🔋 Алюминий — электролиз Hall-Héroult

Модуль #282. Казахстанский электролизный завод KAP (Павлодарский ЭЗ ENRC/ERG, мощность 250 000 т/год Al первичного), сырьё — глинозём Al2O3 от Павлодарского АГК + Тургайского глинозёмного. Процесс Hall-Héroult с 1886 г: Al2O3 растворяется в расплавленном криолите Na3AlF6 при 950-980 °C, через расплав пропускают постоянный ток 350-400 кА → катод (углерод) выделяет Al, анод (углерод) расходуется с выделением CO2. Энергопотребление 13.5 МВт·ч/т Al (лучшее мировое 12.5 МВт·ч/т у Norsk Hydro Karmøy), удельный расход анодов 420 кг C/т Al. EU IED BAT Reference для алюминия + ISO 14001 + СН РК 4.04-15.

1. Состав электролизного завода

EU IED BAT Reference Aluminium + ISO 14001 + Aluminium Stewardship Initiative ASI:

Электролизный корпус (potroom): 4-8 corpus-зданий длиной 1000-1200 м, ширина 30-35 м, ВРС 18-22 м, в каждом 200-300 электролизёров pre-baked anode типа AP-40 / AP-60 (Rio Tinto / Pechiney design) или Soderberg-устаревший.
Электролизёр (cell, pot): ванна-корпус сталь 8-12 мм + футеровка carbon-cathode 60-100 см толщ. + insulation refractory 30 см, размер 12×4×1 м, weight 50-80 т, ёмкость 8-12 т расплав. криолита.
Аноды (анодная масса): pre-baked anode block 1.5×0.7×0.6 м (1000 кг) — formed of petroleum coke + pitch binder, baked at 1200 °C в anode bake furnace; replaced каждые 25-28 сут.
Анодомассовый цех (Carbon Plant / Green Mill): производство «green anodes» — смесь нефтекокс (75%) + связующее каменноугольный pitch (15%) + recycled butt (10%), формование на vibroform 1200 т давление, weight 1100 кг.
Анодная обжиговая печь (Anode Bake Furnace): 2-3 печи cone-shaped, 50-80 sections × 24 цикла, режим 1200 °C × 14 сут × 56 анодов/section, газоочистка PFC + SO2.
Литейный цех (Casting House): печи отстаивания (settling furnace) 80-100 т ёмкость для AlSi5/AlMgZn сплавов + DC casters (Direct Chill) для слитков 7-12 т round/sheet ingots, или T-bar/slab.
Сухая газоочистка (Dry Scrubber FTP — Fluorine Treatment Plant): ALCAN dry scrubber или FLSmidth FFC, поглощение HF на свежем Al2O3 (поступающем как сырьё в электролизёр) → recovery эффективность 99.5% фтора.
Сухая газоочистка SO2 (опц.): для S-rich coke — Marubeni или Lurgi LP-FGD wet scrubber с известняком CaCO3 → CaSO4 (Gypsum byproduct).
Питание PFC (Perfluorocarbons) контроль: NEW BAT-RD анод-эффекты PFC (CF4, C2F6 — мощные парниковые газы GWP=6500-9200×CO2) — мониторинг 24/7 PFC sensor + automatic feed control.
Электропитание: ТЭЦ собственная 800-1200 МВт (для KAP — Аксу ГРЭС) → DC выпрямители Siemens SVC + transformers 800 МВА → busbar Al sheet, ток 400 кА × напряжение 4.0-4.5 В/cell × 200-300 cells = 1000-1300 В bus.
Рудный двор: хранение глинозёма Al2O3 100 000-200 000 т (под крышей silos 25-50 шт × 5000 т), pneumatic conveyor к potroom.
Литейные сплавы и продукция: primary Al ≥ 99.7% Al → ingot 22 кг, T-bar 1000-2000 кг, slab 7-12 т, billet (extrusion) Ø150-300 мм; secondary alloys (AlSi, AlMg, AlZn — для automotive).
Утилизация SPL (Spent Pot Lining): отработанная футеровка катода — содержит F + CN — обработка thermal destruction (Reynolds Process) или цементная инкапсуляция, ICCM Sustainable Industry.
Adm. блок + tester: метрологическая лаб ICP-OES Thermo + spark spectrometer Spectroport (анализ Al, Si, Fe, Cu), QA по AA1100/AA6061/EN 573-3.
Tankhouse pots в линейке (potline): 2-4 линии × 200-300 pots/линия, последовательное соединение (электрический series), общий ток 400 кА постоянный.

Упражнение 1 — Электролизёр Hall-Héroult

Электролизный завод 250 000 т Al/год. Какая конструкция электролизёра по EU IED BAT Reference Aluminium + AP-40 design?

Soderberg cell с обжигом анода в самой ячейке — устаревшийПростой стальной куб без футеровки + графитовый анод сверхуАлюминиевая ванна с водяным охлаждением вместо стальнойPre-baked anode point-feeder cell AP-40 / AP-60 (Rio Tinto / Pechiney) — текущий BAT по EU IED Reference: 1) Pot shell — стальная ванна 12 м × 4 м × 1 м, сталь S355 толщ. 8-12 мм с corrosion allowance, ребра жёсткости снаружи; weight pot empty 50-80 т, with electrolyte + Al = 130-160 т; 2) Cathode lining — углеродные блоки carbon-cathode (graphitised semi-graphitic) 60-100 см толщ. на дне pot, sealed with anthracite paste, connected к steel collector bar через cast iron; срок службы катода 4-6 лет; 3) Side lining — refractory insulating brick (Si-Mg-O alumina) 30 см толщ. на бортах pot, предотвращает теплопотери и contamination криолита; 4) Pre-baked anodes — 18-24 углеродные блока 1.5×0.7×0.6 м, masse каждый 1000-1200 кг, suspended на anode beam (mobile crane operation pot) с stub (стержень) Cu или Al, replacement через 25-28 сут; 5) Point feeders — 4-6 alumina hopper sensors с pneumatic conveyor, dosing Al2O3 каждые 60-90 секунд (concentration target 2-3% Al2O3 в криолите); 6) Anode beam — мобильная стальная конструкция 6×4×1 м с гидравлическим приводом для height adjustment (анод-катод gap 4.0-4.5 cm); 7) Side draft hood — крышка над pot со встроенным fume collection, gases HF + CO2 + dust → centralised FTP dry scrubber; 8) Magnetic field correction — busbars routed для минимизации electromagnetic disturbance расплавленного Al (Hall effect → stirring → metal pad oscillation); 9) Temperature monitoring — pyrometer optical + thermo-couple Pt-Pt/Rh каждый pot, target 955 °C ± 5 °C (выше — анодный effect, ниже — solidification); 10) Anode effect prevention — automatic feed control + voltage spike detection при concentration Al2O3 <1.5% → PFC emission CF4 (GWP=6500) и C2F6 (GWP=9200) — BAT-IED limit 0.05 кг CO2eq/т Al; EU IED BAT Reference Aluminium + ISO 14001 + ASI Performance Standard + AA SS-1 (Aluminum Association)

Упражнение 2 — Энергопотребление

Завод 250 000 т Al/год работает 24/7 × 365 сут = 8760 ч. Современный best practice (Norsk Hydro Karmøy Technology Pilot) = 12.5 МВт·ч/т Al. Российские/казахстанские заводы AP-40 → 14-15 МВт·ч/т Al. Каков годовой расход электроэнергии (МВт·ч/год для KAP при 13.5 МВт·ч/т)? Введи в формате (тыс. МВт·ч/год = ГВт·ч/год):

Упражнение 3 — Капекс завода 250 000 т Al/год

Алюминиевый электролизный завод KAP-уровня 250 000 т/год «под ключ»:

Земляные + фундаменты ж/б плита B30 4 corpus × 1000 × 35 м (140 000 м² × 12 000 тг) = 1.7 млрд тг
Каркас стальной ЛМК S355 4 corpus ВРС 22 м (140 000 м² × 35 000 тг) = 4.9 млрд тг
Сэндвич стен + кровля Kingspan PIR 200 мм (14 000 п.м × 28 000 тг + 140 000 м² × 18 000 тг) = 2.9 млрд тг
800-1000 электролизёров Pre-baked AP-40 (50 т сталь + 100 т углерод + 50 т огнеупор каждый) = 380 млрд тг
Углеродный (анодный) цех Green Mill + Anode Bake Furnace × 3 печи = 95 млрд тг
Casting House: 6 settling furnaces 80 т + DC casters Wagstaff + ingot/T-bar/slab lines = 65 млрд тг
Сухая газоочистка FTP (Fluorine Treatment Plant) Alcan dry scrubber × 4 corpus = 48 млрд тг
SO2 wet scrubber Marubeni (опц для high-S coke) + gypsum recovery = 12 млрд тг
PFC контроль + 24/7 sensors + automatic feed control = 4 млрд тг
ТЭЦ собственная 500 МВт × 800 млн тг/МВт (если новая) = 400 млрд тг (либо подача с Аксу ГРЭС через ЛЭП 500 кВ = 22 млрд тг)
DC выпрямители Siemens SVC 400 кА + transformers 800 МВА × 2 = 92 млрд тг
Busbar Al sheet (1000 т Al для шинопровода) + полировка + изоляция = 18 млрд тг
Рудный двор + 25-50 silos Al2O3 5000 т каждый + pneumatic conveyor + Аxu хранилище = 14 млрд тг
Газопровод + насосные водоснабжения промцикла + замкнутая система охлаждения = 11 млрд тг
SPL Spent Pot Lining утилизация Reynolds Process + landfill class III = 6 млрд тг
Метрологическая лаб ICP-OES Thermo + spark Spectroport + QA по AA1100/AA6061 = 1.8 млрд тг
Адм. корпус 5000 м² + LED освещение + помещ. для смены 4×600 чел + IT-инфраструктура = 14 млрд тг
EIA + ESIA EBRD + ASI сертификация + строит. лицензия + проектирование 5% + ПИР + НР + СП + пуско-наладка PNR + страхование = 65 млрд тг

Итого capex (тг, округл. до млрд):

Упражнение 4 — Anode effect и PFC

На электролизном заводе случается «anode effect» — что это и как предотвратить по EU IED BAT Reference + IAI (International Aluminium Institute)?

Это нормальное явление, не требует контроляЭто поломка анода, ремонт раз в годAnode effect (AE) — резкий рост напряжения на ячейке (с 4.2 В до 30-100 В) при дефиците Al2O3 в криолите → выделение PFC (CF4, C2F6) — мощных парниковых газов, требует предотвращения по EU IED BAT + IAI PFC Reduction Programme: 1) Механизм — когда концентрация Al2O3 в электролите падает <1.5% (норма 2-3%), на углеродном аноде вместо реакции 2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2 начинается реакция 4C + 4F⁻ (из криолита) → CF4 (тетрафторметан) + C2F6 (гексафторэтан); 2) GWP — CF4 имеет Global Warming Potential 6630× CO2, C2F6 — 11 100× CO2 (IPCC AR5), 1 кг PFC = 6-11 т CO2eq, поэтому AE — крупнейший источник парниковых газов алюм. промышленности; 3) Detection — автоматический мониторинг напряжения каждый pot 24/7, alarm при V>8 V (норма 4.0-4.5 V), PFC-sensor FTIR Bruker continuous на выхлопе FTP; 4) BAT-IED limit — 0.05 кг CO2eq/т Al от PFC emissions (vs Soderberg технология 5-15 кг CO2eq/т); современные AP-60 + Karmøy достигают 0.02-0.04 кг CO2eq/т Al; 5) Prevention — automatic point feeders с pneumatic dosing Al2O3 каждые 60-90 сек по сигналу voltage + Al2O3-meter; 6) Anti-AE algorithm — при V>5.5 V автоматическая «overfeed» 50% extra Al2O3 в pot на 2-3 минуты для restoration concentration; 7) Anode positioning — automatic adjustment anode-cathode distance ACD 4.0-4.5 см через gear motor (если расплав поднимается, anode опускается); 8) Crust monitoring — surface frozen crust на электролите должен быть unbroken (точечный feeder через crust hole), иначе break-through cools pot; 9) Reporting — quarterly report PFC emissions в IAI database + национальный реестр выбросов МЭ РК (по ПП РК №934 от 2007); 10) Energy savings — AE elimination даёт 0.5-1% energy saving (less voltage spikes) + 5-10% CO2eq reduction; EU IED BAT Reference Aluminium + IAI 2018 PFC Reduction Programme + ASI Performance Standard + ISO 14064 GHG + IPCC AR5 GWPСлучается только при пуске ячейки

Нормативная база

EU IED BAT Reference Aluminium 2017 — Best Available Techniques для производства алюминия (electrolysis + casting + anode plant)
EU IED Directive 2010/75/EU — Industrial Emissions Directive
ASI Performance Standard 2017 — Aluminium Stewardship Initiative (sustainability)
ASI Chain of Custody Standard — для green/responsible aluminium
ISO 14001 — Environmental management systems
ISO 50001 — Energy management systems
ISO 14064 — Greenhouse Gas Accounting and Verification
IPCC AR5/AR6 — Global Warming Potential factors (CF4=6630, C2F6=11100)
IAI PFC Reduction Programme 2018 — International Aluminium Institute
AA Standards (Aluminum Association) — AA1100, AA6061, AA7075 specifications
EN 573-3 — Aluminium and aluminium alloys chemical composition
ASTM B221 / B247 — Aluminum extrusions / forgings
СН РК 4.04-15 — Цветная металлургия (производственные здания)
СНиП 2.04.05-91* — ОВК для металлургических цехов
ПУЭ-7 — Электроустановки потребителей (DC ≥1 кВ для электролизёров)
ПП РК №934 от 2007 — учёт выбросов парниковых газов (национальный реестр)
LME Special High Grade SHG — биржевая категория Al ≥ 99.7%