STATE OF PRIMARY ALUMINUM PRODUCTION INDUSTRY AT BEGINNING OF 2020

СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРВИЧНОГО АЛЮМИНИЯ НА НАЧАЛО 2020 ГОДА

Обзорная статья

Шестаков А.К.^1, *, Садыков Р.М.² , Петров П.А.³

¹ ORCID: 0000-0002-5448-2995;

² ORCID: 0000-0001-9008-4006;

³ ORCID: 0000-0002-2883-9823;

^{1, 2, 3} Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (Shestakov.Alexey[at]mail.ru)

Аннотация

В статье отображены текущее состояние алюминиевой промышленности по объемам производства и динамика роста стран – лидеров по производству алюминия, а также статистические данные по объемам производства к началу 2020 года по регионам мира, по странам и по основным предприятиям – производителям. Приводятся оценочные сведения о влиянии распространения COVID-19 на алюминиевую промышленность.

Рассмотрены новейшие и перспективные направления, разработки, а также существующие проблемы в области первичного производства алюминия на начало 2020 года.

Ключевые слова: производство алюминия, статистика производства алюминия, состояние алюминиевой промышленности, инертные аноды, низковольтный анодный эффект, энергоэффективность, электричество, загрязнение окружающей среды.

STATE OF PRIMARY ALUMINUM PRODUCTION INDUSTRY AT BEGINNING OF 2020

Review article

Shestakov A.K.^1, *, Sadykov R.M.², Petrov P.A.³

¹ORCID: 0000-0002-5448-2995;

²ORCID: 0000-0001-9008-4006;

³ORCID: 0000-0002-2883-9823;

^{1, 2, 3} St. Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russia

* Corresponding author (Shestakov.Alexey [at] mail.ru)

Abstract

The paper considers the current state of the aluminum industry in terms of production and growth dynamics in the aluminum production leading countries, as well as statistical data on production volumes by the beginning of 2020 by region of the world, by state, and by the main enterprise-producer. The estimated information is provided on the impact of the spread of COVID-19 on the aluminum industry.

The latest promising areas, developments, as well as existing problems in the field of primary aluminum production at the beginning of 2020 are considered as well.

Keywords: aluminum production, aluminum production statistics, state of the aluminum industry, inert anodes, low voltage anode effect, energy efficiency, electricity, environmental pollution.

Введение

На момент написания статьи еще рано подводить итоги и сложно давать уверенные долгосрочные прогнозы о том, как скажутся на мировой экономике и промышленности сильные потрясения первой половины 2020 года, связанные с распространением COVID-19 и введением ряда вынужденных ограничительных мер, призванных к сдерживанию распространения коронавирусной инфекции, таких как массовая приостановка работ предприятий. Несмотря на все вышесказанное, маловероятно, что в будущем, в среднесрочной перспективе, произойдет значительное снижение спроса на первичный алюминий, хотя некоторые аналитические агентства в краткосрочной перспективе ожидают снижение и мирового спроса на алюминий до 5,4% в 2020 году [1].

Основная часть

В 2019 году по всему миру было произведено 63,697 млн т первичного алюминия. Рост совокупного годового мирового производства за десятилетие составил более чем в 1,5 раза (прирост 21 млн т, за 2010 год производительность равнялась 42,353 млн т) [2]. Для того чтобы следить за применяемыми передовыми технологиями в алюминиевой промышленности, следует знать лидеров рынка, а значит необходимо произвести анализ основных стран и компаний – производителей алюминиевой промышленности.

На рисунке 1 представлены регионы мира с указанием объема производства первичного алюминия за 2019 г.

 

Рис. 1 – Объем производства первичного алюминия по миру за 2019 год, млн т по регионам мира [2]

 

С августа 2003 года по начало 2020 года лидером по производству первичного алюминия остается Китай, опережая ближайших конкурентов из стран Персидского залива в 6,5 раз по совокупному производству количества млн т алюминия в год. На Китай приходится более половины мирового производства первичного алюминия. Между тем, начиная с 2017 года, производительность Китая в алюминиевой промышленности вышла на «плато» и на 2019 год составляла 36 млн т в год [2].

На рисунке 2 отображены ведущие мировые компании по производству первичного алюминия в 2019 году, исходя из объема производства (млн т) [3].

 

Рис. 2 – Ведущие мировые компании производители первичного алюминия в 2018 – 2019 годах [3]

 

Основными производителями первичного алюминия Китая являются компании Chinalco, Hongqiao Group, Xinfa, а также SPIC.

Китайские компании, в основном, используют электролизеры конструкции PFPB – электролизеры с точечными питателями и обожженными анодами. Большинство китайских электролизеров не оборудованы системами автоматической ликвидации (гашения) АЭ (анодных эффектов) [6].

Страны Персидского залива, занимающие второе место по производству алюминия, за 2019 год произвели 5,7 млн т алюминия. С 2014 года этот регион стал вторым производителем первичного алюминия в мире, обогнав Северную Америку. Ведущим и практически единственным производителем алюминия является компания EGA (Emirates Global Aluminium, расположенная в ОАЭ), образованная в результате слияния в 2013 году двух компаний – DUBAL (Dubai Aluminum, образована в 1975) и EMAL (Emirates Aluminium, образована в 2007). На данном предприятии используются электролизеры серии DX и DX+, конструкции PFPB. Новейшие электролизеры оборудованы системой автоматического предотвращения анодных эффектов [3].

Третье место делят между собой Азиатский регион и Восточная и Центральная Европа, Северная Америка и Западная Европа (4,395; 4,157; 3,809 и 3,449 млн т в год соответственно) [2].

В России ведущим производителем является РУСАЛ. Основные тенденции российской компании – увеличение используемого числа сверхмощных электролизеров с обожженными анодами собственной разработки (РА-300, РА-400 и РА-550, см. таблицу 1). Следующая цель – создание электролизера мощностью 700 кА [5].

Серии электролизеров РА-300 были внедрены на Хакасском и Богословском алюминиевых заводах. РА-400 и РА-550 планируется использовать в качестве основных на строящемся с 2008 года Тайшетском алюминиевом заводе.

 

Таблица 1 – Технические характеристики сверхмощных электролизеров серии РА [5]

Параметр	РА-300	РА-400	РА-550
Сила тока (ток), кА	320	440	545
Выход по току, %	94,5	95,0	95,5
Потребление (потребляемая мощность), кВч/т	<13700	<13300	<12900
Выбросы ПФУ, кг/т	0,26	0,25	0,20

 

Конструкция новейшего электролизера РА-550 отличается модульностью и новым исполнением ошиновки: ток подается с двух сторон для более эффективной компенсации магнитных полей и улучшения МГД-стабильности.

РУСАЛ поэтапно внедряет собственную разработку системы видеомониторинга «Эколоджист» (см. рисунок 3), предназначенную для автоматического наблюдения за выбросами в окружающую среду и за состоянием электролизеров. Система тестируется на КРАЗе на 5 и 6 сериях верхнего токоподвода (VSS).

 

Рис. 3 – Пример работы видеосистемы «Эколоджист»

 

Компания занимается модернизацией электролизеров Содерберга с верхним токоподводом, направленной на повышение экологичности производства и снижения вредных выбросов в окружающую среду. Данная технология получила название «ЭкоСодерберг». Её реализация включает в себя двухступенчатую газоочистную установку «сухая + мокрая», позволяющую улавливать не только перфторуглероды (ПФУ), но и сернистый газ (SO₂). При использовании данной технологии эффективность удаления соединений фтора может достигать 97,5%. Во всем мире только единичные заводы оборудованы подобными комплексными газоочистками. На начало 2019 года компания переоснастила часть своих электролизеров (см. рисунок 4) [5]. Компания утверждает, что внедрение данной технологии позволит существенно снизить уровень выбросов до сравнимого с уровнем выбросов от электролизеров с обожженными анодами.

 

Рис. 4 – Процент электролизеров с системой ЭкоCодерберг на заводах РУСАЛа от общего числа на 2019 год [5]

 

Одним из перспективных направлений в области снижения энергозатрат является борьба с анодными эффектами. В настоящее время выделяют высоковольтный (HVAE) и низковольтный (LVAE) анодные эффекты. Последний был обнаружен в середине 2000-х гг [6], [10]. В настоящее время известно, что такие события приводят к образованию выбросов перфторуглеродов с течением времени.

Перфторуглероды играют важную роль в образовании парниковых газов в производстве алюминия. Тетрафторметан (CF₄) и гексафторэтан (C₂F₆) образуются в процессе электролиза, когда в ячейке происходит вредное явление, называемое анодным эффектом. Этот эффект тесно связан с недостатком глинозема и распределением тока в электролизной ванне [10].

Низковольтный анодный эффект трудно обнаружить в ходе нормального процесса электролиза, и поэтому необходимы новые инструменты для прогнозирования этого события и минимизации его возникновения [7].

Неспособность восполнить концентрацию глинозема в электролите или последующая неспособность транспортировать этот насыщенный электролит в межполюсную зону приводит к анодным эффектам, явлению, когда пассивация анодов приводит к разложению других видов фтора, с образованием газов CF₄ и C₂F₆. Кроме того, все больше данных свидетельствует о том, что тенденции к увеличению длины электролизных ванн порождают новые типы анодных эффектов, которые трудно обнаружить. Анодные эффекты не только приводят к потере энергии и потенциальной нестабильности в работе электролизеров, но и способствуют парниковому эффекту, так как сопутствующие выбросы ПФУ обладают высоким потенциалом глобального потепления [8], [9].

Современные электролизные ванны для производства алюминия используют технологию точечной подачи для восполнения глинозема по мере его потребления в элeктролитическом процессе. Поскольку увеличились размеры ванн и интенсивность процесса электролиза, стало труднее контролировать процесс растворения глинозема. Масса глинозема, добавляемого в единицу времени, теперь намного выше, чем десять лет назад, и должна размешиваться в меньшем объеме электролита.

Серьезной проблемой для алюминиевой промышленности являются выбросы вредных веществ в окружающую среду в ходе производства. В настоящее время из-за недостаточной автоматизации, ванны часто приходится разгерметизировать и открывать, что резко уменьшает количество собираемых газов и увеличивает количество выбросов, которые вредны как для работников предприятия, так и для окружающей среды.

Многообещающей технологией в алюминиевой промышленности является разработка, производство и применение инертных анодов. На данный момент о запуске собственных проектов по разработке инертных анодов заявили две компании: российский РУСАЛ и американская Alcoa.

В отличие от угольных анодов, инертный не должен сгорать. Без углерода не формируется углекислый газ. Таким образом, при использовании инертных анодов, в процессе электролитического восстановления алюминия выделяются алюминий и кислород [14].

В долгосрочной перспективе РУСАЛ надеется заменить свои VSS (Vertical Stud Soderberg) электролизеры на электролизеры с инертными анодами. В данной технологии отсутствуют выбросы полиароматических углеводородов, оксида углерода, а выбросы ПФУ будут меньше в 2 раза [5], по сравнению с современными электролизерами с обожженными угольными анодами, но нет информации, что данная технология уже достаточно разработана или хоть сколько-то готова к внедрению [12].

В Северной Америке компания Alcoa совместно с Rio Tinto, при поддержке правительства Канады, Квебека и компании Apple разрабатывает электролизеры с инертными анодами. Проект был анонсирован 10 мая 2018 года и получил название ELYSIS. На разработку было выделено 188 миллионов долларов [11].

В настоящее время основным решением, обеспечивающим высокую производительность при производстве алюминия, является использование электролизеров с обожженными анодами (PFPB) и с точечной подачей глинозема.

Одним из направлений повышения объема производства первичного алюминия является увеличение размеров электролизных ванн и силы тока в единицу времени. Большая часть постепенного роста силы тока на существующих площадках сопровождается увеличением размера анода, которое, параллельно, приводит к уменьшению объема ванны и доступного для растворения глинозема объема электролита. Рост размера анода часто достигается увеличением длины анода по направлению к боковым стенкам электролизных ванн. Однако, в большинстве случаев, также уменьшается ширина центрального канала [15].

Увеличение размера анодов не только уменьшает общий объем ванны, но и заметно уменьшает и потенциальную частоту циркуляции в зонах растворения. Более того, рост цен на электроэнергию все больше заставляет металлургические предприятия ценить более высокую энергоэффективность, а не производительность. Энергоэффективность обычно достигается за счет снижения потребляемой мощности в ваннах.

Следующая тенденция в развитии технологии восстановления алюминия фокусируется на экономиях в масштабах благодаря строительству более крупных ванн, способных работать при большей силе тока [16]. С ростом размера ванн число точек питания увеличилось, но не пропорционально. Например, в технологии AP (Aluminum Pechiney) соотношение на одну точку питания за более чем 30 лет увеличилось от 50 кА на точку питания при мощности электролизной ванны 180 кА, к более чем 120 кА на точку питания при мощности ванны 600 кА. Это означает, что с ростом размера электролизера в зону питания должно быть подано больше глинозема в меньший объем электролита в единицу времени [15].

Новые разрабатываемые ванные мощностью более 500 кА пока ещё не могут достичь показателей эффективности менее маломощных ванн, как, например, затрат потребляемой мощности на тонну произведенного алюминия. С данной проблемой уже столкнулись многие производители. Например, Рио Тинто занимается разработкой и введением в эксплуатацию электролизеров модели APx с силой тока 500 кА параллельно AP60 с силой тока в 600 кА из-за лучших показателей энергоэффективности APx [4], [13].

Одним из перспективных направлений контроля процесса производства является автоматизация отбора проб электролита и других показателей состояния процесса производства первичного алюминия. Например, предлагается для этих целей модифицировать и использовать пробойник системы автоматической подачи глинозема АПГ/АПС [17].

Заключение

В статье приведена статистика объемов производства по регионам и по основным компаниям – производителям первичного алюминия за 2019 г. Указаны основные используемые технологии лидеров рынка, а также перспективные направления для развития производства.

Основными направлениями для развития алюминиевого производства являются: увеличение мощности электролизных ванн, борьба с анодными эффектами, системы по мониторингу основных технологических параметров, системы фильтрации вредных веществ, выделяющихся в процессе производства, а также разработка и внедрение инертных анодов.

Приведенные направления развития алюминиевого производства позволят повысить выход по току, повысить энергоэффективность, снизить себестоимость продукции, нарастить объемы производства, повысить безопасность на производстве, а также снизить негативное влияние на окружающую среду.

В условиях пандемии и карантинных мер также проявляется еще одна положительная сторона повышения уровня автоматизации производств – высокий уровень автоматизации позволит предприятию продолжить работу, не страдать от потерь от простоя и не нарушать цепочки поставок и производств других товаров, что увеличит стабильность экономики страны.

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

1. The website of the International Aluminium Institute / An initial assessment of the impact of the covid-19 pandemic on global aluminium demand [Electronic resource] – URL: http://www.world-aluminium.org/media/filer_public/2020/05/21/cm_c19_update_180520.pdf (accessed: 10.05.2020).
2. The website of the International Aluminium Institute / Primary aluminium production [Electronic resource] – URL: http://www.world-aluminium.org/statistics/primary-aluminium-production/#linegraph (accessed: 10.05.2020).
3. Annual report 2019 from the website RUSAL [Electronic resource] – URL:https://rusal.ru/upload/iblock/a80/a80d85131b9767b1a6eabbe0ab40bae8.pdf (accessed: 10.05.2020).
4. Nikandrov K. Evolution of Crust Breaker Control for DX+ and DX+ Ultra Technologies / K. Nikandrov, A. Zarouni, S. Akhmetov, N. Ahli – // Light Metals. – 2016. – P. 511-514. doi: 10.1007/978-3-319-48251-4_84
5. Mann V. Environmental Aspects of UC RUSAL's Aluminum Smelters Sustainable Development / V. Mann, V. Buzunov, V. Pingin, A. Zherdev, V. Grigoriev // Light Metals. – 2019. – P. 553-563. doi: 10.1007/978-3-030-05864-7_70
6. Marks J. Updated Factors for Calculating PFC Emissions from Primary Aluminum Production / J. Marks, P. Nunez // Light Metals. – 2018. – P. 1519-1525. doi: 10.1007/978-3-319-72284-9_198.
7. Dion L. Evaluation of Time Consistency When Quantifying Emissions of Perfluorocarbons Resulting from Low Voltage Anode Effects/ L. Dion , P. Nunez , D. Wong , S. Gaboury , A. Spirin // Light Metals. – 2018. – P. 1457-1462 . / doi: 10.1007/978-3-319-72284-9_190
8. Dion L. Simulator of Non-homogenous Alumina and Current Distribution in an Aluminum Electrolysis Cell to Predict Low-Voltage Anode Effects. / L. Dion, L. Kiss, S. Poncsak, C. Lagacé // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2018. – P.737-755 / doi: 10.1007/s11663-018-1174-2.
9. Welch, B.J., Quantifying PFC emissions from smelter cells. in Proceedings of the 10th Australasian aluminium smelting conference. Launceston, Tasmania, 2011
10. Wong D. Anode effect phenomena during conventional AEs, low voltage propagating AEs & non-propagating AEs / D. Wong, A. Tabereaux, P. Lavoie // Light Metals. – 2014. – P.529-534 / doi: 10.1007/978-3-319-48144-9_90
11. The website of the company Alcoa / ELYSIS – The World’s First Carbon-Free Smelting Technology [Electronic resource] – URL: https://www.alcoa.com/global/en/what-we-do/elysis/default.asp (accessed: 10.05.2020).
12. Kvande H. The Aluminum Smelting Process and Innovative Alternative Technologies / H. Kvande, P. A. Drablos // Journal of occupational and environmental medicine / American College of Occupational and Environmental Medicine. – 2014. – P.23-32 / doi: 10.1097/JOM.0000000000000062.
13. Gariépy R. Preparation and start-up of Arvida Smelter / R. Gariépy, A. Couturier, O. Martin, B. Allano, A. Machado, F. Charmier // Light Metals. – 2014. – P.797-801 / doi: 10.1007/978-3-319-48144-9_134.
14. Padamata K. Progress of Inert Anodes in Aluminium Industry: Review / S.K. Padamata, A. Yasinskiy, P. Polyakov // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. – 2018. – P.18-30 / doi:10.17516/1998-2836-0055
15. Solheim A. A Novel Design Criterion for Alumina Feeders in Aluminium Electrolysis Cells // Light Metals – 2014, pp. 711–717. doi: 10.1007/978-3-319-48144-9_119
16. Lavoie P. A Review of Alumina Feeding and Dissolution Factors in Aluminum Reduction Cells / Taylor M., Metson J. // Metallurgical and Materials Transactions B, Issue 4, 2016, doi: 10.1007/s11663-016-0680-3
17. Шестаков А.К. Концепция многофункционального пробойного устройства системы автоматизированного питания глиноземом алюминиевого электролизера / А.К. Шестаков, П.А. Петров, Р.М. Садыков // Современные образовательные технологии в подготовке специалистов для минерально-сырьевого комплекса: Сборник научных трудов III Всероссийской научной конференции 05 – 06 марта 2020 г. / Санкт-Петербургский горный университет. СПб, 2020. – С.1582–1592 [Электронный ресурс]. Режимдоступа:https://cloud.mail.ru/stock/otpARQjMmbYgh7dw7sC4rw5W (дата обращения: 12.05.2020)

Список литературы на английском языке / References

1. The website of the International Aluminium Institute / An initial assessment of the impact of the covid-19 pandemic on global aluminium demand [Electronic resource] – URL: http://www.world-aluminium.org/media/filer_public/2020/05/21/cm_c19_update_180520.pdf (accessed: 10.05.2020).
2. The website of the International Aluminium Institute / Primary aluminium production [Electronic resource] – URL: http://www.world-aluminium.org/statistics/primary-aluminium-production/#linegraph (accessed: 10.05.2020).
3. Annual report 2019 from the website RUSAL [Electronic resource] – URL:https://rusal.ru/upload/iblock/a80/a80d85131b9767b1a6eabbe0ab40bae8.pdf (accessed: 10.05.2020).
4. Nikandrov K. Evolution of Crust Breaker Control for DX+ and DX+ Ultra Technologies / K. Nikandrov, A. Zarouni, S. Akhmetov, N. Ahli – // Light Metals. – 2016. – P. 511-514. doi: 10.1007/978-3-319-48251-4_84
5. Mann V. Environmental Aspects of UC RUSAL's Aluminum Smelters Sustainable Development / V. Mann, V. Buzunov, V. Pingin, A. Zherdev, V. Grigoriev // Light Metals. – 2019. – P. 553-563. doi: 10.1007/978-3-030-05864-7_70
6. Marks J. Updated Factors for Calculating PFC Emissions from Primary Aluminum Production / J. Marks, P. Nunez // Light Metals. – 2018. – P. 1519-1525. doi: 10.1007/978-3-319-72284-9_198.
7. Dion L. Evaluation of Time Consistency When Quantifying Emissions of Perfluorocarbons Resulting from Low Voltage Anode Effects/ L. Dion , P. Nunez , D. Wong , S. Gaboury , A. Spirin // Light Metals. – 2018. – P. 1457-1462 . / doi: 10.1007/978-3-319-72284-9_190
8. Dion L. Simulator of Non-homogenous Alumina and Current Distribution in an Aluminum Electrolysis Cell to Predict Low-Voltage Anode Effects. / L. Dion, L. Kiss, S. Poncsak, C. Lagacé // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2018. – P.737-755 / doi: 10.1007/s11663-018-1174-2.
9. Welch, B.J., Quantifying PFC emissions from smelter cells. in Proceedings of the 10th Australasian aluminium smelting conference. Launceston, Tasmania, 2011
10. Wong D. Anode effect phenomena during conventional AEs, low voltage propagating AEs & non-propagating AEs / D. Wong, A. Tabereaux, P. Lavoie // Light Metals. – 2014. – P.529-534 / doi: 10.1007/978-3-319-48144-9_90
11. The website of the company Alcoa / ELYSIS – The World’s First Carbon-Free Smelting Technology [Electronic resource] – URL: https://www.alcoa.com/global/en/what-we-do/elysis/default.asp (accessed: 10.05.2020).
12. Kvande H. The Aluminum Smelting Process and Innovative Alternative Technologies / H. Kvande, P. A. Drablos // Journal of occupational and environmental medicine / American College of Occupational and Environmental Medicine. – 2014. – P.23-32 / doi: 10.1097/JOM.0000000000000062.
13. Gariépy R. Preparation and start-up of Arvida Smelter / R. Gariépy, A. Couturier, O. Martin, B. Allano, A. Machado, F. Charmier // Light Metals. – 2014. – P.797-801 / doi: 10.1007/978-3-319-48144-9_134.
14. Padamata K. Progress of Inert Anodes in Aluminium Industry: Review / S.K. Padamata, A. Yasinskiy, P. Polyakov // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. – 2018. – P.18-30 / doi:10.17516/1998-2836-0055
15. Solheim A. A Novel Design Criterion for Alumina Feeders in Aluminium Electrolysis Cells // Light Metals – 2014, pp. 711–717. doi: 10.1007/978-3-319-48144-9_119
16. Lavoie P. A Review of Alumina Feeding and Dissolution Factors in Aluminum Reduction Cells / Taylor M., Metson J. // Metallurgical and Materials Transactions B, Issue 4, 2016, doi: 10.1007/s11663-016-0680-3
17. Shestakov A. Conception of multifunctional crust breaker of auto-matic alumina feed system of aluminum reduction cell / Shestakov A., Petrov P., Sadykov R // Modern educational technologies in the training of specialists for the mineral resource complex: Collection of scientific papers of the III All-Russian Scientific Conference March 05 - 06, 2020 / St. Petersburg Mining University. SPb, 2020. – P.1582–1592. [Electronic resource] – URL: https://cloud.mail.ru/stock/otpARQjMmbYgh7dw7sC4rw5W (accessed: 12.05.2020) [in Russian]