Пылегазовые выбросы алюминиевых электролизеров с самообжигающимися анодами

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Б. П. Куликов, Ю. И. Сторожев 
 
 
 
 
 
ПЫЛЕГАЗОВЫЕ ВЫБРОСЫ  

АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ  

С САМООБЖИГАЮЩИМИСЯ АНОДАМИ 

 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

УДК 669.7.13.7 
ББК  24.123 
К903 
 
 
Рецензенты: 
В. В. Леонов, д-р хим. наук, проф. кафедры «Композиционные материалы и физико-химия металлургических процессов» СФУ; 
Р. Г. Хлебопрос, д-р физ.-мат. наук, проф., гл. науч. сотрудник лаборатории теоретических исследований института биофизики КНЦ 
СО РАН 
 
 
 
 
 
Куликов, Б. П. 
К903 
 
Пылегазовые выбросы алюминиевых электролизеров с самообжигающимися анодами : монография / Б. П. Куликов, Ю. И. Сторожев. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 268 с. 
ISBN 978-5-7638-2530-5 
 
В монографии дана характеристика пылегазовых выбросов производства 
алюминия электролизом, описан процесс улавливания выбросов вторичными укрытиями электролизеров, показаны способы и устройства для их термического обезвреживания. 
Выполнен анализ развития конструкций газоотсасывающих сетей, изложены современные тенденции их совершенствования. Рассмотрены методы и аппаратурное оформление очистки пылегазовых выбросов. Приведены 
сведения по освоенным в промышленном масштабе вариантам переработки 
отходов алюминиевого производства, образующихся при улавливании 
и очистке газообразных выбросов электролизеров с самообжигающимися 
анодами и верхним токоподводом. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, специалистов, занимающихся проблемами экологизации алюминиевого производства, и для студентов металлургических специальностей. 
 
УДК 669.713.7 
ББК 24.123 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2530-5                                  © Сибирский федеральный университет, 2012 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Производственный цикл многих промышленных предприятий характеризуется образованием большого количества твердых, жидких и газообразных отходов. Промышленные отходы представляют серьезную экологическую 
опасность для регионов, расположенных в непосредственной близости от источников выбросов. Значительный вклад в загрязнение окружающей среды 
вносит алюминиевая промышленность. На производство 1 т электролитического алюминия расходуется более 2,5 т разнообразного сырья, большая часть которого в процессе производства превращается в пылегазообразные соединения, 
негативно влияющие на окружающую среду и здоровье людей [1]. 
Алюминиевая промышленность является одной из наиболее динамично 
развивающихся отраслей отечественной экономики. В ее развитии прослеживается характерная тенденция, обусловленная увеличением объемов производства, единичной мощности электролизеров и концентрации производства. В этих условиях повышается объем выбросов загрязняющих веществ 
в окружающую среду. Отходы алюминиевого производства составляют около 20 % всех отходов, образующихся при производстве цветных металлов 
в стране [2]. 
Специфика производства алюминия в России обусловлена эксплуатацией трех типов электролизеров: с самообжигающимися анодами и верхним 
токоподводом, самообжигающимися анодами и боковым токоподводом 
и обожженными анодами. Причем доминирующим является производство 
алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами или анодами 
Содерберга, в которых выпускается около 85 % отечественного металла. Эти 
заводы расположены в основном на Урале и в Сибири. 
Зарубежная алюминиевая промышленность практически завершила переход на более прогрессивный способ получения алюминия в электролизерах 
с предварительно обожженными анодами. Среди прочих преимуществ данная технология обеспечивает более высокие показатели по экологической 
безопасности производства. Это выражается в практическом отсутствии ряда 
отходов, характерных для технологии самообжигающихся анодов, таких как 
пыль электрофильтров, шлам газоочистки, хвосты флотации, а также в значительно меньших выбросах в окружающую среду фтористых, смолистых 
веществ и неорганической пыли. В частности, достигнутые на зарубежных 
заводах показатели экологической безопасности производства характеризуются суммарным выбросом фтора в пределах 1–2 кг на 1 тонну алюминия.  
На российских заводах этот показатель в несколько раз выше [3, 4]. 
Несмотря на это, технические возможности электролизеров с самообжигающимися анодами еще далеко не исчерпаны. На рубеже XX–XXI вв. 

Введение 

4 

отечественная алюминиевая промышленность совершила стремительный рывок в направлении интенсификации производства и обеспечения его экологической безопасности. За последние 10–15 лет произошли кардинальные 
изменения на всех переделах, связанных с производством алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами. 
К наиболее значимым из них относятся: 
применение сухой анодной массы; 
использование электролитов с пониженным криолитовым отношением и новой рецептурой добавок (CaF2 и MgF2); 
наращивание единичной мощности электролизеров за счет повышения силы тока электролизных серий; 
применение сухой газоочистки; 
внедрение новых материалов и технологий при капитальном ремонте 
электролизеров; 
повышение качества алюминия и его сплавов, расширение номенклатуры товарной продукции; 
использование новых видов оборудования в электролизных корпусах, 
цехах анодной массы и при капитальном ремонте электролизеров; 
внедрение АСУТП на всех стадиях технологического процесса. 
Реализация перечисленных нововведений привела к количественным  
и качественным изменениям в технологии электролиза алюминия, производстве анодной массы, капитальном ремонте электролизеров, литейно-прокатном 
производстве. Одновременно с модернизацией основного производства на 
предприятиях совершенствуются системы улавливания вредных выбросов, 
способы и устройства для их термического обезвреживания, аппаратура 
и способы очистки электролизных газов, разрабатываются новые способы 
утилизации отходов, направленные на снижение экологической опасности 
электролизного производства алюминия.  
Согласно работе [5] реализация новейших достижений в области совершенствования алюминиевого производства позволяет сделать прогноз по 
поводу того, что суммарная эмиссия загрязняющих веществ в окружающую 
среду отечественными алюминиевыми заводами в течение ближайших  
10–15 лет может быть уменьшена на 15–20 %. 
Для более эффективной работы в части снижения негативного воздействия алюминиевых заводов на экосистемы прилегающих регионов приоритетное значение приобретают вопросы организации улавливания и удаления 
анодных газов, их термического обезвреживания, очистки от пыли и вредных 
составляющих, а также переработки пылевых отходов алюминиевого производства. Результаты исследований по перечисленным направлениям изложены в данной монографии. 

1.1. Характеристика пылегазовых выбросов 

5 

1.  ХАРАКТЕРИСТИКА  И  УЛАВЛИВАНИЕ  
ПЫЛЕГАЗОВЫХ  ВЫБРОСОВ  
 
 
 
1.1. Характеристика пылегазовых выбросов 
 
1.1.1. Классификация, состав и параметры анодных газов 
 
Электролитическое получение алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами сопровождается выделением анодных газов, содержащих пыль, двуокись и окись углерода, двуокись серы, фторид водорода, 
угле- и кремнефториды, сероводород, дисульфид углерода, пары воды и смолистые вещества. В состав последних входит несколько десятков органических соединений, представленных, в том числе, и полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), часть из которых обладает мутагенной  
и канцерогенной активностью. Пыль, содержащаяся в анодных газах, состоит 
из твердых частиц порошкообразного сырья, загружаемого в электролизер, 
частичек углерода, образующихся в процессе эрозии анода, продуктов пирогидролиза, испарения и каплеуноса расплавленного электролита. 
Анодные газы характеризуются рядом важнейших параметров: температурой, скоростью, расходом, давлением (разрежением), плотностью, вязкостью, влажностью, запыленностью и составом. 
Температура поступающего в горелку газа зависит от единичной мощности электролизера и его технологического состояния. В частности, для 
нормально работающего электролизера при силе тока 100 кА температура газа на входе в горелку составляет в среднем 380 оС, для электролизера на силу 
тока 130 кА – 425 оС, на 150 кА – 492 оС. Во время сжигания газов в горелках 
их температура возрастает до 600–1 100 оС. Температура газа после горелок  
в коленах и опусках составляет 200–850 оС, в продольных подкорпусных газоходах 150–350 оС, в межкорпусных газоходах 100–200 оС, на срезе дымовой трубы 15–45 оС. 
Скорость пылегазового потока является функцией многих переменных. 
В узких подкорпусных газоходах она может достигать 20 м/с и более, в межкорпусных газоходах от 8 до 17 м/с, в высотной дымовой трубе 7–11 м/с. 
Наибольшее влияние на скорость движения пылегазовой смеси по газоходам 
оказывает величина разрежения, создаваемого работой дымососов. В свою 
очередь, от скорости пылегазового потока в значительной степени зависит 
интенсивность накопления пыли в подкорпусных и межкорпусных газоходах. 
Расход пылегазового потока (объем газа, отходящего в единицу времени) зависит от его температуры и производительности электролизера. В сло

1.  Характеристика и улавливание пылегазовых выбросов  

6 

жившейся на алюминиевых заводах практике для определения расхода газа 
за основную единицу измерения принимаются метры кубические в час. Например, от одного электролизера при силе тока 100 кА за один час выделяется в среднем 44 нм3 анодного газа, а от электролизера на 150 кА – около 
66 нм3/ч. За счет разбавления анодных газов воздухом в горелках объем газоотсоса от одного электролизера увеличивается в несколько раз и может достигать 1 000 нм3/ч. Производительность одного дымососа, обеспечивающего 
газоотсос от 42–48 электролизеров, составляет 35 000–50 000 нм3/ч. Объем 
очищаемого газа, эвакуируемого двумя дымососами через систему газоочистки и одну дымовую трубу, изменяется в пределах 70 000–100 000 нм3/ч. 
Давление, разрежение анодных газов также меняются в процессе их 
транспортировки от электролизеров до установок газоочистки. Если под газосборным колоколом электролизера давление анодного газа колеблется 
в пределах от плюс 15,0 до минус 2,0 мм вод. ст., то в межкорпусных газоходах благодаря работе дымососов создается разрежение 60–100 мм. вод. ст., которое на верхнем срезе циклона-каплеуловителя снижается до 8–10 мм вод. ст. 
Плотность пылегазового потока, эвакуируемого из электролизеров,  
зависит от колебаний состава анодных газов (соотношения СО и СО2, концентрации HF и SO2, наличия в газах СF4, C2F6), температуры газов, запыленности, степени разбавления газов воздухом. Плотность смеси газов ρ,  
состоящей из нескольких компонентов, концентрации которых (в объемных 
процентах) составляют a, b, c, …, n, определяется по уравнению 
 

ρ = ρ
ρ
ρ
...
ρ ,
100

a
b
c
n
a
b
c
n
+
+
+
+
 
(1.1) 

 
где ρa, ρb, ρc, …, ρn – соответственно, плотности компонентов. 
Практические значения плотности пылегазового потока электролизного 
производства увеличиваются пропорционально снижению температуры газов 
от 0,30–0,45 кг/м3 после сжигания газов в горелках до 0,8–0,9 кг/м3 в подкорпусных и межкорпусных газоходах и до 1,00–1,15 кг/м3 в высотной дымовой 
трубе. 
Вязкость газа характеризует сопротивление газовой среды движению 
в ней какого-либо тела или одной части газа относительно другой. Сила  
сопротивления сдвигу τ, возникающая при относительном движении двух 
смежных слоев газа, пропорциональна градиенту скорости V вдоль оси y, 
нормальной к направлению потока газа: 
 
τ = μ · dV/dy.  
(1.2) 
 
Коэффициент пропорциональности μ, Н⋅с/м2, носит название динамической вязкости. Кинематической вязкостью газа ν, м2/с, называется отношение динамической вязкости μ к плотности газа: ν = μ/ρ. 

1.1. Характеристика пылегазовых выбросов 

7 

Существенное значение при обезвреживании пылегазового потока имеет его влагосодержание. В технике очистки газа пользуются величинами абсолютного влагосодержания и относительной влажности. Присутствие влаги 
в анодных газах связано с ее образованием в результате сгорания смолистых 
веществ, представленных углеводородами различного строения. Кроме того, 
влага в анодные газы поступает вместе с загружаемым сырьем (глинозем, 
фтористые соли), а также с подсасываемым воздухом на всем пути газов от 
электролизера до дымовой трубы. На практике содержание влаги в анодных 
газах в зависимости от времени года и погодных условий колеблется в пределах 10–20 г/нм3 газа. 
Запыленность газа характеризует содержание пыли в отходящих газах 
и измеряется весовой концентрацией пыли в единице газового объема. Чаще 
всего запыленность газового потока выражается в мг на м3 газа при рабочих 
или нормальных условиях. На практике содержание твердых частиц в анодных газах колеблется в пределах 300–200 мг/нм3 до поступления в систему 
газоочистки. В очищенных газах, выбрасываемых в атмосферу после газоочистных установок, концентрация пыли составляет для мокрой газоочистки 
50–350 мг/нм3, сухой адсорбционной очистки 5–20 мг/нм3. 
На большинстве алюминиевых заводов основная часть газообразных 
выбросов улавливается и обезвреживается на специальных газоочистных установках. Наряду с экологическими аспектами очистка электролизных газов 
диктуется и экономическими соображениями, поскольку позволяет вернуть  
в производство значительную часть фтористых солей. 
В соответствии с существующей классификацией [6] анодные газы 
электролиза следует считать аэродисперсной системой или аэрозолем, поскольку в качестве дисперсионной среды выступает газ, а в качестве дисперсной фазы выступают твердые и жидкие частицы. Выделяющиеся из 
электролизера аэрозоли относятся к пылям и дымам, а выбрасываемые в атмосферу после мокрой газоочистки очищенные газы правильнее считать пылью и туманами. 
Аэродисперсные выделения загрязняющих веществ из электролизеров 
делятся на выбросы, прошедшие газоочистку, и выбросы, выделяющиеся  
в атмосферу без очистки через аэрационные фонари производственных корпусов. 
Понятие «анодные газы электролизного производства» является условным, поскольку в процессе эвакуации газов от источника образования до выброса в атмосферу их состав постоянно меняется. И действительно, под газосборным колоколом состав газов один, после горелочных устройств – совсем 
другой. Состав газа изменяется при движении по газоходам к газоочистным 
установкам за счет подсосов воздуха и, естественно, после очистки газов 
в системе газоочистки. 

1.  Характеристика и улавливание пылегазовых выбросов  

8 

Исследования состава анодных газов проводились неоднократно различными авторами. По мере совершенствования средств измерения и контроля менялись представления о составе газов, выделяющихся при электролизе. 
В ранних исследованиях [7, 8] анализировались только основные составляющие анодных газов, а именно: оксид и диоксид углерода, фторид водорода, 
диоксид серы, смолистые вещества, пыль, твердые соединения фтора. По мере 
совершенствования средств и методик измерения менялись представления 
и о составе анодных газов. В табл. 1.1 приведен состав газообразных выбросов 
в алюминиевой промышленности по основным ингредиентам [9].  

Т а б л и ц а  1.1 

Основные компоненты валовых газообразных выбросов  
в алюминиевой промышленности 
 

Компонент 
Валовые выбросы, % 
Выбросы  
по приведенной массе 

CO 
78 
0,1 

HF 
3,1 
3,6 

SO2 
12,7 
0,4 

NOx 
5,3 
0,2 

Бенз(а)пирен 
0,0005 
94,8 

П р и м е ч а н и е. Выбросы по приведенной массе – произведение массы выбросов вредного вещества на показатель его агрессивности. 
 
Наибольшую опасность в составе газообразных выбросов электролизного производства представляют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в частности бенз(а)пирен, на долю которого приходится подавляющая часть вредного воздействия.  
Наряду с основными ингредиентами, приведенными в табл. 1.1, в анодных газах присутствуют другие составляющие, представленные газообразными и твердыми компонентами. Наиболее полный состав пылегазовой смеси, образующейся при электролизе криолито-глиноземных расплавов, приведен в табл. 1.2. 
В табл. 1.3 приведены основные параметры анодного газа, поступающего в течение часа в одну горелку электролизера на силу тока 150 кА, химический состав газа, содержание в нем смолистых соединений и пыли.  
Данные исследования были выполнены на электролизерах относительно малой мощности. Обращает на себя внимание тот факт, что объем анодного газа, приходящийся на одну горелку, составлял в среднем около 33 нм3/ч. 
В последних исследованиях в данной области на электролизерах  
С-8БМ, работающих на сухой анодной массе и силе тока 168 кА, получены 
следующие результаты [10]. Приход анодного газа в одну горелку изменяется 
от 50,8 до 78,7 нм3/ч. Содержание СО в анодном газе, поступающем в горел

1.1. Характеристика пылегазовых выбросов 

9 

ки, колеблется в пределах 20,5–33,9 % об., в среднем СО = 28,3 % об. Содержание водорода составляет 2–2,5 % об. Средняя температура газа перед горелками составляет около 600 оС. 

Т а б л и ц а  1.2 

Качественный состав пылегазовой смеси, выделяющейся  
при производстве алюминия 
 
Газообразные компоненты 
Твердые частицы 

Фторид водорода HF  
Углеродная сажа С  

Тетрафторид углерода CF4  
Оксид алюминия Al2O3  

Дикарбонгексафторид C2F6  
Криолит Na3AlF6  

Тетрафторид кремния SiF4  
Хиолит Na5Al3F14 

Диоксид серы SO2  
Эльпазолит K2NaAlF6 

Трехокись серы SO3  
Фторид алюминия AlF3 

Сероводород H2S  
Фторид кальция CaF2 

Сероуглерод CS2  
Фторид магния MgF2  

Карбонилсульфид COS  
Смолистые вещества (углеводороды) 

Диоксид углерода CO2  
 

Монооксид углерода CO  
 

Вода H2O  
 

Смолистые вещества (углеводороды) 
 

Т а б л и ц а  1.3 

Основные параметры газа, поступающего в одну горелку  
от электролизера на силу тока 150 кА 
 

Параметр газа 
Единица  
измерения 
Среднее 
значение 
Пределы колебаний 
min 
max 

Объем газа 
нм3/ч 
33 
10 
66 

Температура газа 
оС 
464 
254 
676 

Химический состав: 
 
 
 
 

 Н2 
% об. 
5,5 
0,00 
17,52 

 О2  
% об. 
0,35 
0,00 
8,20 

 N2  
% об. 
2,15 
0,10 
46,40 

 СnНm  
% об. 
1,0 
0,00 
4,3 

 СО  
% об. 
52,0 
25,50 
69,80 

 СО2  
% об. 
39,0 
14,99 
56,10 

 SO2  
% об. 
2,9 
0,2 
4,6 

 НF  
г/ч 
28,0 
7,0 
58,8 

Содержание смолы 
г/ч 
332,0 
57,0 
1 400,0 

г/нм3
10,0 
1,72 
42,4 

 в т.ч. бенз(а)пирена 
мг/нм3
55 
30 
86 

мг/ч 
1 750 
950 
3 550 

Содержание пыли 
г/ч 
940 
440 
2 000 

 в т.ч. твердых фторидов 
г/ч 
130 
50 
290 

г/нм3
0,850 
0,210 
1,80 

1.  Характеристика и улавливание пылегазовых выбросов  

10 

Параметры газов, выбрасываемых в атмосферу от электролизеров 
с анодами Содерберга после системы газоочистки, приведены в табл. 1.4.  

Т а б л и ц а  1.4  

Характеристика очищенных газов 

Параметр газа 
Единица  
измерения 

Среднее 
значение 

Пределы колебаний

min 
max 

Объем газа (от одной дымососной) 
нм3/ч 
80 000 
65 000 
105 000 

Температура газа 
оС 
39 
30 
45 

Скорость газа 
м/с 
9,0 
7,0 
11,5 

Химический состав:  
 
 
 
 

 О2 
% об. 
18,8 
18,0 
19,8 

 СО2 
% об. 
2,0 
1,0 
3,2 

 СО 
г/нм3 
4,0 
0,3 
10,0 

 NOx 
г/нм3 
0,030 
0,010 
0,050 

 НF 
г/с 
0,08 
0,01 
0,18 

мг/нм3 
4,0 
0,5 
10,0 

 SO2 
г/с 
0,25 
0,10 
0,60 

мг/нм3 
11,0 
4,5 
30,0 

Содержание смолы 
г/с 
0,90 
0,40 
1,50 

мг/нм3 
40,0 
20,0 
67,5 

Содержание пыли 
г/с 
6,0 
1,4 
10,0 

мг/нм3 
280 
50 
450 

 в т.ч. твердых фторидов 
г/с 
0,57 
0,25 
0,85 

мг/нм3 
23,0 
10,0 
40,0 

 
Характеристика фонарных выбросов из электролизных корпусов, оборудованных электролизерами Содерберга, приведена в табл. 1.5. 

Т а б л и ц а  1 . 5   

Характеристика газов, выходящих через фонарь корпуса 

Параметр газа 
Единица 
измерения 

Среднее 
значение 

Пределы колебаний 

min 
max

Объем газа (от электролизного корпуса)
нм3/ч 
10 500 000 9 000 000 13 000 000

Температура газа
оС
5–10
-15 
40

Линейная скорость газа 
м/с 
1,6 
1,2 
1,9 

Выбросы загрязняющих веществ: 

 HF газообразный 
мг/нм3

г/с

0,44 
1,00

0,26 
0,60 

0,69 
1,60

 пыль 
мг/нм3 
г/с 
7,0 
15,0 
2,50 
4,5 
10,5 
30,0 

 в т.ч. фторид твердый 
мг/нм3 
г/с
0,90 
2,25
0,38 
0,65 
1,80 
4,50

 смолистые вещества 
мг/нм3 
г/с
0,30 
0,80
0,12 
0,30 
0,75 
2,00