост содержания примесей в глиноземе прямо пропорционален кратности циркуляции глинозема через реактор и количества, используемого для сухой очистки. Минимальный прирост примесей имеет место при работе реактора без циркуляции, т.е. при использовании всего глинозема "на проток".

Наиболее широко внедрены в производство системы сухой очистки электролизных газов, разработанные компаниями Flakt и Procedair. Находят применение системы компаний Lurgi-Vaw, Alcoa, Alcan, Кайзер и др. Несмотря на большое разнообразие конструктивных решений, наибольший интерес представляет конструкция двух узлов: устройство для контактирования отходящего газа с пылью (реактор) и устройство для улавливания фторированного глинозема.

11.1 Типы реакторов

По времени контакта газа с глиноземом различают два основных типа реактора:

- на рисунке 17 приведена схема очистки газов с подачей глинозема в поток очищаемого, газа. Для повышения эффективности очистки необходимо, чтобы глинозем был равномерно распределен по всему потоку газа. Обычно глинозем вводится в поток газа через различного вида сопла (Alcan), а некоторые фирмы используют насадки Вентури (Flakt, Procedair) для обеспечения хорошего турбулентного перемешивания и диспергации частиц глинозема в потоке газов. Большинство таких реакторов имеют устройство для рециркуляции глинозема, что приводит к повышению эффективности улавливания, но вызывает дополнительную истираемость глинозема и увеличение абразивного износа оборудования.

^{Глинозем->}

Рисунок 17 - Система очистки газов с подачей Al₂O₃ в поток газа: 1, 2 - бункер свежего (1) и фторированного (2) глинозема; 3 - корпус электролиза; 4 - электролизер; 5 - дымосос

- другим основным типом реакторов (рисунок 18) является система с кипящим слоем. В этой системе очищаемый газ контактирует с глиноземом путем пропускания поднимающегося потока газа через расширяющийся слой глинозема. Слой глинозема движется вдоль горизонтального перфорированного листа, а поток газа проходит через отверстия, создавая эффект кипящего слоя. Свежий глинозем подается с одной стороны реактора и удаляется с другого конца, а для улавливания унесенных потоком газа частиц глинозема используется рукавный фильтр.

Рисунок 18 - Система очистки газа в реакторе с кипящим слоем: 1 - 5 - то же, что и на рисунке 3; 6 - реактор с кипящим слоем

Преимуществом системы реакторов с кипящим слоем является то, что даже при прекращении подачи глинозема кипящий слой сохраняет способность эффективно улавливать фториды в течение нескольких часов и, кроме того, в этих системах весь глинозем проходит через реактор, что упрощает систему подачи глинозема. Основным недостатком этой системы является то, что кипящий слой создает большой перепад давлений и, следовательно, требует большого расхода электроэнергии.

11.2 Устройства для улавливания фторированного глинозема

В подавляющем большинстве систем в качестве пылеуловителей применяют рукавные фильтры, изготавливаемые из иглопробивного нетканого полиэфирного полотна. Лишь фирма Alcoa использует для этой цели мешочные фильтры. По данным компании Lurgi-Vaw ряд компаний в настоящее время отказываются от электрофильтров (используемых ранее для улавливания фторированною глинозема) и переходят на применение рукавных фильтров. Таким образом, наиболее эффективным и широко распространенным устройством для улавливания фторированного глинозема являются pукавные фильтры. Регенерация рукавных фильтров (очистка их от осевшею фторированною глинозема) осуществляется в настоящее время импульсной подачей воздуха низкого давления, что уменьшает износ рукавов и увеличивает срок их службы. Известно, что фирма Procedair, применявшая ранее фильтры с пульсирующей обратной продувкой, также переходит на фильтры с импульсной регенерацией сжатым воздухом низкого давления. Срок службы таких рукавов по промышленным данным Саянского алюминиевого завода составляет не менее 5 лет.

Все ведущие фирмы по производству газоочистных сооружений применяет модульный принцип. Модуль состоит из реактора и рукавного фильтра и способен очистить от 70 до 100 тыс. м ³ за в час. Из таких модулей собирается установка, к которой может быть подключена большая группа ванн. Рассмотрим конструктивные решения систем сухой очистки газов фирм Flakt и Procedair и сравним их с системами других фирм.

12. Система фирмы Flakt

Улавливание фторидов в установках этой фирмы осуществляется в реакторах и рукавных фильтрах. Установка собирается из модулей "реактор-рукавный фильтр" производительностью 70-100 тыс. м ³/ч каждый. Так, для серии электролизеров с ОА на 180 кА достаточно иметь две установки производительностью по 940 тыс. м ³/ч каждая из 14 модулей.

Реактор в модуле представляет собой, по существу, низконапорную трубу Вентури - вертикальный газоход, расширяющийся кверху и сопряженный с входным патрубком рукавного фильтра. Особенностью рукавных фильтров является их импульсная регенерация воздухом низкого давления (200 кПа).

Газ отсасывается из коллектора неочищенного газа и проходит через модули "реактор-рукавный фильтр", где очищается от HF и пыли и дымососами выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Перед каждым фильтром в поток неочищенного газа производится дозированная подача свежего (первичного) глинозема. Адсорбция HF происходит как в реакторе, так и в фильтрующем слое глинозема на рукавах фильтра. Неочищенный газ с глиноземом и пылью при помощи распределительного устройства, установленного на входе в фильтр, равномерно распределяется на все рукава. Глинозем с адсорбированными фторидами и пылью образует на рукавах фильтрующий слой, в котором происходит адсорбция HF и пылеулавливание. Пыль с рукавов периодически удаляется импульсной продувкой и собирается в бункере фильтра.

Каждый фильтр имеет корпус, в котором размещены 380 фильтрующих рукавов диаметром 127мм и длиной 5м из иглопробивного полиэфирного фильтровального материала общей площадью фильтрации 766м ². Система транспорта свежего первичного глинозема для одной установки на корпус состоит из основного силоса емкостью 1000 т, из которого глинозем подается в буферный силос вместимостью 150 т. Из буферного силоса глинозем через расходомер распределяется на 14 фильтрующих модулей. Через распределительный короб с псевдоожиженным слоем и 14 переливных отверстий попадает по аэрожелобам к модулям. Количество первичного глинозема задается расходомером, а количество рециркулирующего - регулируется специальным устройством, расположенным в днище бункера фильтра. Изменяя число оборотов шнека, можно регулировать подачу глинозема на рециркуляцию. Отработанный (вторичный) глинозем из корпуса фильтра шнеком подается в аэрожелоб, а затем аэролифтом в силос вторичного глинозема и в корпус электролиза.

Фирма гарантирует содержание на выходе из установки: НF - не более 1 мг/нм ³; твердых фторидов - не более 1 мг/нм ³; пыли - не более 5 мг/нм ³. В России установки этой фирмы эксплуатируют на САЗе и обеспечивают проектные показатели - согласно статистическим данным выбросы фтора на этом заводе самые низкие из российских заводов и не превышают 0,35кг фтора на тонну произведенного алюминия, т.е. на уровне лучших зарубежных показателей.

13. Система фирмы Procedair

Эта компания так же как и Flakt широко применяет сухую очистку электролизных газов; по ее данным на декабрь 1994 г. 11 226 электролизеров в разных странах мира, производящих около 4,4 млн т алюминия в год, оборудовано ее системами.

Рисунок 19 - Модуль сухой очистки фирмы "Procedair": 1 - тельфер; 2 - вентилятор для обратной продувки рукавов; 3 - сменный блок рукавов; 4, 5 - рукава в режиме продувки (4) и очистки (5) газа; 6 - индикатор разрежения; 7- очищенный газ; 8 - многолопастной демпфер; 9 - дно бункера с псевдоожиженным слоем; 10 - сброс излишков глинозема; 11 - дренаж; 12 - дымосос; 13 - транспортер фторированного глинозема; 14 - крышка; 15 - воздушный отсек для продувки рукавов; 16 - запорный клапан; 17 - отсос; 18 - реактор Вентури; 19 - приемная воронка; 20 - клапан рециркуляции глинозема; 21 - распределительный шит; 22- электропневматический клапан; 23 - задвижка; 24 - транспортер подачи свежего глинозема; 25 - газ на очистку

Так же как и фирма Flakt, эта компания применяет модульный принцип построения своих систем (рисунок 19), который позволяет из однотипных установок собирать мощные газоочистные блоки способные очистить газ от половины ванн корпуса, упрощать проектирование и резко сокращать сроки монтажа и наладки. Кроме того, применение однотипных блоков позволяет минимизировать затраты на записные части к газоочистным установкам.

Реактором в этой системе является вертикально установленная низконапорная труба Вентури, в которой контакт глинозема с газом осуществляется в восходящем турбулентном потоке с последним отделением глинозема на фильтре. В схеме предусмотрена возможность рециркуляции глинозема с кратностью от 10 до 40.

Установка для очистки электролизных газов объемом 1,7 млн м ³/ч, состоит из 14 модулей "реактор-фильтр", общая площадь фильтрации в каждом модуле составляет 1532м ². Рукава изготавливаются из нетканого полиэфирного материала диаметром 127 и длиной 6000мм. Практически весь потребный для электролиза глинозем проходит через модули.

14. Характеристика систем сухой очистки газов

Мокрая газоочистка обладает достаточно высокой эффективностью улавливания газообразных примесей, однако имеет ряд существенных недостатков, основными из которых являются: наличие растворооборотного хозяйства; загрязнение стоков; наличие шламовых полей; каплеунос; коррозия и эрозия аппаратуры и др.

От этих недостатков свободны сухие системы очистки газов, широко используемые за рубежом и на некоторых наших заводах.

Проведенная в НАМИ экспертная оценка технических решений основных широко используемых в мировой практике систем сухой очистки газов, разработанных ведущими фирмами мира, показала, то по эффективности они практически одинаковы и обеспечивают улавливание 98,5 - 99,5% фторсодержащих газов и практически всей пыли, содержащейся в отсасываемом газе. Отличаются же эти системы в основном принципом действия и конструкцией используемых реакторов. Ниже в таблицах 5 и 6 приведены характеристики систем сухой очистки тазов.

Таблица 5 -Устройства для контакта газа с глиноземом

Фирма	Реактор	Скорость газа, м/с	Концентрация АЦО, г/м 3	Гидравлическое сопротивление, Па
Flakt	Вертикальная труба Венгури	19	10-150	< 400
Procedair	То же	То же	То же	То же
Lurgi-Vaw	Расширенный кипящий слои	3-5	> 2000-3000	3000
Alcan	Ввод Al2О 3в газоход	Соответствует скорости газа	10-150	Незначительно
Alcoa	Кипящий слой	0,2-0,5	Нет данных	3000-5000

Таблица 6 - Характеристика пылеуловителей

Фирма	Тип	Материал	Метод регенерации	Давление воздуха для регенер., ат	Гидравлическое сопротивление, Па	Остаточн. запыленность, мг/м 3
Flakt	Рукава	Нетканый полиэфир	Импульсн.	1,5 - 2,0	до 1500	< 5
Procedair	-		-	1,5 - 2,0	до 1500	< 5
Lurgi-Vaw	Э/фильтр	-	-	7,0	300 (эф) 500 (рф)	< 30 (эф) 5 - 1 (рф)
Alcoa	Мешки	-	-	7,0	-	-
Alcan	Рукава	-	-	7,0	-	-
Кайзер	-	-	-	6,5	1500	Нет данных

Таким образом, гидравлическое сопротивление и расход энергии, наиболее низкий у систем Flakt, Procedair и Alcan. Такая тенденция наблюдается и при сравнении капиталовложений.

Следует отметить, что в настоящее время на КрАЗе изготовлены и эксплуатируются системы сухой очистки газов на электролизерах ВТ.

Заключение

В настоящее время самой совершенной, соответствующей новым требованиям, считается система сухой сорбционной очистки с замкнутым контуром, состоящая из реакторов, обеспечивающих контакт газ - глинозем и последующих рукавных фильтров для улавливания прореагировавшего глинозема и твердых частиц.

Конечным продуктом при сухой очистке газов является фторированный глинозем, возвращаемый в электролизеры. Таким образом, сухая газоочистка является наиболее малоотходной технологией очистки газа. [1]

Основными достоинствами сухой газоочистки являются:

ь высокая степень очистки газов;

ь долговечность в эксплуатации (больше коэффициент полезного использования, чем у мокрой газоочистки);

ь не вызывает коррозии;

ь практически полная безотходность;

ь отсутствие шламовых полей;

К недостаткам сухого способа очистки газов можно отнести:

ь невысокую степень улавливания;

ь высокую стоимость.

Список литературы

1. Галевский Г.В. Экология и утилизация отходов в производстве алюминия: учеб. пособие / Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис. - М.: Флинта: Наука, 2005. - 272 с., ил.

2. Набойченко С.С. Процессы и аппараты цветной металлургии: учебник для вузов / С.С. Набойченко, Н.Г. Агеев, А.П. Дорошкевич, В.П. Жуков, Е.И. Елисеев, С.В. Карелов, А.Б. Лебедь. - Екатеринбург: УГТУ, 1997.- 648 с.

3. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов от пыли / В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков, И.К. Решидов. - М.: Химия, 1981. - 392 с., ил.

4. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. - М.: Металлургия, 1977. - 328 с.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. - 752 с.

6. Краткий обзор. - http: // www. rusal. ru /

7. Кто мы. - http: // www. rusal. ru /

8. РУСАЛ меняет структуру компании. - http: // www. rusal. ru /

9. РУСАЛ создал новый дивизион, шестой в структуре компании. - http: // www. rusal. ru /

10. Корпоративная структура. - http: // www. rusal. ru /

11. В компании РУСАЛ внедрена система управления предприятиями SAP R/3. - http: // www. rusal. ru /

12. Персонал. - http: // www. rusal. ru /

13. Корпоративные программы для сотрудников. - http: // www. rusal. ru /

14. Вакансии. - http: // www. rusal. ru /

15. РУСАЛ подводит итоги деятельности за первое полугодие 2006 г. - http: // www. rusal. ru /

16. Цветные металлы / Развитие и совершенствование основного производства. - 2002. - №11. - с. 15-17.

Размещено на Allbest.ru