СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАНОВКИ СУХОЙ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННОГО ГАЗА ПЕЧЕЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2004 года по МПК C25C3/22 

Изобретение имеет отношение к созданию способа и устройства для увеличения производительности, снижения падения давления и улучшения степени разделения на установках для сухой очистки отработанного газа, поступающего от печей восстановления (раскисления) алюминия.

Отработанный газ из печей восстановления алюминия содержит среди прочего сильно загрязняющие (окружающую среду) соединения фтора, главным образом в виде газа HF, но также и в виде пыли, содержащей фтор. Пыль содержит весьма мелкие частицы фтора, которые испаряются из ванны расплава в печи и сублимируются (подвергаются возгонке) в отработанном газе.

В настоящее время существуют весьма жесткие требования относительно степени очистки отработанного газа от фтора. В этой области в основном применяют так называемый сухой способ очистки, в соответствии с которым используют известную технологию с применением множества различных труб. Технология очистки, которую применяют на соответствующих установках, основана на том факте, что исходный материал для производства алюминия, а именно оксид алюминия или глинозем, который представляет собой порошковый материал, обладает способностью сухого поглощения HF. Поэтому отработанный газ вводят в контакт с оксидом алюминия, который поглощает HF содержимое. Фториды в виде порошка должны быть удалены при помощи фильтрации.

Практически все установки для сухой очистки данного типа отработанного газа устроены таким образом, что отработанный газ прежде всего поступает в реактор, в котором он вводится и более или менее тесный контакт с оксидом алюминия для поглощения HF, после чего газ проходит через рукавный фильтр (тканевый фильтр) для отделения порошкового материала. Большая часть мелкой содержащей фтор пыли и по меньшей мере часть оксида алюминия из реактора сопровождают отработанный газ, поступающий в фильтр.

Удаление фторидов как в виде газа, так и в виде пыли приводит к потерям производственного процесса, протекающего в печи для выпуска алюминия. Однако использованный оксида алюминия из процесса сухой очистки, в котором произошло поглощение HF из отработанного газа, а также фтористая пыль, которая была отделена в рукавном фильтре, могут быть вновь введены в виде сырья в печь. Следовательно, существенная часть потерь фтора в печи компенсируется. Благодаря высокой экономической эффективности и возможности улавливания фтора система сухой очистки широко применяется в данной области.

На практике именно большая часть оксида алюминия, которую используют для производства алюминия, что составляет ориентировочно два k произведенного алюминия, используется сначала в качестве поглощающего материала для HF в установке для сухой очистки, а затем вводится в печь, причем порошковый фторид отделяют в рукавном фильтре. В дальнейшем изложении свежий оксид алюминия будет именоваться первичным оксидом алюминия, в то время как оксид алюминия, который содержит фторид, поступающий от установки очистки, будет именоваться вторичным оксидом.

Отметим, что количества отработанного газа в печах в алюминиевой промышленности является очень большим.

Установки для сухой очистки обычно делят на секции, причем каждая такая секция содержит главным образом вертикальный реактор, разгружаемый через рукавный фильтр. Поглощение HF проистекает главным образом в реакторе, так как однородный поток первичного оксида алюминия перемешивают с отработанным газом на входе в реактор. Оксид алюминия представляет собой порошок с размером зерна главным образом от 40 до 150 мкм. Такой порошок легко распыляется подобно облаку пыли в отработанном газе и обеспечивает хорошим контакт для поглощения HF, однако этот порошок является достаточно крупным для обеспечения легкого отделения из потока газа за счет динамического эффекта, например, при помощи отклонения газовою потока (циклонный эффект). В большинстве вариантов смесь отработанного газа и оксида алюминия прямо направляется в рукавный фильтр, где одна часть оксида алюминия отделяется и падает на дно фильтра за счет воздействия динамических сил, в то время как другая часть проходит вместе с газовым потоком дальше в рукавный фильтр и там разделяется. Мелкая содержащая фтор пыль в отработанном газе имеет размер частиц в диапазоне от 0,1 до 1,0 мкм. На эту пыль динамические силы практически не влияют, и она главным образом проходит вместе с газовым потоком дальше в рукавным фильтр (и там разделяется).

На указанных установках применяют главным образом рукавные фильтры с рядами растянутых полотняных мешков, причем пыль осаждается на внешней стороне мешка. Очистку мешков производят при помощи внутренних (идущих изнутри мешка) импульсов сжатого воздуха, при этом слой пыли с мешков падает в донный бункер фильтра и перемешивается с оксидом алюминия, который прошел через реактор и отделился за счет приложения динамических сил.

Необходимая фильтрующая зона, которая позволяет отфильтровывать пыль и оксид алюминия из отработанного газа, определяет размер установки для сухой очистки. Падение давления через покрывающую поверхность фильтра пыль образует большую часть суммарного падения давления установки для сухой очистки и является одной из ее определяющих характеристик.

Падение давления через покрывающую поверхность фильтра пыль в большой степени зависит от состава слоя пыли. В этой связи укажем, что оксид алюминия с крупным зерном образует слой пыли с более низким падением давления, который обеспечивает большую газопроницаемость и большую производительность фильтра.

В отличие от этого, мелкая содержащая фтор пыль закупоривает промежутки между зернами оксида, увеличивает падение давления через слой пыли и снижает производительность (фильтра). Кроме того, мелкая пыль легко проникает через ткань фильтра и образует переносимую газом очистки пыль, содержащую некоторое количество фтора.

Наиболее критическим для эффекта очистки от фтора является поглощение HF в реакторе. Количество оксида алюминия, которое находится в контакте с отработанными газами в реакторе, является основным для обеспечения эффективного контакта и поглощения. Для увеличения количества оксида алюминия в реакторе и для увеличения степени разделения HF обычно производят рециркуляцию отделенного оксида алюминия из донного бункера фильтра обратно в реактор, причем используют его вместе с первичным оксидом алюминия. Современные жесткие требования на степень очистки, которые превышают 99%, заставляют производить многократную рециркуляцию оксида алюминия через реактор, чтобы полностью использовать оксид алюминия из установки очистки в качестве вторичного оксида алюминия в печи. Отметим, что отделенные мелкие частицы фтора сопровождают рециркулируемый оксид алюминия, причем чем больше рециркулируемого оксида алюминия используют, тем больше мелкой пыли будет оставаться в системе. Осажденная на мешках фильтра мелкая пыль закупоривает слой пыли, увеличивает падение давления, ограничивает производительность установки и увеличивает запыленность помещения. Указанные отрицательные эффекты устанавливают предел использования рециркулируемого оксида алюминия в такой установке.

Настоящее изобретение имеет отношение к способу ограничения этих отрицательных эффектов, связанных с рециркуляцией оксида алюминия в установках для сухой очистки. Следует заметить, что известно отделение мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия в установках сухой очистки отработанного газа, поступающего от печей восстановления алюминия (см. Патент США 4525181). Предлагаемый способ отличается тем, что отделение по меньшей мере части мелкой пыли, которая сопровождает рециркулируемый оксид алюминия, производят ранее его повторного ввода в реактор и ведут непрерывно, и отделенную мелкую пыль выводят из системы вместе со вторичным оксидом алюминия, который выводится из установки для очистки в постоянном потоке, предназначенном для повторной подачи в печь. Даже частичное, но непрерывное отделение или удаление мелкой пыли из оксида алюминия, рециркулируемого в систему реактора с фильтром, дает существенное снижение количества мелкой пыли в системе и снижает отрицательные эффекты процесса фильтрации.

Для отделения мелкой пыли от смеси мелких и крупных частиц в соответствии с настоящим изобретением используют разности естественной скорости падения и свойств текучести находящихся в движении мелких и крупных частиц. Для осуществления способа согласно изобретению были созданы и успешно испытаны 3 варианта устройства, в которых используют указанные принципы отделения и уноса мелкой пыли из рециркулируемого оксида алюминия, проходящего через установку для сухой очистки.

В первом варианте установки сухой очистки отработанного газа печей восстановления алюминия, содержащей средство для отделения мелких частиц фторида от рециркулируемого оксида алюминия, последнее выполнено в виде одной или нескольких наклонных плоскостей, обеспечивающих гравиметрическое движение вниз потока оксида алюминия, с возможностью использования восходящего потока воздуха или газа для отделения мелких частиц порошкового фторида из потока оксида алюминия.

Во втором варианте установки средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия выполнено в виде наклонного желоба, обеспечивающего гравиметрическое движение вниз потока оксида алюминия, для отделения мелких частиц от крупных в результате различных свойств текучести крупных и мелких частиц, избирательного накопления и рециркуляции крупных частиц оксида алюминия.

В третьем варианте средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия выполнено в виде желоба или резервуара, обеспечивающего сквозное течение оксида алюминия, имеющего проницаемое для воздуха или газа дно, для отделения мелких частиц порошкового фторида из потока псевдоожиженного оксида алюминия посредством мощной сквозной продувки воздухом или газом.

Указанные выше и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показано схематично сечение первого варианта устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2, 3 и 4 показаны подробно два сечения второго варианта устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 5 показан третий вариант устройства, предназначенного для удаления пыли из рециркулируемого оксида алюминия.

На фиг.1 показано схематично сечение устройства, которое введено в систему рециркуляции оксида алюминия, а именно в систему сухой очистки, и позволяет производить удаление пыли в соответствии с настоящим изобретением. Рециркулируемый оксид алюминия 1 образует небольшой бассейн в донном бункере 2 фильтра, причем вторичный оксид алюминия поступает в печь при помощи сливной трубы 3.

Рециркулируемый оксид алюминия отмеряется и транспортируется при помощи винта подачи 4 и гравиметрического желоба 17 в реактор 6, где рециркулируемый оксид алюминия перемешивается с восходящим потоком неочищенного отработанного газа. В реактор также вводят равномерный поток первичного оксида алюминия (не показан). Для достижения желательной степени удаления пыли из рециркулнруемого оксида алюминия в соответствии с настоящим изобретением небольшой поток отработанного газа отсасывают через гравиметрический желоб 17 в противотоке с оксидом алюминия, который скользит по наклонному дну желоба. Восходящий газовый поток в некоторой степени разрывает поток оксида алюминия и удаляет из него частицы мелкой пыли, которые имеют намного меньшую скорость падения, чем скорость поднимающегося газа. Затем несущий пыль газ всасывается через открытый конец винта подачи 4 и через систему труб 7 поступает в небольшой дополнительный фильтр (на фиг.1 не показан), в котором мелкая пыль отфильтровывается и перемешивается со вторичным оксидом алюминия, который затем подается в печь. Скорость газового потока, проходящего вверх по желобу 17, регулируют так, чтобы обеспечить возможно более эффективное удаление пыли, однако, бeз существенного вырывания из слоя и увлечения газом частиц оксида алюминия.

Эффект удаления пыли может быть усилен, если снабдить дно желоба 17 поперечными препятствиями (неоднородностями) 8, которые разрыхляют подаваемый поток частиц оксида алюминия и обеспечивают газу для удаления пыли лучший доступ ко всему объему потока оксида алюминия.

Другое устройство для удаления пыли без рециркулируемого оксида алюминия, в котором также используют гравиметрическое течение по наклонной плоскости, показано на фиг.2, 3 и 4, причем на фиг.2 и 3 показаны два вида донного бункера фильтра 2, а на фиг.1 показана одна из деталей устройства.

Отработанный газ после проведения реакции в реакторе вместе с первичным и рециркулируемым оксидом алюминия и пылью поступает на впуск 12 и поднимается вверх к мешкам фильтра 13, причем на фиг.2 и 3 показана только их нижняя часть. Некоторая часть оксида алюминия отделяется от входящего газового потока за счет воздействия динамических сил и направляется вниз в бассейн с псевдоожиженным оксидом алюминия 1, который ведет себя (течет) аналогично плывуну (рыхлому водоносному песку).

Остальной оксид алюминия и мелкая пыль вместе с газовым потоком поднимаются вверх и фильтруются на мешках фильтра. При очистке мешков фильтра оксид алюминия и мелкая пыль падают в донный бункер 2. На боковой стенке донного бункера 2 в соответствии с настоящим изобретением установлены один или несколько наклонных желобов 5, которые более подробно в перспективе показаны на фиг. 4. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения используют желоб, который выступает из посадочной поверхности донного бункера. Аналогичный эффект может быть получен за счет наклонного желоба, который установлен с заглублением относительно боковой поверхности, однако такое решение является более дорогостоящим.

Задачей наклонного желоба 5 является использование разности скорости падения и свойств текучести крупных частиц оксида алюминия и мелких частиц пыли, которые падают вниз с мешков фильтра при их очистке, для того чтобы произвести отделение пыли от оксида алюминия и удалить пыль из системы совместно со вторичным оксидом алюминия через выпуск 3. Устройство работает следующим образом: более тяжелые частицы оксида алюминия, которые поступают вместе с материалом очистки мешков фильтра, быстро падают вниз в направлении газового потока и скользят в наиболее гравиметрическом направлении по наклонной боковой поверхности вниз к донному бункеру.

Указанные частицы накапливаются за счет наклонного желоба 5 и образуют достаточно концентрированный поток в самой внутренней части желоба. Когда этот поток оксида алюминия доходит до бассейна псевдоожиженного оксида алюминия 1, то он продолжает движение вниз к дну бассейна за счет своей собственной скорости и инерции, и поэтому в значительной степени перемешивается с потоком рециркулируемого оксида алюминия, который выпускают через дно бассейна.

Более легкие частицы мелкой пыли с мешков фильтра рассеиваются при помощи восходящего газового потока и распределяются по наклонной боковой стенке донного бункера, вдоль которой они скорее летят, чем скользят вниз, а затем попадают на поверхность бассейна.

Большая часть этой отделенной мелкой пыли на поверхности бассейна затем естественным образом выводится из системы через выпуск 3, откуда отводят вторичный оксид алюминия по принципу переполнения.

Это устройство не позволяет произвести полное разделение оксида алюминия и пыли с такой же эффективностью, как устройство фиг.1, однако это частично компенсируется за счет того, что используют предварительную подготовку смеси оксида алюминия с пылью, при проведении которой значительная часть оксида алюминия, в особенности более крупные фракции, разделяется и направляется в бассейн за счет воздействия динамических сил на газовом впуске.

Преимуществом устройства в соответствии с настоящим изобретением является также и то, что оно не требует применения специальной системы всасывания и фильтрации для отделения мелкой пыли.

На фиг. 5 показано устройство, которое также может быть использовано в системе рециркуляции оксида алюминия и которое обеспечивает эффект удаления пыли в соответствии с настоящим изобретением. Рециркулируемый оксид алюминия 1 выводится вниз из донного бункера фильтра при помощи разравнивающего устройства, которое представляет собой шлюзовой питатель 15, а затем поступает вниз на пневматический сепаратор 16.

Это устройство работает главным образом аналогично желобу с псевдоожиженным слоем, причем поток оксида алюминия протекает над пропускающей воздух тканью, к которой с нижней стороны 14 подают сжатый воздух. Для того чтобы пневматический сепаратор в соответствии с настоящим изобретением мог выполнять свою задачу и разделять и удалять (выдувать) мелкую пыль из смеси оксида алюминия с пылью достаточно эффективно, к этой смеси должен быть подведен намного более мощный сквозной поток воздуха, чем в случае обычного псевдоожижения, который заставляет частицы оксида алюминия и другой аналогичный порошковый материал течь подобно вязкому флюиду. При использовании пневматического разделения поток рециркулируемого оксида алюминия будет интенсивно "кипеть" и барботировать, при этом мелкая пыль будет отделяться и поступать в воздушный поток. Верхняя часть сепаратора 18 должна быть выполнена в виде высокой крыши, так чтобы главным образом только воздух с мелкой пылью, но не распыленный оксид алюминия, мог дойти до выпуска 9 и мог всасываться через него в систему трубопроводов и поступать в небольшой дополнительный фильтр (на фиг. 5 не показан), в котором мелкая пыль отфильтровывается и перемешивается со вторичным оксидом алюминия, который поступает в печь.

Количество продуваемого через сепаратор воздуха должно быть также отрегулировано таким образом, чтобы отделялось как можно больше мелкой пыли от рециркулируемого оксида алюминия, но не было уноса собственно оксида алюминия. Выпуск вторичного оксида алюминия должен происходить главным образом через трубу переполнения 3, которая контролирует уровень в бассейне донного бункера.

Затем оксид алюминия с уменьшенным содержанием мелкой пыли с фтором течет вниз по гравиметрическому желобу 17 и вводится в восходящий поток отработанного газа реактора 16.

Описанное здесь выше устройство было сконструировано и испытано авторами настоящего изобретения. Нашли, что оно позволяет эффективно производить отделение мелкой пыли от рециркулируемого оксида алюминия на установках для сухой очистки, что приводит к существенному повышению производительности таких установок и снижению падения давления даже при увеличенной рециркуляции оксида алюминия, а также повышает степень разделения в отработанном газе как HF, так и порошковых фторидов.

Изобретение относится к способу и устройству для снижения падения давления, увеличения производительности и улучшения степени разделения на фильтрах установок для сухой очистки отработанного газа, поступающего от печей восстановления алюминия. Способ включает отделение мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия ранее его повторного ввода в установку для сухой очистки и ведут отделение непрерывно и, по меньшей мере частично, избирательно. Установка содержит средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида. По первому варианту указанное средство выполнено в виде одной или нескольких наклонных плоскостей, обеспечивающих гравиметрическое движение вниз потока оксида алюминия, с возможностью использования восходящего потока воздуха или газа для отделения мелких частиц порошкового фторида из потока оксида алюминия. В установке по второму варианту средство выполнено в виде наклонного желоба, обеспечивающего гравиметрическое движение вниз потока оксида алюминия, для отделения мелких частиц от крупных в результате различных свойств текучести крупных и мелких частиц, избирательного накопления и рециркуляции крупных частиц оксида алюминия. В установке по третьему варианту средство выполнено в виде желоба или резервуара, обеспечивающего сквозное течение оксида алюминия, имеющего проницаемое для воздуха или газа дно, для отделения мелких частиц порошкового фторида из потока псевдоожиженного оксида алюминия посредством мощной сквозной продувки воздухом или газом. Изобретение позволит ограничить отрицательные эффекты, связанные с рециркуляцией оксида алюминия в установках для сухой очистки. 4 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ снижения падения давления, увеличения производительности и улучшения степени разделения на фильтрах установок для сухой очистки отработанного газа, поступающего от печей восстановления алюминия, включающий отделение мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия, отличающийся тем, что отделение мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия производят ранее его повторного ввода в установку для сухой очистки и ведут непрерывно и, по меньшей мере частично избирательно.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделение мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия ведут, используя разность естественной скорости падения для мелких и крупных частиц в воздухе или газе.3. Установка сухой очистки отработанного газа печей восстановления алюминия, содержащая средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия, отличающаяся тем, что средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия выполнено в виде одной или нескольких наклонных плоскостей, обеспечивающих гравиметрическое движение вниз потока оксида алюминия, с возможностью использования восходящего потока воздуха или газа для отделения мелких частиц порошкового фторида из потока оксида алюминия.4. Установка сухой очистки отработанного газа печей восстановления алюминия, содержащая средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия, отличающаяся тем, что средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия выполнено в виде наклонного желоба, обеспечивающего гравиметрическое движение вниз потока оксида алюминия, для отделения мелких частиц от крупных в результате различных свойств текучести крупных и мелких частиц, избирательного накопления и рециркуляции крупных частиц оксида алюминия.5. Установка сухой очистки отработанного газа печей восстановления алюминия, содержащая средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия, отличающаяся тем, что средство для отделения мелких частиц порошкового фторида от рециркулируемого оксида алюминия выполнено в виде желоба или резервуара, обеспечивающего сквозное течение оксида алюминия, имеющего проницаемое для воздуха или газа дно, для отделения мелких частиц порошкового фторида из потока псевдоожиженного оксида алюминия посредством мощной сквозной продувки воздухом или газом.