ГАЗОСБОРНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК C25C3/22 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом, и может быть использовано для улавливания газов от алюминиевых электролизеров с самообжигающимся анодом.

Существующая на электролизерах с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом система колокольного газоотсоса не обеспечивает требуемой эффективности сбора и эвакуации газов, сходящих из-под подошвы анода.

Эффективность колокольного газоотсоса, эксплуатируемого в настоящее время, составляет, в среднем, 75-85%, что недостаточно для достижения норм предельно допустимых выбросов, установленных для Российских алюминиевых заводов.

В связи с этим актуален поиск технических решений, позволяющих повысить эффективность колокольного газоотсоса до 93÷95% без существенных дополнительных затрат.

Известно газосборное устройство электролизера, имеющее кольцевой зазор, образованный между камерой сгорания, служащей теплообменником, проходя через который воздух подогревается и поступает в камеру сгорания с температурой около 500°С (авторское свидетельство СССР №466296, кл. С25С 3/22, 1973). Устройство принято за аналог по обоим вариантам.

Недостатком известного устройства является то, что газ в нем, попадая в менее высокий температурный режим, испытывает так называемые фазовые превращения, т.е. частично переходит в твердые частицы (пыль, смолистые), которые оседают затем на стенках укрытий, в выходном патрубке газосборника. Значительная часть их, не успев сгореть в горелочных устройствах, оседает в газоходах, очистка которых требует больших трудовых затрат.

Недостатки известного решения заключаются в следующем, так как в настоящее время, с увеличением силы тока процесса электролиза до 170 кА и выше, объем анодных газов, выделяющихся от электролизера, увеличился до 70÷110 нм³/час, то известное устройство не способно обеспечить эффективный сбор и эвакуацию возросшего объема анодных газов, сходящих из-под подошвы анода. В процессе его эксплуатации периодически наблюдаются выбивания анодных газов из-под колокольного пространства в рабочую зону.

Известно газосборное устройство алюминиевого электролизера, которое служит для сбора и эвакуации выделяющихся в процессе электролиза газов, содержащих вредные для здоровья компоненты: оксид и диоксид углерода, возгоны пека, пары фтористых солей. (А.И.Басов, Ф.П.Ельцев. Справочник механика заводов цветной металлургии. М., «Металлургия», 1981, стр.401-405). В электролизерах с верхним токоподводом применяют газосборное устройство колокольного типа, которое подвешивается по всему периметру нижней части анодного кожуха и собирается из прямых и угловых секций. Газоходный канал, образованный секциями газосборного устройства и нижней частью анодного кожуха, в разрезе имеет форму прямоугольной трапеции площадью ˜0,05 м². Из-под колокольного пространства в горелку поступает 20-55 м³/ч анодных газов с температурой от 350 до 550°С. Газосборное устройство по известному техническому решению позволяет герметизировать до 30% площади на участке между анодным кожухом и стенкой катодного кожуха электролизера.

При этом с открытой поверхности криолит-глиноземной корки, занимающей до 70% площади на участке между анодным кожухом и стенкой катодного кожуха электролизера, в рабочую зону фильтруется до 8% анодных газов, выделяющихся в процессе электролиза. Выброс газов в рабочую зону с поверхности происходит вследствие газопропускной способности криолит-глиноземной корки.

Выбивания анодных газов обусловлены следующими причинами:

- образованием в подколокольном пространстве электролитных и пылесмолевых пробок, занимающих значительную площадь поперечного сечения подколокольного пространства. Пробки образуются вследствие оплескивания подколокольного пространства электролитом при выливке металла и гашении анодного эффекта, а также налипания смолистых веществ и пыли;

- высоким гидравлическим сопротивлением подколокольного пространства, сопоставимым с разрежением, создаваемым в нем системой организованного газоотсоса;

- высоким (до 2500 Па) давлением газов, сходящих из-под подошвы анода, иногда превышающим разрежение в подколокольном пространстве (М.А.Коробов, А.А.Дмитриев. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров. М., «Металлургия», 1972);

- высокой, до 40 см/с скоростью газов, сходящих из-под подошвы анода в подколокольное пространство (В.А.Крюковский. Исследование циркуляции электролита и анодных газов в межполюсном зазоре мощных алюминиевых электролизеров. Автореферат диссертации. Ленинград, 1974).

В результате известное газосборное устройство не способно обеспечить эффективный сбор и эвакуацию в систему организованного газоотсоса объем газов, возросший с ростом производительности электролизера.

Согласно закону Джоуля-Ленца количество тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через проводник, находится в квадратичной зависимости от его величины. Через поверхность газосборного колокола от электролизера конвекцией и излучением отводится до 4,5% тепла (Е.Н.Панов и др. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства. М., ГУП «Издательский дом «РУДА И МЕТАЛЛЫ», 1988, стр.96-100). Количество теплоты, отдаваемой конвекцией и излучением, находятся в прямо пропорциональной зависимости от площади теплоотдачи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству по обоим вариантам является устройство (авторское свидетельство СССР №850744, С25С 3/22, опубл. 30.07.1981). Газосборное устройство выполнено из отдельных секций, установленных на анодном кожухе и состоящих из двух частей: верхняя часть - камера сгорания, ограниченная вертикальной и наклонной стенками, нижняя часть - стенка газосборного колокола, составляющая единое целое с наклонной стенкой камеры сгорания. Камера сгорания соединена с подколокольным пространством сквозной щелью. Для обеспечения требуемой полноты дожигания анодных газов, а также снижения теплового воздействия газосборника на анод в камеру сгорания через щель, выполненную в виде канала и образованную анодным кожухом и вертикальной стенкой газосборника, подсасывается предварительно подогретый, от контакта с нагретыми частями электролизера, атмосферный воздух.

Прототип обладает следующими конструктивными недостатками:

- подколокольное пространство сообщается с камерой сгорания через канал, представляющий собой сквозную щель шириной 20÷35 мм, которая в процессе эксплуатации забивается пылесмоляными и электролитными отложениями, что создает дополнительное гидравлическое сопротивление движению газов. В итоге камера сгорания оказывается «изолированной» от подколокольного пространства;

- камера сгорания, образованная вертикальной и наклонной стенками, представляет расширяющийся диффузорный канал, в котором посредством вихревых структур образуются обратные потоки, способствующие образованию в камере сгорания застойных зон и пылесмолевых отложений;

- диффузорная (каплевидная) форма камеры сгорания делает практически невозможной ее очистку от отложений в процессе штатной эксплуатации электролизера.

Отмеченные недостатки подтверждаются результатами математического моделирования аэродинамических и тепловых процессов в газосборнике, выполненном по известному техническому решению. В частности, они показывают, что при подсосе в камеру сгорания даже подогретого атмосферного воздуха разница температур между ним и анодным газом, сходящим из-под подошвы анода, составляет 300°С и более. Температура анодных газов в подколокольном пространстве достигает 700°С и выше, подсасываемый атмосферный воздух имеет максимальную температуру 400°С. Струя относительно холодного атмосферного воздуха поступает в камеру сгорания, из нее сразу опускается в подколокольное пространство, создавая там условия для воспламенения анодных газов. Температура горения анодных газов в подколокольном пространстве достигает 1200°С, что отрицательно влияет на нижнюю боковую часть анода, находящуюся вне анодного кожуха. Далее горячий газ поднимается вверх и, остывая при контакте с относительно холодной, верхней частью колокола, снова опускается вниз.

Таким образом, горение происходит большей частью в нижней части газосборного колокола, а не в камере сгорания.

Подсос предварительно подогретого атмосферного воздуха через щели в газосборном колоколе требует дополнительных затрат мощности дымососа и, при прочих равных условиях, приводит к снижению эффективности эвакуации анодных газов в систему организованного газоотсоса.

Задачами настоящего изобретения являются: повышение эффективности сбора и эвакуации анодных газов, выделяющихся от электролизера; сокращение фонарных выбросов и улучшение экологической обстановки в рабочей зоне корпуса электролиза; интенсификация отвода тепла от электролизера.

Поставленные задачи по первому варианту достигаются тем, что в газосборном устройстве алюминиевого электролизера с катодным кожухом, содержащем секции, подвешенные по всему периметру нижней части анодного кожуха, колокол и камеру сгорания, расположенную над ним, в форме прилива с образованием соединяющей их щели, согласно заявляемому решению отношение ширины щели соединяющей камеру сгорания с колоколом к высоте камеры сгорания составляет 1:(1÷2).

Основные отличия заявляемого решения от прототипа заключаются в том, что в камере сгорания отсутствуют отверстия для подсоса атмосферного воздуха, и отношение ширины щели, соединяющей камеру сгорания с колоколом, к высоте камеры сгорания равно 1:(1÷2).

Данные пределы отношения габаритов камеры сгорания выбраны по следующим соображениям. Высота камеры сгорания по предлагаемому техническому решению сопоставима с высотой пояса колокола, что обеспечивает удобство очистки пояса от отложений пыли, создающей теплоизоляционный слой и способной нарушить тепловой баланс алюминиевого электролизера. Ширина камеры сгорания ограничена наружным габаритом нижней части колокола, в который переходит камера сгорания. Увеличение ширины камеры сгорания, а следовательно, и наружного габарита секции колокола более 1:2 создаст неудобство при выполнении технологических операций на алюминиевом электролизере. Уменьшение ширины камеры сгорания менее 1:1 приведет к образованию в камере сгорания застойных зон, электролитных и пылесмолевых отложений.

Камера сгорания может быть выполнена в форме параболы, образующие которой обращены вниз, или в виде трапеции, меньшее основание которой обращено вверх. Данные конструкции камеры сгорания исключают наличие в них острых и прямых углов, приводящих к образованию застойных зон, пылесмолевых и электролитных пробок.

Нижняя кромка внутренней стенки камеры сгорания выполнена на одном уровне с нижней кромкой пояса газосборного колокола, а наружная стенка плавно переходит в стенку газосборника.

Для исключения воспламенения анодных газов в подколокольном пространстве, а также для снижения в нем турбулентности газовых потоков камера сгорания выполнена без щелей для подсоса атмосферного воздуха.

Таким образом, камера сгорания по предлагаемому техническому решению используется только для сбора и эвакуации анодных газов. Термическое обезвреживание анодных газов осуществляется в горелочных устройствах.

Применение газосборного колокола по предлагаемому техническому решению позволит:

- сократить гидравлическое сопротивление подколокольного пространства за счет увеличения его площади поперечного сечения;

- сократить образование пылесмолевых и электролитных пробок в подколокольном пространстве;

- вследствие исключения подсоса атмосферного воздуха по периметру колокола исключить воспламенение анодных газов в подколокольном пространстве;

- сократить эрозионное воздействие анодных газов на нижнюю боковую часть анода, находящуюся вне анодного кожуха.

Поставленные задачи по второму варианту достигаются тем, что в газосборном устройстве алюминиевого электролизера с катодным кожухом, содержащем секции, подвешенные по всему периметру нижней части анодного кожуха, колокол и камеру сгорания, расположенную над ним, в форме прилива с образованием соединяющей их щели, согласно заявляемому изобретению нижние кромки секций установлены от анодного кожуха на расстоянии, равном 0,4÷0,6 расстояния между анодным кожухом и стенкой катодного кожуха.

Данные пределы удаления от анодного кожуха нижней кромки секции газосборного устройства на расстояние, равное 0,4÷0,6 расстояния между анодным кожухом и стенкой катодного кожуха, выбраны по следующим соображениям:

- увеличение площади поперечного сечения подколокольного пространства сократит его гидравлическое сопротивление, сократит образование застойных зон, пылесмолевых и электролитных пробок;

- увеличение площади поперечного сечения подколокольного пространства снизит скорость анодных газов в нем и сократит эрозионное воздействие газопылевого потока на нижнюю часть анода;

- сокращение площади открытой поверхности криолит-глиноземного расплава сократит выбросы анодных газов с нее и снизит трудозатраты на обеспечение герметичности газосборника глиноземом;

- увеличение площади наружной поверхности колокола увеличит количество тепла, отводимого от анода, снизит температуру процесса электролиза и сократит расход фтористых солей.

Удаление от анодного кожуха нижней кромки секции газосборного устройства на расстояние, превышающее 0,6 расстояния между анодным кожухом и стенкой катодного кожуха, затруднит проведение технологических операций на электролизере.

Сокращение расстояния от анодного кожуха до нижней кромки секции газосборного устройства на величину менее 0,4 расстояния от анодного кожуха до стенки катодного кожуха электролизера приведет к уменьшению площади поперечного сечения газоходного канала под газосборным устройством и увеличению его гидравлического сопротивления.

Ни из патентной, ни из научно-технической литературы не известно использование указанных отличительных признаков с целью увеличения площади герметизации поверхности криолит-глиноземного расплава; увеличения эффективности сбора и эвакуации анодных газов; снижения гидравлического сопротивления подколокольного газоходного канала; снижения энергии газов, под давлением сходящих из-под подошвы анода; интенсификации отвода тепла от электролизера; снижения эрозионного и теплового воздействия отходящих анодных газов на анод.

Это позволяет сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критериям «новизна» и «существенные отличия».

На фиг.1 изображена секция газосборного устройства по первому варианту с параболической формой камеры сгорания. На фиг.2 изображен общий вид секции газосборника по второму варианту.

На чертежах показано: анодный кожух электролизера 1, на котором закреплен пояс колокола 2; секция колокола 3 навешена на пояс колокола 2; электролизер установлен в катодный кожух, стенка катодного кожуха 4.

Использование устройств позволит повысить эффективность работы системы колокольного газоотсоса; уменьшить образование в подколокольном пространстве пылесмолевых и электролитных пробок; сократить выбросы анодных газов с поверхности криолит-глиноземной корки в рабочую зону корпуса электролиза; увеличить отвод тепла от анода и снизить гидравлическое сопротивление газоходного канала, образуемого колоколом и нижней частью анодного кожуха.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом, и может быть использовано для улавливания газов от алюминиевых электролизеров с самообжигающимся анодом. Газосборное устройство выполнено из секций, установленных на анодном кожухе. Устройство по первому варианту включает колокол и расположенную над ним в форме прилива камеру сгорания. Отношение ширины щели, соединяющей камеру сгорания с колоколом, к высоте камеры сгорания составляет 1:(1÷2). Устройство по второму варианту содержит прямые и угловые секции, подвешенные по всему периметру нижней части анодного кожуха. Нижняя кромка секции удалена от анодного кожуха на расстояние, равное 0,4÷0,6 расстояния между анодным кожухом и стенкой катодного кожуха. Использование устройств позволит повысить эффективность работы системы колокольного газоотсоса. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газосборное устройство алюминиевого электролизера с катодным кожухом, содержащее секции, подвешенные по всему периметру нижней части анодного кожуха, колокол и камеру сгорания, расположенную над ним в форме прилива с образованием соединяющей их щели, отличающееся тем, что отношение ширины щели, соединяющей камеру сгорания с колоколом, к высоте камеры сгорания составляет 1:(1÷2).2. Газосборное устройство алюминиевого электролизера с катодным кожухом, содержащее секции, подвешенные по всему периметру нижней части анодного кожуха, колокол и камеру сгорания, расположенную над ним в форме прилива с образованием соединяющей их щели, отличающееся тем, что нижние кромки секций установлены от анодного кожуха на расстоянии, равном 0,4÷0,6 расстояния между анодным кожухом и стенкой катодного кожуха.