УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗОВ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2001 года по МПК C25C3/22 

Изобретение относится к производству алюминия электролитическим способом и служит для улавливания и сжигания газов алюминиевого электролизера.

Известно устройство для сжигания газов алюминиевого электролизера, включающее горелку с щелевыми отверстиями, расположенными в два ряда по высоте, установленную на приливе газосборного колокола, и систему газоходов [Авторское свидетельство СССР 855081, кл. С 25 С 3/22, Б.И. N 30, 1981].

Вход воздуха и анодного газа в горелку обусловлен разрежением, создаваемым дымососом. Вследствие низких скоростей движения газа и воздуха (1-2 м/с) перемешивание газовоздушного потока недостаточно эффективное. Рассредоточение отверстий входа воздуха по высоте горелки приводит к уменьшению массового количества воздуха, вводимого в горелку в конкретном сечении по горизонтали. Вследствие этого поток воздуха прижимается к стенкам горелки потоком газа, что ухудшает качество перемешивания и выгорания смолистых веществ и окиси углерода.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является устройство, включающее горелку с щелями, расположенными в один ряд по высоте, установленную на приливе газосборного колокола, и систему газоходов [Авторское свидетельство СССР 378526, кл. С 25 C 3/22, Б.И. N 19, 1973].

Массовые объемы воздуха, приходящиеся на единицу высоты щелей, достаточно высоки. Однако перемешивание потоков газа и воздуха осуществляется преимущественно за счет турбулизирующего воздействия струй воздуха, направленных перпендикулярно к газовому потоку, что не обеспечивает высокой эффективности выгорания горючих компонентов.

Задача изобретения заключается в создании устройства, позволяющего повысить эффективность выгорания окиси углерода и смолистых веществ, содержащихся в анодном газе.

Для решения поставленной задачи в заявляемом устройстве для сжигания газов алюминиевого электролизера, включающем горелку с щелями, установленную на приливе газосборного колокола, и систему газоходов, горелка выполнена в виде двух цилиндров разных диаметров с уступом между ними в зоне над верхней кромкой щелей, причем горелка верхним цилиндром с большим диаметром соединена с системой газоходов, а нижним цилиндром с меньшим диаметром - с приливом газосборного колокола.

Соотношение диаметров и длин нижнего и верхнего цилиндров горелки находится в пределах соответственно 0,6-0,9 и 0,15-0,35. Соотношение диаметров верхнего цилиндра горелки и отверстия прилива газосборного колокола находится в пределах 1,3-1,5. Торцевая стенка верхней части горелки выполнена горизонтальной.

По отношению к прототипу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки.

Конструктивно горелка выполнена в виде двух цилиндров разных диаметров с уступом между ними в зоне над верхней кромкой щелей. Верхний цилиндр, имеющий больший диаметр, соединен с системой газоходов. Нижний цилиндр, имеющий меньший диаметр, соединен с приливом газосборного колокола.

Горелка выполнена с соотношением диаметров и длин нижнего и верхнего цилиндров в пределах соответственно 0,6-0,9 и 0,15-0,35. Соотношение диаметров верхнего цилиндра горелки и отверстия прилива газосборного колокола находится в пределах 1,3-1,5. Торец горелки, в котором имеется отверстие для отвода дымовых газов, выполнен горизонтальным.

Математическим моделированием процесса смешения и горения в устройстве заявляемый конструкции установлено, что повышение эффективности выгорания окиси углерода и смолистых веществ, содержащихся в анодном газе, обусловлено дополнительными вихреобразованиями в потоке газовоздушной смеси вследствие эффекта внезапного расширения при его истечении из цилиндра меньшего диаметра в цилиндр большего диаметра.

При этом улучшаются условия смешения анодного газа и воздуха, что интенсифицирует процесс горения. При соотношении диаметров нижнего и верхнего цилиндров горелки d_н/d_в менее 0,6 растет сопротивление входу анодного газа в нижний цилиндр, в газовоздушной смеси увеличивается избыток воздуха, температура в зоне горения и выгорание CO и смолистых веществ уменьшаются.

При соотношении диаметров нижнего и верхнего цилиндров горелки d_н/d_в более 0,9 эффект внезапного расширения потока газовоздушной смеси недостаточен для образования дополнительных завихрений. Кроме того, в углах расширенной части горелки образуются застойные зоны, препятствующие интенсивному смесеобразованию.

При соотношении диаметров нижнего и верхнего цилиндров горелки d_н/в_в в пределах 0,6-0,9 зона завихрений по сечению горелки наиболее широкая, а содержание CO и смолистых веществ в дымовых газах на выходе из горелки - минимальное.

При соотношении длин нижнего и верхнего цилиндров горелки l_н/l_в менее 0,15 поток газовоздушной смеси расширяется значительно выше места стыка цилиндров. При этом образуются большие застойные зоны в углах расширенной части горелки, препятствующие интенсивному смесеобразованию и горению газовоздушной смеси.

При соотношении длин нижнего и верхнего цилиндров горелки l_н/l_в более 0,35 завихрения от внезапного расширения расположены выше зоны горения анодного газа и практически не влияют на полноту выгорания горючих компонентов.

При соотношении длин нижнего и верхнего цилиндров горелки l_н/l_в в пределах 0,15-0,35 выгорание горючих компонентов газа наиболее полное.

При соотношении диаметров верхнего цилиндра горелки и отверстия прилива газосборного колокола d_в/d_п менее 1,3 условия смешения, температурные поля и эффективность выгорания горючих компонентов анодного газа аналогичны прототипу.

При соотношении диаметров верхнего цилиндра горелки и отверстия прилива газосборного колокола d_в/d_п более 1,5 эффективность выгорания снижается из-за снижения температурного уровня в зоне горения вследствие значительной теплоотдачи с наружной поверхности горелки.

При соотношении диаметров верхнего цилиндра горелки и отверстия прилива газосборного колокола d_в/d_п в пределах 1,3-1,5 выгорание горючих компонентов наиболее полное.

Эффективность выгорания горючих компонентов анодного газа повышается также вследствие того, что частицы смолы, не попавшие в поток удаляемых из горелки дымовых газов, ударяются о торец горелки, оседают в потоке и подвергаются повторному дожиганию.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами. На фиг.1 представлено в разрезе устройство для сжигания газов алюминиевого электролизера. На фиг. 2 показаны эпюры скоростей и характер движения потоков в щелевой горелке с резким расширением ее сечения и на фиг.3 - в щелевой горелке - прототипе.

Устройство для сжигания газов алюминиевого электролизера (фиг.1) включает горелку, состоящую из цилиндров 1 и 2. В цилиндре 2 имеются щели для подсоса воздуха 3. В зоне над верхней кромкой щелей на стыке верхнего и нижнего цилиндров 1, 2 имеется уступ 4.

Нижним цилиндром 2 меньшего диаметра d_н горелка установлена на приливе газосборного колокола 5 с диаметром отверстия d_п. Верхний цилиндр 1 горелки с диаметром d_в через отверстие в горизонтальной торцевой стенке 6 соединен с системой газоходов 7.

Устройство работает следующим образом. Под воздействием разрежения, создаваемого дымососом, анодный газ через прилив газосборного колокола 5 поступает в нижний цилиндр 2 горелки и смешивается с подсасываемым через щели 3 воздухом. При резком расширении диаметра горелки газовоздушный поток отклоняется в сторону стенок большого цилиндра 1, образуя завихрения, способствующие дополнительному перемешиванию анодного газа и воздуха и более интенсивному и полному горению. Продукты горения через выходное отверстие горелки удаляются в систему газоходов 7. Несгоревшие частицы смолы, не попавшие в поток удаляемых из горелки продуктов горения, ударяются о торцевую стенку 6, оседают и подвергаются повторному дожиганию.

Заявляемое устройство испытано в производственных условиях на электролизере с самообжигающимся анодом. Аэродинамика, температурное поле и выгорание вредных компонентов смоделировано также на ЭВМ. Результаты расчетов и испытаний приведены в таблице и на фиг. 2, 3.

Из данных таблицы следует, что при одинаковой температуре в зоне горения, содержание экологически опасных компонентов в продуктах дожигания анодного газа и в расчетном, и в натурном эксперименте значительно ниже в заявляемом устройстве.

Отмечена высокая стабильность работы заявляемого устройства. Стабильность горения обусловлена дополнительной турбулизацией газовоздушного потока и интенсивным перемешиванием вследствие внезапного его расширения при переходе из нижнего в верхний цилиндр горелки. В отличие от прототипа горение устойчиво даже в период обработки ванн, когда они разгерметизированы и в горелку поступает минимальное количество анодного газа.

Более качественное смешение потоков анодного газа и воздуха в заявляемом устройстве подтверждается результатами аэродинамического моделирования, представленными на фиг. 2 и 3. Наглядно подтверждается (фиг.2) периферийная направленность газовоздушного потока 1 в сторону стенок большого цилиндра и наличие завихрений 2 при его внезапном расширении вследствие истечения из цилиндра меньшего диаметра в цилиндр большего диаметра. Как результат более качественного смешения - эпюры скоростей продуктов горения 3 практически одинаковы в любом горизонтальном сечении. По сравнению с прототипом заявляемое устройство, согласно данным производственных испытаний, позволяет снизить содержание СО в продуктах дожигания в 2,37 раза, а смолистых веществ - в 1,17 раза.

Использование: изобретение относится к производству алюминия электролитическим способом и служит для улавливания и сжигания газов алюминиевого электролизера. Устройство содержит горелку с щелями, установленную на приливе газосборного колокола, и систему газоходов, причем горелка выполнена в виде двух цилиндров разных диаметров с уступом между ними. Щели расположены под уступом на нижнем цилиндре. Горелка верхним цилиндром с большим диаметром соединена с системой газоходов, а нижним цилиндром с меньшим диаметром - с приливом газосборного колокола. Торец горелки вокруг выходного отверстия для дымовых газов выполнен горизонтальным. Устройство позволяет снизить содержание СО в продуктах дожигания в 2,37 раза, а смолистых веществ - в 1,17 раза. 3 з.п.ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Устройство для сжигания газов алюминиевого электролизера, включающее горелку со щелями, установленную на приливе газосборного колокола, и систему газоходов, отличающееся тем, что горелка выполнена в виде двух цилиндров разных диаметров с уступом между ними в зоне над верхней кромкой щелей, причем горелка верхним цилиндром с большим диаметром соединена с системой газоходов, а нижним цилиндром с меньшим диаметром - с приливом газосборного колокола. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношения диаметров и длин нижнего и верхнего цилиндров горелки находятся в пределах соответственно 0,6 - 0,9 и 0,15 - 0,35. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что соотношение диаметров верхнего цилиндра горелки и отверстия прилива газосборного колокола находится в пределах 1,3 - 1,5. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что торец горелки вокруг выходного отверстия для дымовых газов выполнен горизонтальным.