Повышение экологической и энергетической эффективности производства алюминия

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПОВЫШЕНИЕ  ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ 
И  ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ  ЭФФЕКТИВНОСТИ 
ПРОИЗВОДСТВА  АЛЮМИНИЯ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2018 

Оглавление 
 

2 

УДК 669.713 
ББК 24.123 
        П 429 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
В. Ю. Бажин, доктор технических наук, профессор, декан факультета 
переработки минерального сырья Санкт-Петербургского горного университета, заведующий кафедрой автоматизации технологических процессов 
и производств;  
С. В. Голдаев, доктор физико-математических наук, профессор инженерной школы энергетики ФГАОУ ВО НИ «Томский политехнический 
университет»  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
П429          Повышение экологической и энергетической эффективности производства алюминия : монография / А. П. Скуратов,               
С. Г. Шахрай, И. В. Фомичев, А. В. Белянин. – Красноярск : Сиб.  
федер. ун-т, 2018. – 180 с. 
ISBN 978-5-7638-3922-7 
 
Исследовано повышение энергетической эффективности и экологических 
показателей оборудования алюминиевой промышленности. Представлены материалы по нормативно-правовому регулированию алюминиевой промышленности в области охраны окружающей среды. 
Предназначена научным сотрудникам и инженерно-техническим работникам, решающим вопросы повышения эффективности и экологической безопасности оборудования алюминиевой промышленности, студентам металлургических и теплоэнергетических специальностей.  
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 669.713  
ББК 24.123 
 
ISBN 978-5-7638-3922-7                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2018 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 5 
Г л а в а  1.  ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ  ЭФФЕКТИВНОСТЬ   
                     И  ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ  БЕЗОПАСНОСТЬ  ОБОРУДОВАНИЯ   
                     СОВРЕМЕННЫХ  АЛЮМИНИЕВЫХ  ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ........... 8 
1.1. Основные направления энергосбережения  
       в электролизном производстве ............................................................................. 9 
1.1.1. Мероприятия интенсивного энергосбережения  
          в производстве алюминия ......................................................................... 9 
1.1.2. Энергетическая модернизация  
         алюминиевых электролизеров ................................................................. 17 
1.1.3. Утилизация теплоты анодных газов, удаляемых  
          от алюминиевых электролизеров ........................................................... 18 
1.2. Основные направления повышения экологической  
       безопасности оборудования ................................................................................ 20 
1.2.1. Газосборный колокол электролизера  
          с самообжигающимся анодом ................................................................. 22 
1.2.2. Горелочные устройства дожигания анодных газов .............................. 25 
1.2.3. Газоходные тракты корпусов производства алюминия  
          и способы их обслуживания ................................................................... 28 
Г л а в а  2.  ПОВЫШЕНИЕ  ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ  БЕЗОПАСНОСТИ 
                    АЛЮМИНИЕВЫХ  ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ........................................... 34 
2.1. Разработка рациональных конструктивных параметров 
        газосборного колокола ....................................................................................... 34 
2.2. Моделирование и разработка рациональных конструкций 
       горелок и способов газоудаления ....................................................................... 41  
2.3. Оценка влияние газовых балластных примесей  
       на устойчивость работы горелки ........................................................................ 57 
2.4. О механизме коагуляции пылевых частиц в горелке ....................................... 59 
2.5. Расчетный анализ процесса седиментации  
       в горелке пылевых конгломератов ..................................................................... 64 
2.6. Разработка системы импульсной автоматической очистки  
       от отложений горелок и газоходов ..................................................................... 68  
2.7. Моделирование движения пылевых частиц  
       в закрученном воздушном потоке ...................................................................... 72 
2.8. Организация улавливания смолистых веществ с поверхности  
       самообжигающегося анода и от охлаждаемого анодного штыря ................... 75 
2.9. Экспериментальные исследования температурных режимов  
       сжигания смолистых веществ (нафталина и антрацена) ................................. 77 
 

Оглавление 
 

4 

Г л а в а  3.  ПОВЫШЕНИЕ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ  ЭФФЕКТИВНОСТИ 
                    АЛЮМИНИЕВЫХ  ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ........................................... 82 
3.1. Анализ влияния факторов на потери напряжения  
       в газосодержащем слое электролита .................................................................. 82 
3.2. Разработка мероприятий по уменьшению газового слоя  
       под анодом ............................................................................................................ 86 
3.3. Численное исследование влияния на энергопотребление  
       габаритов самообжигающегося анода ............................................................... 91  
3.4. Анализ потерь теплоты поверхностями  
       алюминиевого электролизера ........................................................................... 100 
3.5. Технические решения по утилизации теплоты  
       процесса электролиза ........................................................................................ 104 
3.6. Анализ энергетических затрат на эксплуатацию  
       газоходной сети корпуса электролиза ............................................................. 111 
3.7. Расчет газоходной сети корпуса электролитического  
       производства алюминия .................................................................................... 114 
Г л а в а  4.  ВОПРОСЫ  НОРМАТИВНО-ПРАВОВОГО  РЕГУЛИРОВАНИЯ   
                     АЛЮМИНИЕВОЙ  ПРОМЫШЛЕННОСТИ  В  ОБЛАСТИ   
                     ОХРАНЫ  ОКРУЖАЮЩЕЙ  СРЕДЫ .............................................. 122 
4.1. Алюминиевая промышленность в контексте  
       международного экологического права .......................................................... 122 
4.2. Механизмы регулирования эмиссий и поглощения  
       парниковых газов на международном уровне ................................................ 125 
4.3. Нормативно-правовое регулирование охраны окружающей среды  
       в Российской Федерации при производстве алюминия ................................. 129 
4.3.1. Нормирование в области охраны окружающей среды ....................... 130 
4.3.2. Требования природоохранного законодательства  
           при осуществлении инвестиционной деятельности  
          (реконструкция, новое строительство) ................................................ 141  
4.3.3. Реформирование природоохранного законодательства  
          Российской Федерации. Перспективы ................................................. 145 
4.3.4. Управление парниковыми газами в Российской Федерации  
           на государственном и производственном уровнях ............................ 149 
4.4. Международный стандарт ISO 14001 – возможность 
       для эффективного управления охраной окружающей среды  
       при производстве алюминия ............................................................................. 154 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 156 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 158 
 

Введение 
 

5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Производство алюминия во всем мире является одной из самых 
энергоемких отраслей экономики, оказывающей существенную техногенную нагрузку на окружающую среду. В интересах сохранения природного 
равновесия и минимизации вреда, наносимого окружающей среде, от 
предприятий металлургического комплекса требуется решить множество 
технологических и экологических проблем. Среди них основными являются: 
оценка фактического состояния окружающей среды, поиск новых путей 
снижения негативного воздействия на природу, реконструкция существующих и строительство новых производств с учетом требований природоохранного законодательства, внедрение энергоэффективных и экологически 
чистых технологий. 
Алюминиевая промышленность является стратегически важной отраслью экономики России. Алюминий, в силу своих уникальных физических и химических свойств, становится все более важным материалом для 
изготовления продукции и изделий, которых требует современное общество. 
Конструкционные материалы на основе алюминия широко используются 
в оборонной промышленности, автомобилестроении, авиации, строительстве 
и электротехнике, в производстве бытовых, пищевых и медицинских товаров. 
Алюминий – металл высоких технологий, металл будущего, на его основе 
создаются новые материалы и новая техника, которые радикально и благоприятно изменяют условия жизнеобеспечения человека и способствуют 
решению глобальных мировых проблем – энергосбережения и экологической безопасности. Сегодня трудно представить возможность реализации 
ряда наукоемких технологий без применения алюминия. 
Россия является одним из крупнейших производителей и экспортеров 
алюминия в мире. Современные технологии алюминиевого производства, 
используемые в мировой и отечественной практике, сопряжены с риском 
негативного воздействия на окружающую среду. Особенностью отечественного металлургического производства является негативное воздействие 
на все составляющие окружающей среды и загрязнение почв по причине 
массового складирования отходов различных классов опасности, сброс недостаточно обработанных производственных вод в водные объекты, а также 
технологический цикл, который подразумевает выбросы в атмосферу      
целого спектра токсичных для человеческого организма веществ, включая 

Введение 
 

6 

бенз(а)пирен, фтористые соединения, оксиды серы и углерода, различного 
рода пылевые частицы. 
На производство примерно 57 млн т/год металла алюминиевая промышленность затрачивает около 8 % вырабатываемой в мире электроэнергии, 
и эти показатели непрерывно растут. По оценке аналитиков, ежегодно          
мировое потребление алюминия увеличивается более чем на 1,2 млн т 
к объемам существующего производства. 
Российская алюминиевая промышленность в общей сложности           
выпускает до 3,6 млн т/год металла, из них около 40 % производится в современных электролизерах с обожженными анодами и более 60 % в электролизерах с самообжигающимися анодами. При производстве 1 т металла 
в электролизерах с обожженными и самообжигающимися анодами расходуется соответственно 13,0…14,5 и 15…16 тыс. кВт·ч электроэнергии.  
Годовое потребление электроэнергии алюминиевой отраслью превышает 
60 млрд кВт·ч, что равно суммарной выработке крупнейших в мире Красноярской, Братской и Саяно-Шушенской ГЭС или тепловых электростанций, 
сжигающих 24 млн т/год угля.  
При производстве 1 т алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами образуется около 1,5 т газообразных и твердых загрязняющих веществ, из которых порядка 90 % улавливается и обезвреживается 
системой газоудаления, что недостаточно для достижения допустимого 
уровня выбросов, установленного Законодательством Российской Федерации 
в области охраны окружающей среды. 
Высокое энергопотребление алюминиевыми электролизерами с самообжигающимися анодами является следствием их низкой энергетической 
эффективности, не превышающей 45 %. Более половины потребляемой 
электролизерами энергии рассеивается через поверхности в виде теплоты 
в окружающую среду и затрачивается на преодоление сопротивления прианодного газосодержащего слоя электролита и контактных узлов токопроводящей цепи. 
В данной монографии исследован современный уровень энергетической 
эффективности и экологической безопасности алюминиевых электролизеров и представлен разработанный авторами комплекс технических и технологических решений по повышению их энергетической эффективности 
и экологических показателей.  
 
 

*      *     * 

Авторы выражают искреннюю благодарность за помощь и поддержку 

при выполнении исследований и реализации результатов коллегам из Федерального государственного образовательного учреждения высшего обра

Введение 
 

7 

зования «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск), Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (г. Иркутск), государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский горный 
университет» (г. Санкт-Петербург), а также сотрудникам объединенной 
компании «Русский алюминий (РУСАЛ)» – Инженерно-технологического 
центра, Красноярского, Братского, Новокузнецкого, Иркутского и Саяногорского алюминиевых заводов), НТЦ «Легкие металлы», ООО «ТОРИНС». 

Г л а в а  1.  Энергетическая эффективность и экологическая безопасность оборудования… 
 

8 

 
Г л а в а  1 

 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ   
ЭФФЕКТИВНОСТЬ  И  ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ  
БЕЗОПАСНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ 
СОВРЕМЕННЫХ  
АЛЮМИНИЕВЫХ  ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ 
 
Алюминиевые электролизеры являются агрегатами, характеризующимися низкой энергетической эффективностью, не превышающей 42…45 %. 
Обусловлено это тем, что в электролите рассеивается порядка 80 % всей 
потребляемой электролизером энергии, из которой 49 % расходуется на 
разложение глинозема, не превращаясь в тепло, а 31 % выделяется в виде 
джоулева тепла и теряется через анод, криолитоглиноземную корку, бортовые стенки и с анодными газами.  
В современных условиях проблема повышения энергетической       
эффективности решается путем модернизации существующих электролизеров и разработки новых конструкций, а также разработки и внедрения 
энергосберегающих мероприятий: сокращение газонаполненности электролита и затрат энергии на преодоление сопротивления газовых пузырей, 
рационализация системы питания электролизера и повышение интенсивности растворения глинозема в электролите, сокращение частоты анодных 
эффектов, повышение эффективности управления теплоэнергетическим 
балансом электролизера, совершенствование алгоритмов управления процессом электролиза, использование теплоты анодных газов на нагрев теплоносителя, например воды, с дальнейшим его использованием на технологические или энергетические нужды. 
При производстве 1 т алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами образуется в среднем 35…50 кг фтористых соединений, 
16…20 кг диоксида серы и 300…400 кг оксида углерода. Согласно современным экологическим требованиям более 95 % этих веществ должно 
улавливаться системой газоотсоса электролизера и направляться на обезвреживание в газоочистные установки. Фактически этот показатель ниже, 
в силу того, что состояние системы газоотсоса не соответствует современному уровню развития процесса электролиза, протекающего в алюминиевом 
электролизере.  
В главе 1 представлены основные мероприятия повышения энергетической эффективности и экологической безопасности алюминиевых 
электролизеров с обожженными и самообжигающимися анодами. 

1.1. Основные направления энергосбережения в электролизном производстве 
 

9 

1.1. Основные направления энергосбережения 
в электролизном производстве 
 
В современных условиях мероприятия, направленные на повышение 
энергетической эффективности, можно условно разделить на три группы:  
1. Интенсивное энергосбережение – сокращение газонаполненности 
электролита, рационализация системы питания электролизера и повышение 
интенсивности растворения глинозема в электролите, сокращение частоты 
анодных эффектов, повышение эффективности управления теплоэнергетическим балансом электролизера, совершенствование алгоритмов управления 
процессом электролиза.  
2. Энергетическая модернизация – разработка и внедрение новых  
материалов – графитовых и антрацито-графитных блоков для футеровки 
катодного кожуха, внесение дизайнерских изменений в конструкцию электролизеров и форму катодов, совершенствование ошиновки и контактных 
узлов электрической цепи. 
3. Утилизационные мероприятия – охлаждение эвакуируемых от 
электролизеров газов с целью уменьшения их физических объемов и энергозатрат на транспортировку, уменьшения мощностей эксплуатируемых    
газоочистных установок, а также использования теплоты охлаждаемых           
газов на нагрев теплоносителя, например воды, с дальнейшим использованием его на технологические или энергетические нужды. 
 
1.1.1. Мероприятия интенсивного энергосбережения  
в производстве алюминия 

Объем газов, находящихся под анодами, составляет от 20 до 30 % 
объема междуполюсного расстояния (МПР) между анодом и катодом [1], 
что приводит к падению напряжения на газосодержащем слое и увеличению 
удельного расхода электроэнергии. На электролизерах с обожженными 
анодами толщина газового слоя составляет 5,3…12,5 мм [2], а падение напряжения от 150 до 350 мВ [3]. На электролизерах с самообжигающимися анодами падение напряжения на газосодержащем слое электролита значительно 
выше, от 400 мВ и более. На преодоление сопротивления газосодержащего 
слоя электролизера с обожженными и самообжигающимися анодами расходуется электроэнергии соответственно 600…800 и 1 200…1 400 кВт·ч/т 
алюминия. 
На электролизерах с обожженными анодами проблема снижения           
газонаполненности электролита решается устройством продольных или 
поперечных пазов с наклоном или без такового на рабочей поверхности 
анода, погружаемой в расплав (рис. 1.1). Устройство продольных пазов 
обеспечивает меньшую длину пути газовых пузырей до края подошвы 

Г л а в а  1.  Энергетическая эффективность и экологическая безопасность оборудования… 
 

10 

анода, а также увеличивает скорость циркуляции электролита в центральном 
сечении электролизера и улучшает растворимость глинозема. При устройстве в аноде продольных наклонных пазов, обеспечивающих сход газа 
в центральную часть электролизера, снижается тепловая нагрузка на борта 
и улучшаются условия формирования защитных настылей и гарнисажей. 
Кроме этого, отвод газов в центральную часть электролизера способствует 
более эффективному их сбору системой газоотсоса и повышению таким 
образом экологических показателей электролизного производства. 
 

 
 

Устройство пазов также необходимо, чтобы снизить скорость циркуляции 
электролита и его турбулизацию в граничной зоне металл-электролит. Это 
снижает вторичное окисление металла, 
растворенного в электролите. 
Испытания на опытном участке 
Уральского алюминиевого завода оборудованных продольными пазами анодов 
обеспечили снижение рабочего напряжения на электролизерах на 200 мВ, расход 
электроэнергии на 350  кВт·ч/т алюминия. При этом частота анодных эффектов 
составила 0,09 сут–1, что в 2 раза ниже, 
чем на электролизерах со стандартными 
анодами [4]. 
Рис. 1.1 Анод с продольными пазами 

Использование на электролизерах ОА-120 и ОА-160 Красноярского 
и ОА-300 Иркутского алюминиевых заводов анодов с пазами позволило 
снизить напряжение на 100…130 мВ и уменьшить расход электроэнергии 
на 500  и 300 кВт·ч/т алюминия соответственно [5]. Испытания анода с пазами на электролизерах силой тока 300 кА на одном из китайских алюминиевых заводов позволили снизить напряжение на 41 мВ [6]. 
Применение обожженных анодов с наклонной нижней поверхностью 
(рис. 1.2) согласно [7] уменьшает удельный расход электроэнергии 
с 13 000  до 11 000…12 000 кВт·ч/т алюминия. Обеспечиваются такие показатели уменьшением теплообразования в электролите и плотности тока 
путем увеличения активных поверхностей анода и катода и придания им 
оптимальной формы.  
Наклонные поверхности позволяют снизить плотность тока с 0,65…0,85  
до 0,6 А/см2 и ниже, а также уменьшить приблизительно на 40 % тепловые 
потери с отходящими газами (с 2 500 до 1 500 кВт·ч/т алюминия). Для этого 
электролизер разгерметизируется 1 раз в день для выпуска металла, что 
снижает объем газоудаления наполовину, без риска увеличения выброса 

1.1. Основные направления энергосбережения в электролизном производстве 
 

11 

фторидов. Уменьшение объема отходящих газов на 50 % позволяет соответственно снизить затраты на трубопроводы и газоочистные установки. 
За счет наклонной поверхности анода сопротивление пузырькового слоя 
падает, что уменьшает удельный расход электроэнергии приблизительно 
на 300 кВт·ч/т алюминия. Расход анода за счет уменьшения окисления сокращается до 400 кг/т алюминия. 
 

 
 
Рис. 1.2 – Электролизер с обожженными анодами и наклонной нижней 
поверхностью (фрагмент): 1, 2 – анодные блоки; 3 – замазочный слой, 
соединяющий анодные блоки; 4 – проход; 5 – расплав электролита; 
6 – корка; 7 – слой жидкого алюминия; 8 –карбокерамическое дно;   
9 – теплоизоляция; 10 – поперечная связка из полосовой стали; 11 – 
опорная поперечина; 12 – стальные бруски, прессующие графит;         
13 – крупный графитовый порошок, заполняющий зазор между 
связкой 10 и продольной стороной анодного блока; 14 – продольный паз 
в катодном блоке; 15 – забивка на основе углерода или графита, твердеющая при коксовании связующего; 16 – катодный блок; 17 – блюмс 
 
Способ снижения газонаполненности электролита – устройство 
в обожженном аноде 8…10 вертикальных отверстий в виде усеченных ко

Г л а в а  1.  Энергетическая эффективность и экологическая безопасность оборудования… 
 

12 

нусов, нижний диаметр которых больше верхнего в 1,9…2,1 раза и составляет 80…100 мм, что обеспечивает более быстрый и качественный вывод 
анодных газов, уменьшение сопротивления электролита в МПР до 9 %, 
расход электроэнергии на 1 200…1 500 кВт·ч/т алюминия [8].  
Увеличение амперной нагрузки современных электролизеров Содерберга до 170…180 кА повысило тепловую нагрузку на анод и изменило характер его спекания. В среднем повышение силы тока на каждые 2 кА 
приращивает высоту конуса спекания анода на 1 см. С увеличением высоты конуса спекания происходит снижение высоты слоя коксопековой композиции, что оказывает негативное влияние на процессы, протекающие 
в верхнем слое анода. Чем быстрее коксуется анод и чем выше конус спекания, тем длиннее путь газов, стремящихся к поверхности анода и тем 
сильнее их давление. Высокая температура верха анода может приводить 
к тому, что анодная масса после загрузки расслаивается. Это сопровождается образованием на поверхности анода отстоев пека и оседанием крупных 
частиц кокса на конус спекания. Таким образом формируются два слоя 
анода, первый – крупнозернистый, имеющий увеличенную пористость, что 
повышает осыпаемость и выход пены в 1,5…2 раза. Второй, состоящий        
из пылевых частиц и пека, более подвержен образованию трещин и расслоению анода. Кроме того, на подошве анода возможно образование        
лунок за счет попадания подштыревой анодной массы сразу же в зону высоких температур и её периодических протеках под штырь [9].  
Приемлемых технических решений по снижению газонаполненности 
электролита электролизера Содерберга в настоящее время не найдено. Отвод 
газов через трубу, запеченную в тело анода, предусматривает установку 
короба из листовой стали (рис. 1.3) [10; 11]. Устройство значительно 
уменьшает газонаполненность электролита. При этом частота разрушения 
корки электролита минимальна, что уменьшает потери теплоты и фтористых солей электролизером. Однако внедрение короба уменьшает полезную 
площадь анода, создает сложности питания ванны в непрерывном режиме, 
а также несет риск забивания газоотводящей трубы электролитом.  
Формирование на боковой поверхности анода вертикального кармана 
с помощью сегментообразной трубы также способствует снижению потерь 
сырья и улучшению условий вывода анодных газов (рис. 1.4) [12]. При 
этом в нижней части анода образуется полость, окруженная стенками раскаленного угольного анода, где не образуется электролитной корки. Такой 
способ снижения газонаполненности электролита имеет ряд недостатков: 
уменьшение площади анода, малый объем карманов, недостаточный для 
сбора фторида водорода, образующегося при загрузке в расплав глинозема, 
сложность герметизации кармана и отверстия в поясе газосборного колокола в условиях действующего электролизера.