Ученые ИРНИТУ примут участие в проекте РУСАЛа и СФУ по разработке сверхмощной энергоэффективной технологии получения алюминия РА-550

ИРНИТУ станет соисполнителем проекта Инженерно-технологического центра Объединенной Компании «РУСАЛ» и Института металлургии и материаловедения Сибирского федерального университета (СФУ). Комплексный проект «Разработка сверхмощной энергоэффективной технологии получения алюминия РА-550» стал победителем конкурса в рамках Постановления Правительства РФ N 218 (кооперация вузов и предприятий для создания высокотехнологичного производства). Разработка, направленная на увеличение сила тока промышленных электролизеров до 550 кА, позволит существенно снизить затраты на производство алюминия на новых алюминиевых заводах.
Проект получил поддержку на уровне Минпромторга РФ, Технологической платформы «Материалы и технологии металлургии». Сумма субсидии Министерства образования и науки РФ на 2016-2018 гг. составит 170 млн рублей. Из них 53 млн рублей будет направлено ИРНИТУ на создание энергоэффективного модуля улавливания и использования тепловой энергии.
Между ИРНИТУ и Институтом металлургии и метериаловедения СФУ подписано соглашение о сотрудничестве. Творческую группу иркутских ученых, которая будет заниматься проблемами очистки газов и эффективного использования тепловой энергии, возглавит начальник отдела инновационных технологий Физико-технического института ИРНИТУ Виктор Кондратьев. Он сообщил, что со стороны СФУ проект будет курировать д. х. н., Заслуженный металлург РФ Пётр Поляков. Он более 50 лет трудится на кафедре металлургии лёгких металлов и производства глинозёма. Результаты исследований этого учёного с мировым именем воплощены в отечественной металлургии в производственных решениях по совершенствованию конструкции алюминиевых и магниевых электролизёров.
Как известно, более ста лет алюминиевая промышленность использует электрохимический процесс для производства алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов с применением углеродного анода. Технологию производства непрерывно совершенствуют в сторону увеличения единичной мощности электролизеров. Ведущие алюминиевые компании мира стремятся к эксплуатации электролизеров, работающих на высокой силе тока, так как применение мощных электролизеров позволяет повысить экономическую эффективность новых заводов за счет снижения удельных капитальных и операционных затрат. Начиная с 20 века, сила тока промышленных электролизеров увеличилась от 20–40 до 400–500 кА.
В. Кондратьев подчеркнул, что производство алюминия является исключительно энергоемким: «Алюминий — это электроэнергия в металле. В древности алюминиевая посуда ценилась дороже золотой, так как процесс получения металлического алюминия основывался на восстановлении при высоких температурах. Алюминиевые заводы преимущественно строят в регионах, где есть свободный доступ к мощным источникам электроэнергии.
В настоящее время алюминий получают из глинозема (оксид алюминия Al2O3) электролизом расплавленных солей. Алюминий при этом восстанавливается и становится металлическим. Электролизер представляет из себя ванну, футерованную (защищенную) углеродными материалами, где находится расплав фтористых солей, сверху располагаются аноды. Через эту систему проходит постоянный ток. Напряжение, подаваемое на электролизер, составляет всего 4-5 В, но сила тока при этом огромная — на большей части современных производств она достигает 300 кА. Чем выше единичная сила тока на электролизере, тем меньше себестоимость алюминия.
Специалисты Инженерно-технологического центра РУСАЛа создали собственные современные конкурентоспособные высокоамперные технологии РА-300 и РА-400, обладающие высокими технико-экономическим и экологическим характеристикам, оптимальным соотношением капитальных и операционных затрат. Именно они выбраны в качестве базовых при строительстве Богучанского и Тайшетского алюминиевых заводов. Однако компания задалась целью разработать технологию электролиза на более высокую силу тока — 550 кА».
В. Кондратьев отметил, что новые электролизеры, применяемые на заводах РУСАЛ, экологически более приемлемые. Например, если сравнивать электролизеры старых и новой серий на Иркутском алюминиевом заводе (г. Шелехов), то при использовании первых образуется много пыли, выбросы фтора могут достигать 2,5 кг/т. В данном случае газоочистку организовать проблематично. Электролизеры новой серии герметично укрыты, время обслуживания минимальное, выбросы фтора не превышают 400 г/т.
Разработка новой технологии РА-550 предполагает использование передовых технических решений, направленных на снижение экологической нагрузки на окружающую среду.
"Творческая группа ученых ИРНИТУ задалась важной проблемой, связанной с тем, что тепловой баланс электролизера должен предусматривать отвод технологических газов, имеющих температуру до 200-250 градусов. Сухой способ очистки газа, основанный на способе осаждения фтора на поверхности глинозема, предусматривает его отделение через рукавный фильтр. Ткань рукавного фильтра, выдерживающая до 150 градусов, стоит в намного дешевле, чем та, которую можно использовать при 250 градусах. Кроме того, при нулевой температуре газ имеет один физический объем, а при ее повышении на каждый градус объем увеличивается. Чем холоднее воздух, тем меньше места в пространстве он занимает. В настоящее время строятся массивные газоочистки, требующие определенных затрат на обслуживание, приобретение дорогостоящей ткани. Если температура газа очень высокая, его нужно разбавлять воздухом, устанавливать мощные дымососы-вентиляторы.
Наша лабораторная проработка показала, что температуру газа можно довести до 100 градусов и снизить объем физической газоочистки минимум на 25 %. Чтобы тепло впустую не рассеивать в пространстве, мы планируем его аккумулировать и использовать для нагрева анодов электролизера. Зимой температура анода не превышает 5-10 градусов, и при помещении его в расплав с температурой свыше 900 градусов происходит мощный термический удар. В результате электролизер растрескивается, образуется угольная пена и пр. Таким образом, технико-экономические показатели электролиза снижаются. Если нагревать аноды до 100- 120 градусов, то ожидаемый эффект по экономии электроэнергии только на Иркутском алюминиевом заводе ожет ежегодно достигать 6-7 млн кВт⋅ч/т Al. Это хорошая экономия, если учесть, что стоимость электроэнергии для предприятий в регионе колеблется на уровне 1,5-2,5 рублей за один кВт⋅ч",- рассказал В. Кондратьев.
Инновационные технические решения ученых ИРНИТУ станут основой для создания опытного участка по очистке газов и использованию тепловой энергии на Саяногорском алюминиевом заводе (Республика Хакасия).