Разработка проекта электролизного цеха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АННОТАЦИЯ

Дипломный проект посвящен разработке проекта электролизного цеха производительностью 300 тысяч тонн в год.

Работа состоит из ведения, разделов, заключения, списка использованных источников наименований.

Графическая часть выполнена на 6 листах формата А-1, включая схему технологического процесса электролиза алюминия.

Подробно были рассмотрены теоретические основы электролиза алюминия.

Также были рассмотрены факторы реализации проекта строительства Казахстанского электролизного завода, которые подразумевают использование в проекте современной технологии производства первичного алюминия, основанной на достижениях ведущих мировых фирм и практическом опыте последних лет по внедрению технологий электролиза на электролизерах с обожженными анодами в Китае институтом GAMI (Гуйан); использование в проекте оборудования и технологий, позволяющих минимизировать воздействие производства на окружающую среду; с проектными показателями по удельным выбросам фтористого водорода равным 0,25 кг/т, твердых фторидов - ,62 кг/т, оксида серы - 12,2 кг/т алюминия, позволяющими отнести создаваемое производство к числу самых экологически чистых производств среди мировых алюминиевых заводов; использование в проекте способов утилизации отходов, позволяющих из общего количества твердых отходов 72% переработать на собственном предприятии, и 24% - передать на утилизацию на другие предприятия.

АНДАТПА

Дипломды? жоба жылына 300 мы? тонна ?ндейтін электролиз цехын жобалау?а арнал?ан.

М?тінге ж?мыс бас?ару т?зелімі, б?лімдер, н?тижелер, аттарды? ?олдан?ан ?айнарларды? тізімі кіреді.

Графикалы? б?лім формат алюминий электролизыны? технологиялы? процесті? схемасымен ?оса А-1 форматты 6 бетте орындал?ан.

Сонымен ?атар ?аза?станды? электролиз зауыт ??рылысыны? жоба орындауларыны? факторлары ?арал?ан болатын.

?аза?станды? электролизді зауыт ??рылыстары жоба орындаулары факторларды сонымен ?атар ?арал?ан болатын, ал?аш?ы алюминий ?ндірістері замандас технология жобасында ?олдануды т?сінеді,негізі салын?анны? бастаушы д?ниеж?зілік фирмаларды? жетулерінде ж?не со??ы жылдарды? практикалы? т?жірибесінде электролиз технологияларыны? енгізуімен электролизерлерде ?ытайда к?йдірілген анодтармен институтымен (Гуйан); жабды?тау жобасында ?олдану ж?не технологияларды?, ?ндіріс ?сері м?мкіндік беретіндерді? минимизация жасау орта ?орша?ан; д?ниеж?зілік алюминийлік зауыттар арасында е? экологиялы? таза ?ндірістерді? санына жасалынушы ?ндіріс м?мкіндік беретіндермен апарып беру; кетулерді? пайдалану т?сілдеріні? жобасында ?олдану, м?мкіндік беретіндерді? ?атты кетулерді? жалпы сандары ?зіне меншікті к?сіпорында 72% арты? ж?мыс істеу ж?не бас?а к?сіпорындар?а пайдалану?а 24%-ін тапсыру.

THE SUMMARY

The degree project is devoted project working out shops by productivity of 300 thousand tons in a year.

Work consists of conducting, sections, the conclusion, the list of the used sources of names.

The graphic part is executed on 6 sheets of format А-1, including the scheme of technological process electrolise aluminium.

Theoretical bases electrolise aluminium have been in detail considered.

Also factors of realisation of the civil-engineering design Kazakhstan electrolise factory which mean use in the project of the modern "know-how" of the primary aluminium based on achievements of leading world firms and practical experience of last years on introduction of technologies электролиза on electrolise with burnt anodes in China by institute GAMI have been considered; use in the project of the equipment and the technologies, allowing to minimise manufacture influence on environment; with design indicators on specific emissions of fluoric hydrogen equal 0,25 kg/t, firm fluorides - 62 kg/t, оксида sulfurs - 12,2 kg/t of the aluminium, allowing to carry created manufacture to number of most ecologically pure manufactures among world aluminium factories; Use in the project of ways of recycling of the waste allowing from total of a firm waste of 72 % to process at own enterprise, and 24 % - to transfer to recycling on other enterprises.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Исходные данные для проектирования цеха

1.1 Потребности в топливе, воде, тепловой и электрической энергии, вторичных энергоресурсах

1.2 Отходы производства

1.3 Технический уровень выпускаемой продукции

1.4 Сырьевая база предприятия

1.5 Технологический процесс электролиза алюминия

1.5.1 Принципиальная схема технологического процесса производства первичного алюминия

1.6 Устройство электролизёра

1.6.1 Состав и обоснование применяемого оборудования

2. Конструктивный расчет электролизера

2.1 Определение размеров анодного массива

2.2 Катодное устройство электролизера

2.3 Схема укладки катодных блоков

2.4 Материальный баланс электролизера

2.4.1 Производительность электролизера

2.4.2 Приходные статьи баланса

2.4.3 Расходные статьи баланса

2.5 Расчет ошиновки

2.6 Электрический баланс электролизера

2.6.1 Напряжение поляризации (ЭДС поляризации)

2.6.2 Падение напряжения в обожженном аноде

2.6.3 Падение напряжения в катоде

2.6.4 Напряжения анодных эффектов

2.6.5 Падение напряжения в электролите

2.6.6 Падение напряжения в катодной и анодной

Ошиновке

2.6.7 Падение напряжения в общесерийной ошиновке

2.7 Энергетический баланс электролизера

2.7.1 Расчет прихода энергии в результате пропускания электрического тока

2.7.2 Выделение энергии в результате изменения энтальпии при реакции

2.7.3 Выделение энергии в результате сгорания анода

2.7.4 Расчет расхода энергии на разложение глинозема

2.7.5 Расход энергии на расплавление и нагрев материалов, вводимых в электролизер

2.7.6 Потери энергии с вылитым алюминием

2.7.7 Потери энергии с газами организованного отсоса

2.7.8 Потери энергии с поверхностей электролизёра

2.8 Расчёт цеха электролиза

2.8.1 Краткие сведения об электролизном цехе

2.8.2 Расчёт количества ванн и производительности серии

3. Автоматизированная система управления производством

3.1 Производство первичного алюминия

3.2 Производство обожженных анодов

3.3 Вспомогательные производства

3.4 Контроль концентрации глинозёма

3.4.1 Процедура точечного питания, основанная на малых уменьшениях межэлектродного расстояния

3.4.2 Процедура точечного питания, основанная на непрерывном расчете наклона сопротивления

3.4.3 Регулирование процедурой питания глиноземом

3.4.4 Влияние процедур питания глиноземом на межполюсное расстояние

3.4.5 Условия для успешного точечного питания

3.5 Управление технологическим процессом

3.6 Автоматическое управление криолитовым отношением

3.6.1 Назначение автоматического контроля электролита

3.6.2 Информация, используемая для управления электролитом

3.6.3 Расчёт интервалов дозирования питателя A1F3

3.6.4 Расчёт дополнительных сопротивлений

3.6.5 Условия для оптимального управления АПФ

3.6.6 Описание алгоритма АПФ в системе «TROLL» и «Stella»

3.6.7 Анализ работы алгоритма АПФ

4. Основные решения по электроснабжению

4.1 Внешнее электроснабжение КЭЗа

4.2 Распределение электрических нагрузок

5. Охрана труда

5.1 Закон безопасности и охрана труда

5.2 Защита от ионизирующих излучений

5.2.1 Нормирование ионизирующих излучений

5.2.2 Защита от ионизирующих излучений

5.3 Анализ вредных и опасных факторов

5.3.1 Краткое описание инженерного объекта

5.3.2 Порядок проведения земляных работ

5.3.3 Опасные факторы на монтажных работах

5.3.4 Опасные факторы при эксплуатации производственного помещения

5.4 Требования пожарной безопасности при производстве цеха

5.5 Охрана окружающей среды

5.5.1 Перечень промышленных выбросов

5.5.2 Охрана воздушного бассейна

5.5.3 Охрана водоемов и почв от загрязнения сточными водами

5.6 Расчет общего воздухообмена

6. Экономика и организация производства

6.1 Обоснование экономической эффективности предлагаемого мероприятия

6.1.1 Технико-экономические показатели производства

6.1.2 Дополнительные капитальные вложения

6.1.3 Изменение выпуска продукции в результате внедрения АСУ

6.1.4Изменение себестоимости

6.1.5 Дополнительная прибыль от внедрения алгоритма

6.2 Обоснование производственной программы

6.3 Расчёт капитальных затрат

6.4 Расчет амортизационных отчислений

6.5 Расчет численности и фонда оплаты труда работников

6.5.1 Выбор графика сменности

6.5.2 Расчет численности работающих

6.5.3 Плановый баланс рабочего времени

6.5.4 Расчет фонда заработной платы рабочих

6.5.5 Фонд заработной платы служащих

6.6 Расчет себестоимости продукции

6.7 Расчёт финансовых результатов проекта

6.8 Расчёт показателей эффективности проекта

Заключение

Список используемых источников

ВВЕДЕНИЕ

элекролизер алюминий энергетический баланс

Электролиз характеризуется непрерывным изменением технологических параметров, которые влияют на технико-экономические показатели производства: выход по току, производительность, расход электроэнергии и др. В этих условиях для управления производством целесообразно использовать автоматизированную систему управления процессом. Подобные системы, основанные на научных методах управления с максимальным применением автоматических устройств, для получения, передачи и переработки информации с целью обеспечения оптимизации производственных процессов, называют автоматизированной системой управления. Алгоритм управления, реализуемый АСУТП, начинается с опроса циклически контролируемого основного параметра оптимизации. В случае отклонения этого параметра от заданного значения схемой АСУТП предусмотрен анализ причин отклонения, осуществляемый вызовом контролируемых параметров и сравнением их с допустимыми значениями. Принятие решения на основе переработки полученной информации - очередное звено процесса управления. В последнее десятилетие в различных странах построены и введены в эксплуатацию заводы, оснащённые мощными электролизёрами с обожжёнными анодами на силу тока 300 кА (типа АР-30) с общей годовой производительностью порядка 2,2 млн.т. Несмотря на достижение высоких показателей производства, научно-технический прогресс в направлении повышения как единичной мощности электролизёра, так и серии электролизёра в целом продолжается. В текущем году появилась информация о создании электролизёра на 350 кА (V-350) фирмой «Веналюм» и на 500 кА (АР-500) фирмой «Пешине». Обращает на себя внимание тот факт, что по общим техническим решениям и габаритам (например, длине ванны, количеству и размерам анодов) электролизёры АР-30 и АР-350 близки к отечественной конструкции С-255, но работают в заметно более интенсивном режиме за счёт повышения плотности тока, что обеспечивается, в основном, оптимальной конструкцией ошиновки. Длина нового мощного электролизёра АР-50 (~18 м) мало изменилась в сравнении с конструкцией АР-30 (~16 м), что свидетельствует о применении в электролизёре АР-50 более длинных анодов и расширении катодного кожуха.

Оптимальная футеровка алюминиевых электролизёров способствует достижению высоких технико-экономических показателей их работы, например, низкого расхода электроэнергии, более высокого срока службы оборудования и получения качественного металла.

Наряду с практикой повышения качества традиционных материалов, не случайно в последние годы находят широкое применение такие материалы как карбид-кремниевые плиты для бортовой футеровки электролизёров, вермикулит, силикат кальция и различные огнеупорные бетоны для футеровки катода. Так, футеровка на основе карбида кремния со связующим Si₃N₄ используется более, чем на пятидесяти алюминиевых заводах, в том числе и заводах передовых фирм, как Пешине, Алкоа, Алкан, Гидроалюминиум

Известно свыше 60 вариантов применения алюминиевыми заводами мира технологии с использованием обожженных анодов, хотя лишь немногие из них доведены или усовершенствованы до уровня, при котором они могут представлять коммерческий интерес для третьих лиц.

По мере совершенствования технологии обожженных анодов последние 50 лет происходили другие значительные изменения. Ток серии электролиза увеличился до более чем 330 кА при выходе по току 95-96 %, потребление технологической электроэнергии на уровне ниже 14 кВт·ч/кг стало нормой для наиболее продвинутых вариантов технологического процесса.

Эти позитивные изменения обусловили общее повышение эффективности алюминиевых заводов за счет снижения капитальных и операционных затрат и были обеспечены путем постепенного совершенствования конструкции электролизеров и таких сопутствующих аспектов, как:

1) Совершенствование магнитных характеристик электролизера.

Магнитное поле, обусловленное большими токами в системе шин питания, дестабилизирует слой жидкого металла в электролизере, обусловливая колебания расстояния между анодом и катодом по сечению электролизера, что приводит к снижению эффективности его работы. При качественном проектировании системы шин питания влияние магнитного поля можно минимизировать с параллельным повышением эффективности функционирования электролизера.

2) Пробойники для точечного разрушения корки электролита и питатели автоматической подачи глинозема.

Разработка точечных пробойников и питателей позволила существенно стабилизировать работу электролизера, позволив чаще и меньшими порциями вводить глинозем в электролизер и тем самым поддерживать более близкую к постоянной концентрацию глинозема в электролите. Эти устройства в сочетании с контроллерами автоматизированного управления способствовали значительному повышению стабильности и эффективности работы электролизеров в последние два десятилетия.

3) Системы автоматизированного управления электролизерами.

Современные системы автоматизированного управления непрерывно контролируют колебания напряжения на электролизере и с помощью множества встроенных в систему алгоритмов регулируют расстояние между анодом и катодом, а также периодичность подачи глинозема в ванну. Этим обеспечиваются высокая стабильность работы электролизера, повышение эффективности и сокращение числа случаев проявления анодных эффектов.

4) Усовершенствованные многоцелевые подъемные краны, применяемые для выливки металла, замены анодов и тому подобное.

Краны для обслуживания электролизеров разрабатывались в течение ряда лет и к настоящему времени превратились в сложные машины, способные выполнять многие вспомогательные операции на электролизерах, включая демонтаж и замену анодов, замену материалов, образующих защитный покровный слой ванны, вскрытие летки для выливки металла, чистку пространства для установки анодов и т.п. Это привело к сокращению численности обслуживающего персонала на сериях электролиза и к общему повышению эффективности работы предприятия.

5) Более крупные аноды улучшенного качества.

Для эффективной работы алюминиевого завода требуется снабжение высококачественными анодами с постоянными свойствами. Современные достижения в области улучшения снабжения исходными материалами в сочетании с совершенствованием процессов смешения, формования и обжига позволяют получать аноды постоянных размеров и свойств. Наряду с применением более крупных анодов в электролизерах новой конструкции нетто-расход анодной массы значительно снизился благодаря новейшим технологиям.

Другие конструкторские усовершенствования, например, разработка анодов с прорезями, которые облегчают удаление образующегося анодного газа, также способствуют повышению эффективности процесса электролиза.

6) Электролизеры более крупных размеров.

Экономические показатели нового алюминиевого завода улучшаются при использовании электролизеров более крупных размеров, т.к. уменьшается величина отношения «площади корпуса электролиза» к «площади поверхности электролизера», при этом остается неизменным оборудование для обслуживания электролизеров и управления их работой, что приводит к сокращению капитальных затрат. Операционные затраты в расчете на 1 т алюминия также снижаются.

6) Системы с жесткой синхронизацией подачи глинозема в ванну.

Внедрение систем с жесткой синхронизацией распределения глинозема привело к значительному сокращению потерь глинозема, а также к улучшению условий труда на алюминиевых заводах.

7) Усовершенствованные газоотводящие зонты электролизеров и системы сухой очистки газов.

Эти нововведения способствовали значительному сокращению выбросов в атмосферу фторисуноктого водорода, летучих органических соединений и полициклических углеводородов.

8) Катоды усовершенствованной конструкции с применением графитизированных катодных блоков и материалов на основе SiC для футеровки боковых стенок электролизера.

Эти достижения конструкторской мысли обеспечивают увеличение срока службы катодов, позволяют использовать более длинные аноды и рабочие токи большей величины.

В длительной перспективе, возможно, в ближайшие десять лет, некоторые радикальные технологические новации, находящиеся в стадии серьезного изучения, например, применение химически нейтральных анодов и смачиваемых катодов могут выйти на уровень пригодности для отрасли, однако, независимым производителям не следует надеяться, что они станут доступными в ближайшие несколько лет.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦЕХА

Строительство Павлодарского электролизного завода предусмотрено в окрестностях г. Павлодара, в северной части Казахстана. От Павлодара в юго-восточном направлении завод отделяет расстояние в 13,5 километров. Рядом с выбранной площадкой на расстоянии 10 км находится завод по производству глинозема АО «Алюминий Казахстана» с годовой производительностью 1,46 млн. тонн.

Источник электроснабжения - Аксуская теплоэлектростанция, расположенная в 27 км к западу от Павлодара.

Ближайшая станция существующей железнодорожной сети - Павлодар-Южный на расстоянии 12 км от площадки строительства.

Средний уровень состояния атмосферы по г. Павлодару за последние 5 лет по содержанию примесей загрязняющих веществ изменяется незначительно и находится в допустимых пределах.

Основными источниками водоснабжения в Павлодарской области являются река Иртыш, которая в пределах области не принимает ни одного существенного притока и имеет длину 720 км, канал «Иртыш-Караганда», малые реки и подземные источники. Водоснабжение проектируемого завода предполагается осуществлять из подземных источников.

Основной источник рабочей силы проектируемого завода - город Павлодар. В г. Павлодаре сформированы довольно высокие показатели условий проживания населения. Жилищный фонд г. Павлодара (по данным Павлодарского управления статистики) по состоянию на 01.01.2001 г. составляет 6592,9 тыс.м² (по Павлодарской области 16009 тыс.м²). На одного жителя г. Павлодара приходится 22,7 м² жилой площади, что на 9,2% выше республиканского показателя. Кроме того, необходимо отметить высокий уровень обеспеченности жителей г. Павлодара благоустроенным жильем.

Производительность проектируемого завода при выходе на проектную мощность должна составить 200 000 т/год. Ввод завода в эксплуатацию предусмотрен в два этапа, мощностью 125 тыс. тонн в год каждый.

1.1 Потребности в топливе, воде, тепловой и электрической энергии, вторичных энергоресурсах

В районе Павлодара нет своего природного газа. Имеется сжиженный попутный газ, который можно привозить по железной дороге. Однако, это дорого, и поэтому его использование на новом алюминиевом заводе будет ограничено специальными применениями, такими как предварительный подогрев ковшей и формы литейной машины.

В качестве основного обогревающего топлива будет использоваться бессернистый мазут со следующими характеристиками:

Теплотворная способность

39008,9 Дж / кг (минимальная)

42779,9Дж / кг (максимальная)

Удельный вес максимум 1,015 кг / литр при 20 °C

Содержание серы 0,3 мг / м³

Для обслуживания печи для обжига, котельной установки парового отопления и литейных поворотных миксеров (вторая очередь строительства) будет построена полная система разгрузки и распределения жидкого топлива. Разгрузочная станция будет включать в себя установку для высокотемпературных материалов (HTM), нагревающую мазут до состояния свободной текучести. Гибкий шланг установки HTM по очереди присунокоединяется ко всем железнодорожным цистернам, и после того, как топливо нагреется в достаточной степени, его перекачивают из цистерн в один из трех наливных резервуаров для хранения жидкого топлива вместимостью 400 м³ каждый. Для этого используется пара рабочих/резервных электрических насосов.

Годовая потребность завода в мазуте оценивается в 10 тыс. т.

Система сжатого воздуха является важнейшей инженерной коммуникацией для алюминиевого завода, электролизеров, работа которых зависит от бесперебойной подачи чистого воздуха без примеси масла. Любые продолжительные перерывы в подаче сжатого воздуха будут иметь тяжелые последствия, и поэтому система сжатого воздуха должна иметь высокий уровень отказоустойчивости, с обеспечением достаточной степени резервирования, с тем, чтобы гарантировать постоянную бесперебойную подачу воздуха.

Павлодарский электролизный завод будет снабжен специально построенной установкой сжатого воздуха, которая будет состоять из центробежных воздушных компрессорных агрегатов (рабочих и резервных), каждый их которых рассчитан на обеспечение максимальной производительности при номинальном манометрическом давлении на выходе из компрессора, равном 10 атм.. Компрессоры будут размещаться в здании центральной компрессорной станции, расположенной в непосредственной близости от серии электролизеров, и будут оборудованы воздушными сушилками влагопоглощающего или холодильного типа.

В здании будет предусмотрено место для установки дополнительных агрегатов, которые будут обслуживать всю серию электролизеров второй очереди. Средняя суммарная потребность предприятия в сжатом воздухе составит 58380 м³/час, а максимальная - в 59160 м³/час.

Сжатый воздух будет подаваться по трубам через кольцевую магистраль, работающую, номинальное манометрическое рабочее давление в которой составляет 8 атм. на всех участках.

Водоснабжение завода предусматривается от сети подземных скважин располагаемых на территории прилегающей к северной стороне завода. Расположение водозабора исключает возможность химического и бактериального загрязнения подземного источника. Количество скважин - 8 шт. с суммарным дебитом 85,95 л/сек и глубиной 450…600 м. Качество воды источника водоснабжения удовлетворяет требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».

Потребность завода в воде из источника водоснабжения составляет 3806 м³/сут. Объем водопотребления питьевого качества составляет 632,4 м³/сут. Вода из источника водоснабжения подается на очистные сооружения (ВОС). Производственное водоснабжение завода осуществляется по оборотной схеме. Свежая вода из источника используется на подпитку узлов водооборота, восполнение потерь в технологии, на противопожарные нужды и полив территории. Потребность завода в свежей производственной воде составляет 3173,6 м³/сут. Общая потребность завода в оборотной воде составляет 69048 м³/сут.

Потребление электроэнергии Павлодарским электролизным заводом для производства 300 000 тонн алюминия в год, включая участок производства анодов и вспомогательные производственные мощности, оценивается следующим образом (таблица 1.1)

Таблица 1.1 - Потребление электроэнергии Павлодарским электролизным заводом для производства 300 000 тонн алюминия в год

Участок	Потребляемая мощность
Средняя нагрузка, требуемая для электролиза	~582,75 МВт
Максимальная нагрузка, требуемая для электролиза	~607,8 МВт
Дополнительная силовая нагрузка	~88,9 МВт
Максимальная нагрузка, требуемая для всего завода	~696,75 МВт
Годовое потребление электроэнергии	~5606,25 ГВт-ч

1.2 Отходы производства

Проектом Павлодарского электролизного завода предусмотрено образование отходов производства и потребления на следующих объектах:

- электролизный цех (ЭЦ);

- цех обожженных анодов (ЦОА);

- анодно-монтажное отделение (АМО);

- литейное отделение (ЛО);

- отделение капитального ремонта (ОКР);

- блок вспомогательных отделений (БВО);

- энерго цех (ЭЦ);

- административно-бытовой комплекс (АБК).

К категории отходов производства на Павлодарском электролизном заводе относятся:

- отработанная огнеупорная футеровка электролизеров, миксеров и ковшей;

- алюминиевый лом в виде застывших «козлов»;

- угольная пыль отделения «зеленых» анодов.

При периодичном сборе отходов используются промышленные пылесосы (глиноземная и угольная пыль) либо сбор отходов осуществляется вручную (кирпичный бой, «козлы» алюминиевые).

Отходы производства в полном объеме возвращаются в производственный процесс:

- угольная пыль отделения обжига зеленых анодов возвращается в строго дозированных количествах в дозаторы шихты в цехе обожженных анодов;

- отработанная огнеупорная футеровка электролизеров, миксеров и ковшей после дробления в конусных дробилках и шаровых мельницах превращается в огнеупорную засыпку, добавляемую в насыпной слой огнеупорной футеровки электролизеров;

- алюминиевый лом («козлы») разрезаются на отдельные куски с помощью газо-резательных устройств и периодически загружаются в электролизеры.

Таким образом, по категории «отходы производства» на Павлодарском электролизном заводе предусматривается полностью замкнутый цикл утилизации отходов.

К категории «отходов потребления», получаемых на Павлодарском электролизном заводе, относятся:

- отработанная футеровка катодных устройств электролизеров (угольная и огнеупорная);

- шлаки литейного производства (шлаки с литейных ковшей, миксеров, литейных машин);

- отработанная футеровка литейных ковшей и миксеров;

- отработанная огнеупорная футеровка камерных печей обжига анодов;

- осадки застывшего пека в виде кусков;

- бой обожженных анодов из анодно-монтажного отделения;

- бой угольной футеровки отделения капитального ремонта;

- лом цветных металлов со всех производств завода;

- лом черных металлов со всех производств завода;

- застывший электролит (куски) цеха электролиза;

- огарки обожженных анодов цеха электролиза;

- отработанные масла (нефтепродукты) энергоцеха и транспортных подразделений.

Нормативный объем образования твердых отходов производства и потребления по Павлодарскому электролизному заводу составляет 72411,8 тонн в год. Из данного объема 54951,3 тонны (76 %) используются на собственном предприятии, а 17460,5 тонн (24 %) передаются для потребления на другие предприятия.

Всего на Павлодарском электролизном заводе, согласно проектным решениям, предусмотрено для временного размещения отходов (ВРО) - 67211,8 тонн в год. Норматив предельного накопления твердых отходов на территории Павлодарского электролизного завода составляет 118027,5 тонн, т.е. на 43,1 % больше, чем объем отходов предусмотренный для временного хранения.

К категории отходов производства относятся 2150 тонн, а отходов потребления - 70261,8 тонн. Весь объем отходов производства используется на собственном предприятии. Из отходов потребления 17460,5 тонн (25 %) используется на специализированных предприятиях, а 52801,3 тонны (75 %) используется на собственном предприятии.

Из отходов потребления 257,9 тонны (0,37 %) предназначено для отправки для захоронения на другие предприятия, а 70261,8 тонн перед использованием временно размещается на территории предприятия.

Из отходов потребления к I классу опасности относятся только отходы от люминесцентных ламп (1,9 т).

К 3 классу опасности относится 5035,8 тонны, которые целиком перерабатываются на собственном предприятии.

К 4 классу опасности относится 37541,5 тонн, из которых 27454 т (73 %) используется на собственном предприятии, а 10091,5 т (27 %) используется на специализированных предприятиях.

На производимый Павлодарским электролизным заводом объем продукции, равный 200 тысяч тонн первичного алюминия в год, приходится всего 72411,8 тонн твердых отходов производства и потребления, то есть 36 %. Объем твердых отходов подлежащий захоронению составляет 257,9 тонны, то есть 0,1 % от общего объема полезного производства.

Объем твердых отходов производства, предназначен для использования в цикле производства в качестве сырьевых материалов, составляет 2150 тонн, то есть 0,8 % от объема производства.

1.3 Технический уровень выпускаемой продукции

При выходе на полную проектную мощность и освоении гарантируемых технологических параметров объем производства Павлодарского электролизного завода достигнет 300 000 тонн первичного алюминия в год. Весь объем произведенного первичного алюминия, благодаря современной технологии и конструкции применяемых электролизеров с обожженными анодами на силу тока 320 кА, будет относиться к категории высшего качества с содержанием основного компонента алюминия 99,7…99,8%. Технический уровень выпускаемого первичного алюминия отражается уровнем котировок цен на Лондонской бирже металлов. Для первичного алюминия с содержанием 99,7…99,8% основного компонента устанавливается максимальное значение котировок.

Таблица 1.2 - Обозначение марок первичного алюминия по стандартам различных стран

содержание алюминия	Германия	Германия	Евросоюз	Евросоюз	Франция
%	DIN 1712_3	DIN 17007_4	Chem ENAW	EN_AW
99,7	Al99,7	3.0275	Al997	1070A	A7
99,8	Al99,8	3.02285	Al998	1080A	A8

Окончание таблицы 1.2

Италия	Швеция	Канада	Япония	Россия	Казахстан
4508	4005	9970	А1х0	А7	А7
4509	404	9980	A1xS	A8	A8

Диапазон изменения марок первичного алюминия равный 99,7…99,8 % определяется тем, что в определенные периоды на Павлодарском электролизом заводе будут осуществляться плановые и внеплановые капитальные ремонты электролизеров. Регламентом после пускового периода предусматривается получение в течение 10…15 дней первичного алюминия с содержанием основного компонента 99,0…99,6 %. Ввиду того, что капитальные ремонты осуществляются редко, то металл низких марок (А0…А6) разбавляется в литейном отделении маркой А8 до марки А7. Таким образом, получаются незначительные количества первичного алюминия марки А7. В результате нехарактерных для современных заводов нарушений в технологии обслуживания или качестве поступающего сырья и материалов, возможны непродолжительные периоды снижения сортности первичного алюминия, однако в общем объеме производства поддерживается уровень сортности не ниже А7.

1.4 Сырьевая база предприятия

Обеспечение глиноземом предусматривается с близ расположенного глиноземного завода ОАО "Алюминий Казахстана", который в настоящее время имеет производительность 1,2 млн. т/год и располагается на окраине города. Поставка фторисуноктых солей, кокса нефтяного, пека каменноугольного и прочих сырьевых ресурсов предусматривается с предприятий Российской Федерации, КНР и Республики Казахстан.

Глинозем (оксид алюминия) является исходным материалом, из которого путем электролиза получают металлический алюминий. Для получения 1 т алюминия требуется 1,93 т глинозема. Перед подачей на электролиз глинозем используется в качестве адсорбирующего компонента для сухой очистки дымовых газов благодаря способности глинозема адсорбировать фторисуноктые соединения. Первичный глинозем проходит через газоочистные установки обоих корпусов электролиза и печи для обжига анодов, насыщаясь фторсодержащими составляющими из удаляемых газов, перед его загрузкой в электролизеры в качестве «вторичного» или «обогащенного» глинозема.

Качество глинозема должно соответствовать данным таблицы 1.3

Таблица 1.3 - Основные характеристики глинозема

Наименование	Показатели (по данным за 2000г.)
Содержание - Al2O3, не более, %	35
Содержание примесей, не более, %:
Na2O	0,5
SiO2	0,02
Fe2O3	0,03
TiO2	0,005
V2O5	0,003
P2O5	0,003
ZnO	0,005
Потери при прокаливании, %, не более	0,48-0,52
Удельная поверхность, м2/г, не менее	35
Угол естественного откоса, град	33
Содержание фракции -325 меш, %, не более	12

Годовая потребность Павлодарского электролизного завода в глиноземе составит после реализации I этапа строительства 243,1 тыс. тонн, после реализации II этапа строительства 482,5 тыс. тонн.

Прокаленный нефтяной кокс (кокс) является сухой составляющей (около

71 %) угольных анодов. Годовой расход нефтяного кокса составляет около 97120 т. На алюминиевый завод кокс доставляется по железной дороге в 70-т вагонах с донной разгрузкой; обычная ежемесячная партия кокса умещается в 120 вагонах.

Кокс должен иметь следующие характеристики:

Влагосодержание0,3 % (макс.)

Летучие 0,5 % (макс.)

Зольность 0,45 % (макс.)

Железо 350 ppm (макс.)

Кремний 350 ppm (макс.)

Никель 100 ppm (макс.)

Ванадий 200 ppm (макс.)

Сера 2 % (макс.)

Натрий + Кальций 200 ppm (макс.)

Фактическая плотность 2,05-2,10 г/смі

Кажущаяся плотность >1,70 г/смі

Насыпная плотность >0,8 г/смі

Электр. сопротивление <400 мкОм

Типовой ситовый анализ:

Фракция -20 мм +6,5 мм45~50 %

Фракция -6,5 мм +1,5 мм35~40 %

Фракция -1,5 мм 15 %

Кокс потребуется на заводе после ввода в эксплуатацию цеха обожженных анодов, т.е. после II этапа строительства. Годовая потребность в коксе составит 95,4 тыс. тонн.

Каменноугольный пек, содержание которого в аноде составляет 15 %, является связующим. После выгорания летучих в процессе обжига анодов пек становится для кокса связующим, и при качественном управлении процессом аноды получаются однородными по структуре.

Жидкий пек должен иметь следующие характеристики:

Точка размягчения (R & B)105-113 °C

Коксовое число 54 % (мин.)

QI 7-12 %

BI 30-37 %

-смола 20-24 %

Удельная плотность 1,15-1,30 г/смі

Зольность 0,5 % (макс.)

Влагосодержание 0,5 % (макс.)

Натрий 400 ppm (макс.)

Железо 200 ppm (макс.)

Сера 0,7 % (макс.)

Вязкость(140 °C) 2Ч104 сПуаз

(160 °C) 3Ч103 сПуаз

Так же, как и кокс, пек потребуется на заводе после ввода в эксплуатацию цеха обожженных анодов, т.е. после II этапа строительства. Годовая потребность в пеке составит 24 тыс. тонн.

Фтористый алюминий необходим для поддержания требуемого химического состава электролита. Требования к качеству фтористого алюминия следующие:

Содержание Al, %, не менее30

Содержание F, %, не менее61

Содержание примесей, не более, %:

Na 0,5

SiO₂+Fe₂O₃ 0,38

SO₄ 0,5

P₂O₅ 0,04

Фторид алюминия доставляется на алюминиевый завод по железной дороге в контейнерах или мешках.

Годовая потребность во фтористом алюминии составит после I этапа - 2,7 тыс. тонн, после II этапа - 5,4 тыс. тонн.

На этапе I алюминиевый завод использует привозные аноды. Размеры и физические свойства обожженных анодов:

Размеры обожженного анодного блока

- Длина 1600 мм

- Ширина 700 мм

- Высота 550 мм

Вес обожженного блока 872±10 кг

Сопротивление сжатию 32 МПа

Удельное электрическое сопротивление50…55Ч10^-4 Ом·см

Содержание золы, не более 0,5 %

Потери на окисление в токе СО 45 мг/см²·ч

Плотность истинная, не менее 2 г/см³

Плотностькажущаяся, не менее 1,55 г/см³

Аноды доставляются по железной дороге в контейнерах на платформах.

Годовая потребность завода в обожженных анодах после реализации I этапа строительства - 68,1 тыс. тонн.

1.5 Технологический процесс электролиза алюминия

Технологический процесс электролиза алюминия включает в себя следующие элементы. Корпус электролиза, складирование подача и распределение глинозема, укладка и замена футеровки, универсальный технологический кран, литейная, компьютерная система управления и т.д. Подробнее технологический процесс электролиза алюминия представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Технологический процесс электролиза алюминия

1.5.1 Принципиальная схема технологического процесса производства первичного алюминия

Основой технологического процесса получения первичного алюминия на Павлодарском электролизном заводе является электролиз криолитоглиноземного расплава.

Электролиз осуществляется в электролизерах.

Электролизер состоит из катодного и анодного устройств.

Катодное устройство представляет собой металлический кожух, футерованный угольными подовыми и бортовыми блоками

Сверху в электролизере подвешиваются обожженные аноды, которые закрепляются на анодном устройстве.

Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную при температуре приблизительно 1100 °C смесь кокса и пекового связующего. Катодом служит расплавленный алюминий.

Электролит представляет собой расплавленный криолит (Na₃AlF₆) с небольшим избытком AlF₃, в котором растворен глинозем (Al₂O₃). Электролиз ведут при переменных концентрациях глинозема приблизительно от 1 до 8 % масс. Температура процесса близка к температуре плавления этой смеси и составляет 950-960 °С. Расплавленный алюминий при температуре электролиза тяжелее электролита и находится на подине электролизера.

По существу, электролит не расходуется во время электролиза, но определенные потери все-таки происходят, в основном из-за испарения.

Электролит в современных электролизерах обычно содержит следующие компоненты:

- от 6 до 13 % (по весу) фторида алюминия (AlF₃).

- от 4 до 6 % (по весу) фторида кальция (CaF₂).

- от 2 до 4 % (по весу) глинозема (Al₂O₃).

Глубина слоя электролита в электролизере не изменяется сколько-нибудь значительно, и обычно равна примерно 20 см. Межполюсное расстояние, другими словами, расстояние по вертикали между нижней частью анода и поверхностью слоя жидкого металла обычно составляет от 4 до 5 см. Таким образом, помимо своих основных функций быть растворителем для глинозема и способствовать его электролитическому разложению с образованием алюминия, электролит обеспечивает физическое разделение между образующимся на катоде металлическим алюминием и выделяющимся на аноде газообразным диоксидом углерода.

Важно поддерживать концентрацию глинозема (Al₂O₃) в электролите на уровне от 2 до 4 % по массе. Слишком низкая концентрация глинозема, вызванная недостаточной его загрузкой, может привести к анодному эффекту, который нарушает нормальное течение процесса электролиза, вызывая рост напряжения в электролизере. В этом случае происходит электролитическое разложение фтористых соединений электролита, и под анодом образуется электроизолирующий слой газа, который увеличивает электрическое сопротивление и, следовательно, напряжение в электролизере. Последствиями анодного эффекта являются значительные нарушения теплового баланса в электролизере, увеличение фтористых выбросов, снижение коэффициента использования тока и электроэнергии.

Процесс, протекающий в электролизере, состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите. Глинозем расходуется, поэтому его необходимо непрерывно подавать в питающие бункеры электролизеров, для чего используется жестко синхронизированная система конвейерного транспорта. Затем глинозем через питатели точечной подачи, входящие в состав металлоконструкции электролизеров, поступает в электролит. Когда система управления устанавливает, что в электролизер необходимо ввести порцию глинозема, вниз опускается пробойник, который разрушает корку ванны, после чего открывается заслонка и в электролизер поступает дозированное количество глинозема.

На жидком алюминиевом катоде выделяется алюминий, который периодически из-под слоя расплава в ванне выливается сифонным методом в ковш с огнеупорной футеровкой для последующей доставки металла в литейное отделение на разливку или в миксер.

На аноде происходит окисление углерода выделяющимся кислородом. Отходящий анодный газ представляет собой смесь СО₂ и СО. Вследствие этого анодные блоки расходуются. По мере расходования анодов в процессе восстановления глинозема траверса с анодами постепенно опускается к ванне, пока не будет достигнута предельная точка хода траверсы. Время от времени необходимо перемещать траверсу вверх с помощью устройства, называемого подъемным механизмом.

Электролизер работает при температуре около 960 °C, и при такой температуре углерод в присутствии воздуха выгорает с образованием двуокиси. Для предотвращения выгорания важно защитить от контакта с воздухом верхние части анодов, не погруженные в электролит. Машина для обслуживания электролизеров наносит сверху на аноды слой смеси глинозема и материалов, образующих расплав в ванне. Машина для обслуживания электролизеров выполняет также функции разрушения корки на поверхности ванны, замены анодов, вскрытия летки для выливки расплавленного металла, заполнения бункеров фторида алюминия и загрузки в электролизер материалов, образующих покровный слой в ванне.

Предварительно обожженные аноды должны заменяться с равными интервалами, как правило, через 22-26 дней, когда они срабатываются до одной третьей или одной четвертой части своего исходного размера. То, что осталось от анодов, называют «огарками» и удаляют из корпуса электролиза. Их перевозят в анодно-монтажное отделение, где они остывают, после чего огарки подвергают очистке для удаления остатков налипшего электролита. После этого очищенные огарки дробят и повторно используют в качестве сырья для изготовления новых анодов. Оборотный электролит используется в корпусах электролиза для формирования защитного слоя на анодах при выполнении операций обслуживания электролизеров.

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением

Al₂O₃ + xC = 2Al + (2x - 3)CO + (3 - x)CO₂.

Таким образом, теоретически на процесс электролиза расходуется только глинозем и углерод анода, а также электроэнергия, необходимая не только для осуществления электролитического процесса - разложения глинозема, но и для поддержания высокой рабочей температуры. Практически расходуется и некоторое количество фтористых солей, которые испаряются и впитываются в футеровку. Для поддержания требуемого состава электролита в электролизер необходимо периодически вводить фторид алюминия.

Электролизеры снабжены укрытиями, отводящими отходящие газы, и системой очистки. Это снижает выделение вредных веществ в атмосферу. Технологический процесс требует, чтобы укрытие было герметично для обеспечения отсоса газа в коллектор с помощью вентиляторов. В удаляемых газах от электролизеров содержатся диоксид углерода, азот, кислород, газообразные и твердые фториды и частицы глиноземной пыли. Для их удаления и возвращения в процесс применяется система сухой газоочистки.

При сухом способе газоочистки 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 при газоочистке не образуется.

Получаемый в электролизере алюминий - сырец транспортируется в литейное отделение, где разливается в чушки весом 20 кг. Сама продукция называется первичный алюминий.

Изымаемые из электролизеров анодные огарки (остатки анодов после электролиза) направляются в анодно-монтажное отделение, где от них отделяют оборотный электролит.

Оборотный электролит после очистки и дробления возвращается в электролизеры. Угольные дробленые анодные огарки возвращаются в цех обожженных анодов для повторного использования при изготовлении обожженных анодных блоков.

Отходящие из электролизера газы направляются в сухую газоочистку. Очищенный газ выбрасывается в атмосферу, а извлеченные из него фтористые соли, которые адсорбировались на глиноземе, вместе с ним подаются обратно в электролизеры.

В качестве исходного сырья в электролизеры подаются фтористые соли, глинозем. В процессе электролиза расходуются обожженные аноды и электроэнергия.

1.6 Устройство электролизёра

Устройство электролизера. Электролизер включает следующие основные блоки: катодное устройство, где протекает электролиз; анодный узел, где на подошве угольного анода происходит выделение анодных газов (реакция: 2О^2- - 4е + С = СО₂); систему подвода тока (ошиновка); систему газоотсоса (рисунок 1.3).

Катодное устройство размещается в стальном кожухе длиной 9-14 м, шириной 3-4,5 м и высотой 1-1,2 м. Кожух футеруется теплоизоляционными и затем огнеупорными материалами. Внутренняя часть катодного устройства выкладывается угольными блоками. Заделанные в нижние (подовые) блоки стальные стержни служат для отвода тока.

Анодный узел включает собственно угольный анод (со стальной рубашкой для анода Содерберга) и систему сталеалюминиевых токоподводов. Постоянное напряжение поддерживается за счет перемещения анода домкратами, опускающими или поднимающими анодную раму, к которой зажимами крепятся анодные токоподводы.

В общую цепь (серию) последовательно включается 150 - 200 электролизеров, которые соединяются ошиновкой. Напряжение на ванне в зависимости от типа и конструкции меняется от 3,9 до 4,5 В.

Ряд заводов разрабатывают меры, направленные на повышение конкурентоспособности и экологической состоятельности электролизёров ВТ. В их числе:

1. Укрытие верха анода;

2. Система точечного питания;

3. Реконструкция ошиновки;

4. Усовершенствование компьютерного управления;

5. Перепроектирование катода;

6. Использование солей лития;

7. Переход на технологию «сухого» анода;

8. Применение систем сухой газоочистки.

Рассматривая совершенствование конструкции алюминиевых электролизеров за весь период развития алюминиевой промышленности, можно сделать основной вывод, что доминирующим на всех его этапах является рост единичной мощности электролизера и одновременно сокращение трудовых затрат на его обслуживание, снижение расхода электроэнергии, улучшении условий труда и уменьшение вредных промышленных выбросов в окружающую среду. Все это становится возможным, проектируя электролизеры с предварительно обожженными анодами большей мощности. Эти электролизеры обладают лучшими показателями работы по сравнению с ваннами, имеющими анод Содерберга. Они более экологичны, имеют меньшие затратные коэффициенты и большее поле для маневра (оснащение различными типами АПГ, автоматизация процесса). В мировой промышленности 70 % всего получаемого алюминия способом Эру-Холла производят в электролизерах этого типа.

1.6.1 Состав и обоснование применяемого оборудования

Производство первичного алюминия осуществляется на электролизерах, расположенных в корпусах электролиза.

Проект Павлодарского электролизного завода предусматривает строительство двух корпусов электролиза шириной 27 м и длиной 1043 м, объединенных в одну серию электролиза. Количество установленных в серии электролизеров равно 288 шт.

Первая очередь строительства включает ввод в эксплуатацию двух полукорпусов длиной 525 м каждый с установленными в них 144 электролизерами.

Электролизеры с обожженными анодами на силу тока 320 кА являются основным видом оборудования проектируемого Павлодарского электролизного завода.

Рисунок 1.3 - Устройство электролизера с обоженными анодами

1-стальной катодный кожух; 2-засыпка днища; 3-диатомитовые кирпичи; 4-шамотные кирпичи; 5-шамотные кирпичи на цементе; 6-подушка из глинозема;7-угольные подовые блоки; 8-жаростойкий бетон; 9-подовая масса; 10-катодный стержень; 11-угольные бортовые блоки; 12-гарнисаж; 13-расплавленный алюминий; 14-электролит; 15-корка; 16-глинозем; 17-катодная ошиновка; 18- колокол; 19-стальной анодный кожух; 20-анодная масса; 21- сталеалюминевый штырь; 22-анодная ошиновка; 23-штанга; 24-анодная шина; 25-анодное укрытие.

Конструкция электролизера на силу тока 320 кА, технология его сборки, обжига, пуска и эксплуатации разработаны китайским институтом GAMI, расположенном в г. Гуйян. Конструкция электролизера состоит из катодного и анодного устройства.

Катодное устройство состоит из металлоконструкции катодного кожуха шпангоутного типа, огнеупорной и угольной футеровок. Внутренние габариты металлоконструкции катодного кожуха - 4180х16130 мм. Толщина стенок обечайки составляет 20 мм. К обечайке приварено 26 шпангоутов. В нижней части обечайки имеется угловой скос для снижения концентрации напряжений на углах шпангоутов.

Между шпангоутами расположены по два окна для выхода блюмсов от двухпазовых подовых блоков. Размеры подовых угольных блоков 450х515х3420 мм. Сечение блюмсов 50х180 мм, их закрепление в пазу осуществляется с помощью заливки чугуном. Количество подовых блоков - 27 штук. Глубина шахты катодного устройства - 550 мм.

Огнеупорная футеровка состоит из одного слоя плит из силиката кальция толщиной 66 мм, двух слоев высококремнеземистого и высокоглиноземистого кирпичей толщиной по 65 мм каждый, и насыпного слоя из сухой барьерной смеси толщиной 185 мм. Сухая барьерная смесь позволяет облегчить выравнивание верхней поверхности подовых блоков Она также служит барьерным слоем для криолитоглиноземного расплава. В результате взаимодействия сухой барьерной смеси с компонентами криолитоглиноземного расплава, проникающими через неплотности в швах и трещины в подовых блоках, образуются тугоплавкие соединения типа альбит и нефелин, которые и служат барьерным слоем для дальнейшего проникновения расплава.

Подовые блоки сплошные и швы между подовыми блоками набиваются холоднонабивной подовой массой.

Бортовая футеровка состоит из графитовых угольных блоков толщиной 120 мм. Сверху футеровка закрыта карбидкремниевыми плитами толщиной 120 мм

По продольным сторонам от уровня сухой барьерной смеси до верхней кромки подовых блоков установлены компенсаторы из плит на основе полулегковесного огнеупора. Колодец между бортовыми угольными блоками заполнен по продольным сторонам высокоплотным бетоном, а в торцах - угольными вставками. Поверх бетона и угольных вставок производится набойка холоднонабивной подовой массой с таким расчетом, чтобы она в виде откоса доходила до карбидкремниевой вставки. Верхняя часть металлоконструкции шпангоутного кожуха имеет составной пояс. Он опоясывает весь периметр металлоконструкции кожуха и болтами крепится фланцем к основной части кожуха. Данный пояс усиливает прочностные характеристики катодного устройства и облегчает демонтаж футеровки при выходе электролизера на капитальный ремонт.