Технология очистки отходящих газов высокоамперных алюминиевых электролизеров
Авторы: Пятернева Александра Алексеевна, Власов Александр Анатольевич, Бажин Владимир Юрьевич
Рубрика: 6. Металлургия
Опубликовано в
II международная научная конференция «Актуальные вопросы технических наук» (Пермь, февраль 2013)
Статья просмотрена: 1762 раза
Библиографическое описание:
Пятернева, А. А. Технология очистки отходящих газов высокоамперных алюминиевых электролизеров / А. А. Пятернева, А. А. Власов, В. Ю. Бажин. — Текст : непосредственный // Актуальные вопросы технических наук : материалы II Междунар. науч. конф. (г. Пермь, февраль 2013 г.). — Т. 0. — Пермь : Меркурий, 2013. — С. 49-52. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/73/3288/ (дата обращения: 17.08.2024).
Во время электролиза криолит-глиноземного расплава происходит выделение как газообразных, так и твердых фторидов: HF, CF4, C2F6, SiF4, SO2, H2S, CS2, COS, CO2, CO, H2O, HC, а также угольную, криолитовую, глиноземную пыль и смолистые вещества [1]. Основная часть этих газов собирается в системе газоотсоса и направляется в реакторы сухой очистки газов, где в качестве сорбента используется металлургический глинозем.
Технология улавливания фтористого водорода в системе сухой газоочистки основана на способности глинозема поглощать фтористый водород. В реакторе-адсорбере в режиме аэровзвеси, происходит процесс соединения фтористого водорода с оксидом алюминия [2]:
nHF(г) + Al2O3 = Al2O3•nHF (адсорб); (1)
6/nAl2O3 • HF 2AlF3 + 3H2O + 6-n/n Al2O3. (2)
Одновременно происходит адсорбция оксидом алюминия полициклических ароматических углеводов:
nС20H12 + Al2O3 = Al2O3•nC20H12 (адсорб). (3)
В рукавных фильтрах при прохождении очищаемых газов через слой глинозема, осевшего на материале, продолжается процесс очистки газов.
В результате образуется фторированный глинозем, который возвращается в электролизеры как источник сырья оксида и фторида алюминия. Это обеспечивает практически полную утилизацию уловленных фторидов без дополнительной переработки. Фторидные составляющие электролита имеют высокое давление паров и характеризуются большими расходными коэффициентами — 30–60 кг на 1 т металла, что составляет (4–8 %) в себестоимости производства первичного алюминия.
Важным аспектом эффективного улавливания фтористых соединений является их негативное влияние на состояние окружающей среды. Фторводород хорошо растворяется в воде, что приводит к появлению в атмосфере аэрозолей плавиковой кислоты. Их действие вызывает раздражение слизистых оболочек глаз, кровоизлияние и язвы дыхательных путей, гнойный бронхит, удушье, спазм гортани и судороги. Длительное воздействие даже в небольших количествах может вызвать хроническое заболевание в виде отложений фтора в зубах и костях [3].
Учитывая, что образующийся фторированный глинозем, является сырьем для производства алюминия, определение потерь фторсодержащих веществ, их закономерности, характере взаимодействия фтористого водорода с глиноземом, свойствах фторированного глинозема является актуальной проблемой научных исследований в металлургии алюминия и инженерной экологии.
При хранении и транспортировке внутри завода глинозем подвергается механическому и физико-химическому воздействиям. В результате происходит изменение его свойств, которые оказывают негативное влияние на эффективность процесса электролиза алюминия.
В работе было проанализировано поэтапное изменение физико-химических свойств глинозема, отобранного с разных участков электролизного цеха и сухой газоочистки на Красноярском алюминиевом заводе [4]. Гранулометрический состав образцов глинозема представлен в таблице 1, химический состав — в таблице 2.
Таблица 1
Гранулометрический состав образцов глинозема
№ |
Содержание фракций мкм, % |
||||||||
- 10,1 |
-29,9 |
-51,5 |
-67,5 |
-88,6 |
-116,2 |
-133,1 |
-152,5 |
+152,5 |
|
1 |
1,958 |
6,398 |
17,672 |
17,692 |
20,069 |
17,428 |
6,072 |
4,455 |
8,256 |
2 |
0,958 |
4,301 |
11,2 |
16,563 |
26,808 |
22,999 |
6,896 |
4,492 |
5,783 |
3 |
1,839 |
4,211 |
11,522 |
17,523 |
26,256 |
22,028 |
6,67 |
4,339 |
5,612 |
4 |
2,017 |
6,311 |
20,119 |
22,243 |
24,315 |
15,23 |
3,978 |
2,514 |
3,273 |
Таблица 2
Химический состав образцов глинозема
№ |
Fe2O3 |
CaO |
K2O |
P2O5 |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
Na2O |
С+S |
F |
MOI |
LOI |
1 |
0,051 |
0,032 |
0,014 |
0,011 |
0,18 |
97,1 |
- |
0,49 |
0,07 |
0,05 |
1,0 |
1,0 |
2 |
0,065 |
0,072 |
0,044 |
0,049 |
0,36 |
93,1 |
0,028 |
0,92 |
0,3 |
0,8 |
1,0 |
4,24 |
3 |
0,07 |
0,19 |
0,031 |
0,093 |
0,069 |
92,9 |
0,38 |
0,72 |
0,22 |
0,51 |
2,4 |
2,46 |
4 |
0,042 |
0,037 |
0,025 |
0,006 |
0,076 |
92,9 |
- |
0,61 |
0,21 |
0,46 |
1,4 |
4,64 |
Изменения гранулометрического состава соответствуют изменениям содержания примесей в глиноземе. Для понимания механизмов взаимного влияния этих двух показателей качества были проведены микроструктурные исследования зерен глинозема (рис. 1).
Рис. 1. Микроструктура образцов глинозема
Рассмотрим физико-химические изменения глинозема, происходящие на участке транспортировки до и после сухой очистки отходящих от электролизеров газов. Глинозем поступает в реактор газоочистки, где встречается с отходящим от электролизеров газовым потоком. В результате протекания сорбционных процессов, газ очищается от газообразных и твердых фторидов, SO2 и других примесей.
Глинозем после участка сухой газоочистки характеризуется минимальным содержанием мелкой фракции и повышенным содержанием примесей. Микроструктурные исследования частиц фторированного глинозема свидетельствуют об агломерации глиноземной пыли (поверхностных осколков) и увеличении ВЕТ частиц [5].
Установлено, что фторирование глинозема происходит только с участием двух соединений, фторводорода и тетрафторалюмината натрия (рис. 2, табл. 3). Механизм процесса фторирования глинозема основан на хемосорбции фтористого водорода оксидом алюминия:
Al2O3 + 6HF = Al2O3∙6HF = 2AlF3 + 3H2O (4)
Рис. 2. Поверхность частиц глинозема № № 1 (а) и 2 (б)
Таблица 3
Химический состав образцов глинозема № № 1 и 2
Спектры |
O |
F |
Na |
Al |
Образец № 1 |
||||
Спектр 1 |
47,07 |
- |
- |
52,93 |
Спектр 2 |
47,07 |
- |
- |
52,93 |
Спектр 3 |
47,07 |
- |
- |
52,93 |
Спектр 4 |
47,07 |
- |
- |
52,93 |
Спектр 5 |
47,07 |
- |
- |
52,93 |
Образец № 2 |
||||
Спектр 1 |
44,01 |
20,33 |
1,72 |
33,93 |
Спектр 2 |
43,33 |
9,14 |
- |
47,53 |
Данные об увеличении влаги во фторированном глиноземе, также подтверждают данный механизм адсорбции. Однако природа связи влаги до конца остается неясной [139]. Из таблицы 3 видно, что после участка газоочистки происходит увеличение гидратной и кристаллизационной влаги, а содержание адсорбированной влаги остается на прежнем уровне.
Данные РФА анализа образцов глинозема № № 1 и 2 представлены на рисунке 3.
Рис. 3. Характеристики интенсивностей рентгеновского излучения альфа-фазы (красные линии) и других фаз (зеленые линии) для образцов глинозема № № 1 (вверху) и 2 (внизу)
Из рисунка 3 видно, что после обработки глинозема отходящими электролизными газами происходит снижение содержания α-Al2O3. Содержание же остальных фаз остается постоянным, следовательно, нельзя говорить о переходе α-Al2O3 в другие фазы. Однако спектры α-Al2O3 становятся более широкими (размытыми), что может свидетельствовать об изменении расстояния между атомами в кристаллической решетке. Вероятно, подобные изменения связаны с внедрением в решетку α-Al2O3 других химических элементов. Можно предположить, что образуется внутрикристаллическая влага, которая и была обнаружена при прокаливании пробы глинозема № 2.
Взаимодействие глинозема с соединениями фтора в условиях сухой газоочистки приводит к уменьшению как мелкой (-67,5 мкм), так и крупной (+152,5мкм) фракций. Образование на поверхности глинозема фтористых соединений и увеличение содержания влаги способствуют агломерации мелких частиц в более крупные, однако, высокая интенсивность перемешивания создает условия для истирания фракции + 152,5 мкм.
Снижение степени улавливания фторидов в реакторах газоочистки связано с несоблюдением соответствия между расходными коэффициентами глинозема и его способности адсорбировать фториды. Количество выделяющихся электролизных газов постоянно изменяется, при этом параметры процесса улавливания газов остаются постоянными. В настоящее время повышения эффективности улавливания фторидов в процессе сухой очистки можно достичь, контролируя количество образующихся газов при одновременной корректировке параметров процесса их очистки. Для этого необходимо решить следующие задачи:
определить кинетические зависимости процесса фторирования глинозема от параметров очистки и физико-химических свойств глинозема;
установить зависимости количества газообразных выделений с электролизера, попадающих в систему газоочистки, от параметров электролиза (температура, химический состав, площадь открытой поверхности расплава, влажность воздуха и прочее).
Решение поставленных задач позволит сократить количество выбросов предприятиями по производству первичного алюминия фтористых веществ в атмосферу, а также сократить себестоимость производства за счет увеличения доли повторно вовлекаемых в процесс фторидов.
Литература:
Уэдде, Г. Контроль выбросов в алюминиевой промышленности / Сборник докладов 9 МК «Алюминий Сибири — 2003». — 2003. — с. 8–22.
Минцис М. Я., Поляков П. В., Сиразутдинов Г. А. Электрометаллургия алюминия.- Новосибирск: Наука, 2001.- 368 с.
- Борисоглебский Ю. В., Галевский Г. В., Кулагин Н. М. [и др.]. Металлургия алюминия — Новосибирск: Наука, 1999. — 438с.
Сизяков В. М. Химико-структурные изменения глиноземов в электролитическом производстве алюминия [Текст] / В. М. Сизяков, А. А. Власов, В. Ю. Бажин, В. В. Гембицкий, И. М. Гембицкая // Цветные металлы — 2010. Красноярск: ООО «Версо», 2010 г. С. 430–437.
Thonstad J. Aluminium Electrolysis. Fundamentals of the Hall-Heroult process [Текст] // Aluminium-Verlag, Dusseldorf, 2001. 324 р.