Технология получения первичного алюминия и роль криолита в процессе электролиза.

     Содержание
Введение	4
Глава 1. Аналитический обзор	9
1.1	Технология получения первичного алюминия и роль криолита в процессе электролиза	9
1.1.1 Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов	9
1.1.2 Электрохимический эквивалент	10
1.1.3 Выход по току	10
1.1.4 Состав электролита	11
1.1.5 Электролиз	11
1.1.6 Аппараты для получения алюминия.	12
1.2 Образование твердых и газообразных отходов электролизного производства.	14
1.2.1 Виды углефторсодержащих отходов и пути их образования.	14
1.2.2 Угольная пена	17
1.2.3 Пыль электрофильтров	22
1.2.4 Шлам газоочистки	24
1.3 Подготовка углефторсодержащих отходов к переработке	25
1.3.1 Измельчение и классификация исходного сырья	25
1.3.1.1 Измельчение исходного сырья в шаровой мельнице.	25
1.3.1.2 Гидравлическая классификация.	27
1.3.2 Сгущение, фильтрация и обезвоживание мелкодисперсных материалов.	27
1.3.2 Сушка	29
Глава 2. Проектная часть	30
2.1 Процесс получения вторичного криолита из твердых отходов производства алюминия БрАЗа	30
2.1.1  Подготовка угольной пены к процессу флотации	30
2.1.2 Процесс флотации угольной пены в механической флотомашине	31
2.1.3 Сгущение флотационного криолита	32
2.1.4  Фильтрация вторичного криолита	32
2.1.5 Сушка вторичного криолита	33


2.1.6 Очистка отходящих газов от узла сушки	33
2.1.7 Отгрузка готовой продукции	33
2.1.8 Управление технологическим процессом	34
Глава 3. Расчет основного технологического оборудования для производства флотационного криолита из угольной пены	37
3.1 Расчет водного баланса схемы флотации и количества флотомашин для условия полной переработки фторуглеродного вторичного сырья	37
3.2 Расчет количества камер флотоустановки	40
3.3 Расчет производства флотокриолита из фторуглеродного 	техногенного сырья	40
3.4 Выбор и расчет основного оборудования	41
3.4.1Расчёт мельницы	41
3.4.3 Расчет оборудования для сгущения	43
3.4.5 Выбор и расчет оборудования сушки	45
    Глава 4. Автоматизация технологических процессов			  47
4.1. Сгуститель как объект управления	47
4.2. Стабилизация процесса сгущения	47
Глава 5. Безопасность жизнедеятельности	50
5.1. Анализ вредных и опасных факторов в цехе ПФС	50
5.2. Производственная санитария	52
5.2.1. Вентиляция	53
5.2.2. Освещение	55
5.2.3. Мероприятия по борьбе с шумом и вибрацией	55
5.2.4. Санитарно-бытовое обслуживание	56
5.3. Техника безопасности	56
5.3.1. Электробезопасность	57
5.3.2. Противопожарная профилактика	58
5.4. Безопасность в чрезвычайных ситуациях	59
Глава 6. Организационно-экономическая часть	60
6.1. Капитальные вложения	60
6.2. Расчет эксплуатационных затрат	61
6.2.1 Затраты по сырью и основным материалам	61
6.2.2.Расчет  по теплоэнергетическим затратам	62
6.2.3. Расчет фонда заработной платы	62
6.2.4. Расчет амортизационного фонда.	67
6.3. Расчет технико-экономических показателей.	68
6.3.1 Прибыль и рентабельность	68
6.3.3. Основные технико-экономические показатели цеха ПФС.	69
Заключение	70
Список использованной литературы	71
Приложение 1	73
Приложение 2	74
 
    
ВВЕДЕНИЕ
    Металлургия – одна из важнейших базовых отраслей российской и мировой промышленности. Значимое место в ней занимает металлургия легких металлов и сплавов (алюминий, магний, титан, кремний и т.д.), без которых сегодня немыслим научно-технический прогресс в освоении космоса, авиа-, автомобиле- и судостроении, в различных отраслях машиностроения, химии, строительстве, в быту.
    Главную роль среди металлургии лёгких металлов занимает алюминиевая отрасль.
    По масштабам производства алюминия Россия занимает первое место в мире после Китая, так, например,. в 2015 году доля России в мировом в производстве алюминия составляла 12%.
    Сегодня алюминий занимает  лидирующее положение в мире среди конструкционных материалов и данная ситуация сохранится в будущем, подтверждением этого служат:
     уникальные свойства алюминия;
     применение в новых технологиях, упаковка пищевых продуктов;
     алюминиевый автомобиль;
     обеспеченность качественным сырьем на долгосрочную перспективу;
     возможность значительного снижения издержек его производства.
    Преимущества алюминия перед другими конструкционными материалами выражаются в следующем:
     сравнительно низкий для металлов удельный вес;
     высокая коррозионная стойкость;
     легкость формования и обработки;
     способность к стопроцентной вторичной переработке (при этом экономия энергии 95%);
     огнестойкость и высокая электропроводность;
     стойкость к низким температурам (при низких температурах он обладает даже более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью).
    Конструкции из алюминия требуют более низких затрат в течение срока службы и практически не требуют ремонта. Обладая хорошей гибкостью, алюминиевые конструкции эффективно несут нагрузки и значительно снижают затраты на сооружение фундаментов и опор. Это позволяет в сжатые сроки производить модернизацию строительных сооружений, мостов, путепроводов и т.п.
    
    
    Во всех видах транспорта присутствие алюминия обеспечивает повышение скорости и безопасности движения, экономию энергии. Применение алюминия в транспорте и тароупаковке, быту и т.п. и практически полная возможность его рециркуляции способствуют улучшению экологии окружающей среды.
    Расширение потребления алюминия будет зависеть от глобальных мировых процессов развития экономики и покупательского спроса населения, в то же время уникальные качества делают его конструкционным материалом для высоких технологий, отсюда – металлом для будущих поколений.
    В мировой экономике идет процесс глобализации, вызванный жесткой конкуренцией на насыщенных региональных рынках, а также возможностью расширения рынков сбыта в других регионах мира.
    Глобализация способствует снятию торговых барьеров, расширению рынка капиталов, расширению рамок ВТО.
    В рамках глобализации мировой экономики идет процесс создания в алюминиевой промышленности мира крупных интегрированных структур с полным технологическим циклом – от боксита до изделия. Март 2007 года ознаменовался созданием такой компании в России, ставшей крупнейшим производителем алюминия и глинозема в мире.
    На долю ОК РУСАЛ приходится:
     4,2 млн. т алюминия в год; 11,3 млн.;
     11,3 млн. т глинозема в год;
     12% мирового рынка алюминия;
     15% мирового производства глинозема.
    Алюминиевая промышленность России оказалась хорошо подготовленной к вхождению в мировой рынок. И на сегодняшний день она остаётся одной из наиболее конкурентоспособных российских отраслей промышленности на мировом рынке, играя важную роль в экономике страны в целом.
    Положение российской алюминиевой промышленности на мировом рынке определяется ее следующими особенностями:
     сравнительно недорогая электроэнергия гидроэлектростанций (в т.ч. таких крупнейших в мире как Братская, Саянская, Красноярская, Усть-илимская и др.), а также расположение электролизных производств вблизи крупных гидроэлектростанций. Около 85 % производимого в РФ алюминия базируется на достаточно дешевой электроэнергии крупных ГЭС;
     «Экспорт алюминия – это экспорт электроэнергии в компактной упаковке» (цитата западных аналитиков).


     наличие высококвалифицированных кадров, что очень важно для таких сложных технологических процессов, как глиноземное, алюминиевое и прокатное производства.
     Основными направлениями потребления алюминия на российском рынке являются:
     транспортное машиностроение, в том числе авиа- и автомобилестроение;
     строительство;
     машиностроение;
     упаковка (пищевая, табачная и косметическая);
     производство потребительских товаров.
    Вместе с тем, занимая достаточно прочные позиции на мировом рынке алюминия, российским алюминиевым производителям в последние годы всё чаще приходилось сталкиваться с рядом проблем, которые стали выходить на первый план.
    Среди  текущих проблем можно выделить следующие:
     Первая – это существенное отставание от развитых стран по темпам технического перевооружения, модернизации и реконструкции действующих предприятий алюминиевой, титаномагниевой и электродной промышленности на базе новой техники и передовой технологии;
     Например, доля выпуска алюминия на мощных электролизерах с обожженными анодами в России составляет всего 15%, в то время как во многих странах с развитой алюминиевой промышленностью доля этих электролизеров в общем объеме производства составляет от 80 до 100%;
     Вторая проблема – необходимость ускоренного развития, так называемого четвертого передела алюминия и его сплавов – по обработке металлов и выпуску высококачественных готовых изделий;
     Третья проблема – это настоятельная необходимость значительного повышения конкурентоспособности отечественной металлопродукции на внутреннем и мировом рынках;
     Четвертая проблема – положение в отраслевой науке.
    Алюминий – наукоемкая и дорогостоящая продукция. Кардинальное решение проблем создания и освоения новых металлургических агрегатов, ресурсосберегающих и экологически более безопасных технологий в металлургии невозможно без поддержки отраслевой науки – главного разработчика инноваций для металлургической промышленности.
    
    
    
    Из этих проблем вытекают следующие приоритетные задачи на текущий момент:
     Необходимость интеграции алюминиевого бизнеса в России и создание крупных производственных  структур;
     В этом направлении очень успешно работает Объединенная компания «Российский алюминий», консолидировавшая активы РУСАЛа, СУАЛа и Gleencore в 2007 г;
     Развитие сырьевой базы;
     Необходимость повышения уровня использования вторичного алюминия в производстве сплавов и изделий из алюминия;
     Развитие внутреннего рынка алюминиевой продукции, который во много зависит от состояния общей экономики страны;
     Развитие и создание условий для развития фундаментальной научно-технической базы.
    В настоящее время, любая крупная компания не имеет будущего, если она не имеет своего, соответствующего её масштабам, научно-исследовательского центра.
    Отсюда необходимость реструктуризации имеющихся отраслевых научно-исследовательских институтов, либо необходимость создания на их основе новых научных центров, ориентированных на фундаментальную науку, на подготовку научно-производственных специалистов.
    По оценкам разных специалистов в новом тысячелетии мировому производству алюминия будут присущи следующие тенденции:
     дальнейшие интернационализация и укрупнение алюминиевого бизнеса, включение в него энергетических мощностей;
     расширение потребления алюминия в таких отраслях как автомобильное и транспортное машиностроение, строительство, бытовая техника, товары быта;
     расширение рынка алюминия за счет кооперативных связей между производителем и потребителем этого металла в научно-исследовательской деятельности, разработке технологий, создании совместных производств.
     В XXI веке произойдут радикальные изменения в технологии алюминия и глинозема, что позволит существенно снизить издержки производства.
    Проблема взаимоотношений алюминиевой промышленности, как крупного потребителя электроэнергии с энергетическими структурами, будет обостряться. Возникнет необходимость создания собственных энергоисточников в рамках крупных компаний, что повлечет за собой укрупнение электролизных производств. 
    
    
    Ориентир будет взят на создание гидроэнергетических и атомных станций.
    Комиссия ООН по окружающей среде и развитию определяет устойчивое общество как общество, удовлетворяющее нужды сегодняшнего поколения, не лишая будущие поколения возможности удовлетворять их собственные нужды. Одним из условий устойчивого развития общества является не превышение им возможностей окружающей среды поглощать загрязняющие вещества антропогенного происхождения.
    Прежде считалось (а многие и сейчас так думают), что разработка способов эффективной очистки дымовых газов и сточных вод, безопасного захоронения отходов позволяет решить проблемы защиты окружающей среды. Однако опыт развитых стран показывает, что поступать таким образом – значит перемещать загрязнитель из одной среды в другую (например, из воздуха или воды – в почву) или вообще перекладывать решение вопроса на плечи следующих поколений (например, радиоактивные отходы).
    Стало очевидным, что для сохранения окружающей среды, отходы не надо производить. Это – важнейшее условие устойчивого развития общества. Для этого необходима разумная политика в области добычи и экспорта природных ресурсов.
    Алюминиевые заводы являются источниками образования огромного количества различных отходов. Количество твердых отходов алюминиевого производства сильно зависит от срока службы электролизеров.
    В последние несколько лет на Братском алюминиевом заводе наблюдается тенденция сокращения срока службы электролизеров. Это связано с рядом причин: низкое качество материалов используемых при капитальном ремонте, интенсификация процесса на устаревшем оборудовании.
    Так на БрАЗе, по данным завода, ежегодно образуется 25000 т угольной пены и 13000 т шлама газоочистки это техногенное сырье, которое содержит до 60 % ценного сырья, пригодного для использования в процессе электролиза вторично.
    В связи с этим, существует проектная проработка по извлечению  вторичного сырья способом флотации.
    Целью данной дипломной работы является разработка безопасной и эффективной технологии извлечения вторичного сырья из фторуглеродсодержащих отходов электролизного производства и возврата ценных компонентов в процесс электролиза, снижения экологической нагрузки на регион и повышения технико-экономических показателей действующего производства.
    
    
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
    1.1	Технология получения первичного алюминия и роль криолита в процессе электролиза
    1.1.1 Субстракт электролиза криолитоглиноземных расплавов
    Производство алюминия строится на электрохимическом разложении глинозема, растворенным в криолитовом расплаве. Можно поставить два вопроса:
     почему нельзя разлагать электролизом водные растворы солей алюминия, например нитраты, сульфаты и т.д;
     почему не производить алюминий также, получается железо в печах при восстановлении оксидов, например по реакции:
    Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO                                      (1.1)
    Ответ дает второй закон термодинамики. Согласно этому закону вещества обладают особым внутренним энергетическим свойством (энергией Гиббса G), которое можно при электролизе изменить (увеличить), только совершив электрическую работу [1]. Такая связь описывается уравнением:
    -? G = A ? Q = E0 ? z ? F,                                        (1.2)
    где A – электрическая работа;
    Q – количество электричества;
    E0 – равновесная ЭДС;
    z  – число электронов, участвующих в реакции;
    F – число Фарадея (96484 Кл/моль).
    Величина E0 при разложении воды на водород и кислород при 250С составляет 1,229 В, тогда как реакция разложения
    Al2O3 = 2Al + 1,5O2
    требует ЭДС, равной 2,991В.
     В таких условиях протекание тока приведет к осуществлению реакции с меньшим изменением энергии Гиббса (с меньшей ЭДС), т.е. к разложению воды.
    Второй закон термодинамики утверждает, что система переходит самопроизвольно из первого состояния во второе, если во втором состоянии энергии Гиббса меньше, чем в первом. Между тем для реакции с использованием самого дешевого восстановителя – углерода:
           1-е состояние    2-е состояние
    Al2O3 + 3C = 2Al + 3CО                                          (1.3)
    Разница между энергиями Гиббса второго и первого состояний при достаточно высокой температуре 10000С (1273°К) составляет +1090кДж, и только при высоких температурах (более 20000°С) разность становится отрицательной. Но при такой температуре резко увеличиваются эксплуатационные затраты, связанные с коррозией и износом оборудования.
    
     Поэтому промышленные способы получения алюминия основаны на электролизе расплавленных солей.
    1.1.2 Электрохимический эквивалент
    – это число, показывающее, сколько граммов вещества выделяется на электроде (катоде или аноде) при протекании электродной реакции в расчете на единицу количества электричества (кулон или ампер ? час). Рассмотрим способ определения на примере реакций, протекающих на катоде и аноде алюминиевого электролизера.
    В упрощенной форме основная катодная реакция присоединения электронов (восстановления) имеет вид:
    Al3+ + 3e = Al                                                     (1.4)
    Уравнение (1.4) написано для отдельного атома. Умножим правую и левую части (1.4) на число Авогадро (число атомов в грамм ?моль, N). Тогда количество веществ окажется выраженным в грамм-молях (М).  
    Произведение e ? N= F – это число Фарадея.
    Подставив величину заряда электрона (1,6 ?10-19 Кл) и числа Авогадро (N = 6,023 ?1023 моль-1), получим F= 96486 Кл ? моль-1 (или 26,8 А ? ч ? моль-1). Тогда уравнение для расчета электрохимического эквивалента К будет иметь вид:
    К = М/3 ? F                                                             (1.5)
    Для восстановления трехвалентных ионов алюминия К=0,3354 г/(А ? ч).
    В упрощенной форме анодная реакция примет вид
    2О2 - 4e + С = 4CО2                                                (1.6)
    Электрохимический эквивалент для углерода:
    К= 12/4 ? 26,8 = 0,112 г/(А ? ч);
    для CО2 К = 36/4 ? 26,8=0,336 г/(А ? ч);
    для кислорода К=32/4 ? 26,8=0,299 г/(А ? ч).
    1.1.3 Выход по току
    Выход по току это количество вещества Рт, получающегося при пропускании через электрод единицы количества электричества (ампер ?часа или кулона). Масса для случая произвольного количества электричества Q определяется умножением электрохимического эквивалента К на это количество электричества:
    Рт  = К   ? Q = К ?I ?t,                                            (1.7)
    где I – сила тока;
    t – время прохождения тока.
    На практике масса металла Рп отличается от теоретически рассчитанной. Это отношение называется выходом по току:
    ?= Рп/ Рт                                                               (1.8)
    При промышленном электролизе выход по току меньше единицы и полученная масса металла с учетом (1.7) находится по уравнению:
    
    
    Рп   = ?? К ?I ?t                                                       (1.9)
    В промышленном электролизе выход по току зависит от множества факторов и составляет от 0,88 до 0,96.
    1.1.4 Состав электролита
    Расплавленный криолит (Na3AlF6), являющийся хорошим растворителем глинозема, - главный компонент электролита. Для снижения температуры начала кристаллизации и улучшения других свойств электролита в расплав вводятся добавки: фторид алюминия, фторид кальция и глинозем (от 1 до 8% от общей массы).
    1.1.5 Электролиз
    Электрический ток, проходя через электроды и электролит, выделяет на катоде алюминий (в небольшом количестве в сплаве с ним натрий и кальций), а на аноде – диоксид углерода CО2 [4]. При этом полная электрическая работа А определяется выражением
    А=U?I?t,                                                             (1.10)
    где U – напряжение.
    Отношение затраченной энергии (1.10) на количество произведенного металла (1.8) называется удельным расходом энергии W (кВт?час/кг), который равен
    W = U/К?? = U/0,3354?? = 2,98 U/?                     (1.11)
    Величина W может составлять от 12,6 до 17,0 кВт?час/кг Al в зависимости от напряжения и выхода по току, которые обусловлены типом электролизера, силой и плотностью тока, составом электролита и другими параметрами.
    На поверхности электролита образуется корка, которую приходится пробивать, чтобы загрузить глинозем. Существует несколько способов загрузки сырья: расположение пробойников и бункеров с дозаторами вдоль продольных сторон для ванн с анодом Содерберга или по центру ванны с обоженными анодами . Одна система пробойник-дозатор устанавливается в расчете приблизительно 40кА тока. Частота загрузки 1-2 минуты при дозе, меняющейся от 200г до 1кг. Диаметр загрузочного отверстия в корке составляет 15см.
    На некоторых заводах используется загрузка, основанная на разрушении корки вдоль всей продольной стороны ванны или ее части. С помощью балки, закрепленной на ванне и приводимой в движение пневмоцилиндрами, корка со слоем глинозема толщиной около 10см продавливается с шириной канала, равной примерно 20см. При этом в ванну попадает приблизительно 40 кг глинозема в расчете на погонный метр канала. Такими же параметрами характеризуются и другие системы пробивки: напольно-рельсовые машины с фрезой как рабочим органом, а также дизельные машинки, снабженные пневмопробойником. 
    
    Недостатком систем с разрушением корки является попадание в расплав столь большого количества глинозема, что зачастую он не успевает полностью раствориться, уходя по металл и образуя осадок, осложняющий работу ванны.
    Важным условием процесса электролиза является дифференцированная теплоизоляция всех конструкций электролизера, что исключит кристаллизацию электролита и глинозема (появление «коржей»), которые становятся причиной многих технологических осложнений: повышение омического сопротивления из-за низкой проводимости ивердого электролита, неравномерность тока в подине, появление горизонтальных токов в металле, вызывающих его интенсивную циркуляцию и т.д. Малая теплоизоляция электролизера приводит к тому, что в электролите и в зоне металла образуются настыли, состоящие из твердого криолита.
    Однако между настылью и металлом, высота которого составляет 
    15-45 см в зависимости от типа электролизера, существует слой жидкого электролита толщиной менее 1 мм. Этот слой поддерживает связь между основным объемом электролита и электролитом, находящимся под металлом. Настыль играет важную роль в процессе электролиза:
     защищает блоки электролизера от разрушения;
     служит естественным регулятором температуры электролиза;
     растворение настыли или ее кристаллизация – одна из главных
     причин изменения электролита;
     надлежащая настыль формирует форму рабочего пространства (ФРП), определяет небольшую скорость циркуляции металла, при которой достигается высокий выход по току.
    Одним из жестких требований к современному электролизу является подержание определенного расстояния анод-катод (МПР). Обычно МПР составляет 5-6 см, и каждый  «стоит» приблизительно 350 мВ падения напряжения в электролите.
    Снижение МПР приводит к уменьшению выхода по току, а увеличение – повышает выход по току, но одновременно вызывает рост напряжения и, следовательно,  удельный расход энергии. На процесс электролиза влияет до 100 характеристик, которые зависят от исходных продуктов, и 30 технологических параметров тесно связаны друг с другом. Эту связьпозволяют выявить статистические методы анализа, современные компьютерные методы, аналитические зависимости и т.п.
    1.1.6 Аппараты для получения алюминия.
    Электролизер включает следующие основные блоки: 1- катодное устройство , где протекает электролиз; 2-анодный узел, на подошве угольного анода происходит выделение анодных газов (реакция (1.6)); 
    3-систему подвода тока (ошиновка); 4-систему газоотсоса. Схема электролизера с смообжигающимся анодом (анодом Содерберга) представлена на рисунке 1.1
    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 содержит  угольный анод (со стальной рубашкой для анода Содерберга) и режим сталеалюминиевых  токоподводов. Постоянное напряжение поддерживается за счет перемещения анода домкратами, опускающими или поднимающими анодную раму, к которой зажимами крепятся анодные токоподводы. 
    Рисунок 1.1 - Принципиальная схема электролизера с анодом Содерберга
    1-газосборный колокол; 2 – анодные штыри; 3 – анодная масса;
    4 – электролит; 5 – настыль; 6 – блюмсы; 7 – угольная подина;
    8 – катодный кожух; 9 – огнеупоры и теплоизоляция.
    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.
    Анодные газы на электролизерах с  верхним  токоподводом готовится сходится в газосборном колоколе, укрепленном по периметру рубашки. В этом случае предусматривается частичное дожигание оксида углерода и смолистых веществ, выделяющихся при коксовании анода, в специальных горелках, смонтированных вместе с газосборным 
    
    
    колоколом.
    1.2 Образование твердых и газообразных отходов электролизного производства
    1.2.1 Виды углефторсодержащих отходов и пути их образования
    Электролитическое получение алюминия сопровождается большим объемом образования различных твердых отходов. Данные отходы представляют опасность для окружающей среды, т.к. содержат соединения фтора – криолит, фтористый алюминий и натрий. Понижение до минимума величины фторсодержащих твердых отходов является проблемой весьма актуальной для всех предприятий. Утилизация отходов – большая проблема всех алюминиевых заводов России. Классическая схема переработки отходов – это флотации угольной пены с получением флотационного криолита и переработка растворов мокрой газоочистки с получением регенерационного криолита. Но эти абразии не являются замкнутыми: их побочными продуктами являются хвосты флотации и шламы газоочистки, которые помещаются на шламонакопителях. Проблеме обезвреживания, использования фторсодержащих отходов и возвращения фтора в производство уделяется большое внимание.
    Кроме того, работающий электролизер представляется  источником большого количества тепла. Для удаления выделившихся газов и тепла требуются сравнительно большие меры приточного воздуха, которые частично удаляются через фонарь в окружающую атмосферу, а частично – в систему газоочистки. Больше всего вентиляционного воздуха требуется в случае электролизеров с боковым токоподводом и меньше всего в случае электролизеров с обожженными анодами. Количество газовоздушной смеси, направляемой в систему газоочистки, составляет от 16-19 тыс. нм3 (для электролизеров ВТ) до 240-280 тыс. нм3 (для электролизеров БТ).
    На сегодняшний день проблема утилизации твердых углефторсодержащих отходов на российских алюминиевых заводах стоит достаточно остро по причинам как экологического, так и экономического характера.
    В прошлом основные экологические проблемы алюминиевой промышленности касались в основном района вокруг завода и главным образом фокусировались на выделении газообразных фторидов от электролизеров. Сейчас очень многие заводы, особенно за рубежом, достигли уже существенного прогресса в уменьшении этих выбросов.
    Среди выделений большую потенциальную опасность представляют фториды, которые очень негативно влияют на санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала и растительный мир, т.к. некоторые растения чувствительны даже к 
    
    
    весьма небольшим выбросам этих веществ.
    Выделение фтористых веществ влияют также и на экономику производства, т.к. являются фактором коррозии оборудования и составляют очень большую долю материальных затрат.
    Необходимость выполнения таких технологических операций, как выливка металла, замена анодов и токоподводящих штырей, пробивка 
корки электролита, ликвидация анодных эффектов, не дает возможности работать с полностью герметизированной ванной.
    Объем выделяющихся при электролизе газов зависит от типа используемых анодов. Электролизеры с ОА практически не выделяют смолистых восгонов и пиролизных продуктов, поскольку эти вещества удаляются при обжиге анодов. Электролизеры с самообжигающимися анодами даже после коксования анодной массы выделяют 2-3 кг смолистых веществ на 1т алюминия.
    Общий расход фторидов при электролизе алюминия составляет 35-70 кг на тонну произведенного алюминия и примерно половина этой массы удаляется из ванны с отходящими газами. В газах, выделяющихся из электролизера, доминирующая роль принадлежит сумме оксида и диоксида углерода, но в них содержатся и такие соединения как SO2, CF4, SiF4, HF, а также смолистые возгоны из анодов.
    Помимо газовой составляющей, в отступающих из электролизера газах содержатся твердые частицы, возникающие в результате пыления исходных сырьевых компонентов, загружаемых в электролизер. Пыль образуется так же при погрузочно-разгрузочных работах и транспортных операциях с сырьем.
Таблица 1.2.1 - Образование твердых отходов на 1 тонну алюминия
Наименование отхода
Количество, т/т Al
Пыль электрофильтров
0,0130
Шлам минеральный от газоочистки
0,0070
Угольная пена
0,0250
Хвосты флотации угольной пены
0,0080
Отработанная футеровка электролизеров
0,0130

    
    
    
    
    
Таблица 1.2.2 - Физико-химическая характеристика твердых отходов алюминиевого производства
Материал
Химический состав, % вес

F
Al
Na
SiO2
Fe2O3
C
SO4
Смолы
Пыль электрофильтров
15-27
10-33
5-11
0,2-0,5
1-4
12-45
1-6
4-10
Шлам газоочистки
13-17
12-28
10-17
0,2-0,5
1-2
13-15
3-7
2-9
Пена угольная
28-32
11-14
14-16
0,5-1,0
0,5-1
25-30
0,1-1
–
Хвосты флотации
6-11
2-4
3-5
0,1-0,5
0,1-0,5
75-85
0,5-2,5
–
Отработанная футеровка
11-14
13-16
10-13
До 10
До 2,5
50-70
0,2-0,6
–
Другие характеристики твердых фторсодержащих отходов
Наименование
Dчаст, мкм
Средний минеральный и фазовый состав
Кол-во, т/сутки
Шлам газоочистки
0,2-10
Криолит?55%; Al2O3?15%; С?25%; примеси?5%
6-15
Пыль электрофильтров
10-70
То же
14-18
Хвосты флотации
0,3-25
С?80%; криолит?15%; примеси?5%
16-20
    Углеродсодержащие отходы алюминиевого производства содержат обширные количества токсичных веществ, в первую очередь это соединения фтора. Централизованный сбор, обезвреживание и захоронение токсичных отходов промышленных предприятий должен 
вырабатываться на специально оборудованных полигонах. В соответствии со СНиП 2.01.28-85, в состав таких площадок должны входить завод по обезвреживанию отходов, участок захоронения отжимков а так же гараж для специализированного транспорта.
    Участок захоронения токсичных промышленных отходов изображает собой территорию для размещения специально оборудованных карт или котлованов, в которые складируются 
    
    
    
    токсичные твердые отходы I, II, III и по необходимости IV класса 
    токсичности.
    Отходы электролизных корпусов относятся к II – IV группам, поэтому перечисленные выше требования относятся к шламовым полям, а также к промышленным отвалам, куда вывозятся для захоронения отработанные аноды, отходы отработанной футеровки, пыль электрофильтров, отходы капитального ремонта баковой аппаратуры и трубопроводов.
    Полигоны необходимо размещать на площадках, исключающих загрязнение окружающей среды. Уровень полигона на местности должен быть ниже уровня водозабора, а участок размещения – иметь слабофильтрующий грунт и залегание грунтовых вод не менее 2 м от промышленных отходов  устанавливается, из срока накопления отходов  в течение 20-25 лет.
    Периметр участка нужно ограждать забором из колючей проволоки высотой 2,4 метра с автоматической сигнализацией. Участок по периметру должен иметь кольцевой канал, кольцевое обваловывание высотой 1,5 м и шириной по верху 3 метра, кольцевую автодорогу с модернизированным капитальным покрытием и въездами на карты, а так же ливнеотводные лотки или канавы с облицовкой бетонными плитами. Дождевые и талые воды отводят в специальные пруды, состоящие из двух секций. Чистые воды направляются на производственные нужды, а загрязненные – в пруд-аккумулятор или на завод для очистки.
    Требования к полигонам для приема, переработки и захоронения промышленных отходов свидетельствуют о значительных капиталовложениях в их сооружение и эксплуатацию. Поэтому меры, направленные на снижение количества твердых отходов являются целесообразными как с экологической, так и с экономической точки зрения.
    1.2.2 Угольная пена
    Электролитная угольная пена это продукт неполного сгорания и эрозии самообжигающегося анода и по объему образования занимает первое место среди твердых отходов алюминиевого производства. Количество образующейся пены зависит от многих факторов, основными из которых являются качество анодной массы и технология электролиза.
    Образованию угольной пены в электролизерах способствует также различие в скорости окисления кокса анодной массы и кокса связующего, формирующегося при коксовании пека. Обладая большей реакционной способностью, кокс сгорает намного быстрее, чем нефтяной или пековый кокс анодной массы.
    
    
    По причине неравномерного сгорания из тела анода в электролит 
    выкрашиваются менее активные частицы, которые и образуют угольную пену.
    Также образованию пены содействуют трещины в теле анода, что приводит к осыпанию частиц кокса в электролит. Причин трещинообразования несколько – это может быть как заводской брак при изготовлении обожженных анодов для технологии ОА, так и 
действие растягивающих напряжений в самообжигающемся аноде при перестановке штырей.
    Накапливаясь в электролите, угольная пена может привести к технологическим отклонениям в работе электролизера, поэтому пену с поверхности электролита периодически снимают.
    По внешнему виду угольная пена может быть похоже на золу от сжигания угольного топлива и изображена пористым кусковым материалом неправильной формы с размером частиц от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров с примесью пылевидной фракции. Цвет угольной пены большей частью темно-серый. Материал пены слабо сцементирован и при нажиме в большинстве случаев легко разрушается. На рисунке 1.2.1 представлена классическая схема переработки угольной пены.
    


Рисунок 1.2.1 - Схема переработки угольной пены
    По своему составу угольная пена является многокомпонентной смесью и в основном состоит из криолита, хиолита, углерода и глинозема. Также в виде примесей в минимальном количестве в угольной пене присутствуют Mn, Co, Cu, Zn, Pb, Ni, Cr, V, Ti, Mo, Ba, Be, Ga.
    Ввезенная из электролизного цеха угольная пена подвергается магнитной сепарации (во избежание попадания в дробилку металлических предметов)  после дробится на щековой дробилке, а затем направляется на мокрое измельчение в шаровую мельницу. Размельченная в мельнице пена разделяется в спиральном классификаторе на два продукта – пульпу, вмещающую тонкие частицы пены и пески, состоящие из более крупных частиц пены.
    Производительность помола твердых частиц, содержащихся в сливе классификатора, характеризуется следующим показателем – 55-65% частиц пены относятся к классу крупности -0,075 мм, что гарантирует хорошее разделение частиц угля и электролита.
    Пески возвращают на доизмельчение в шаровую мельницу. Слив из классификатора, разбавленный водой до соотношения ж:т=(3-4):1, поступает в бак мешалку на пер.......................