ГАЗООЧИСТНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗА Российский патент 2015 года по МПК B01D53/02 C25C3/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение касается газоочистного устройства для очистки основного потока неочищенного газа из предприятия. Данное газоочистное устройство содержит входную магистраль; и множество газоочистных камер, каждая из которых оборудована входом очистной камеры. Входная магистраль делит основной поток неочищенного газа, текущий через нее, на множество отдельных фракционных потоков неочищенного газа перед втеканием в упомянутые входы очистных камер. Данное изобретение также касается способа очистки основного потока неочищенного газа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Алюминий часто получают с помощью процесса электролиза, используя одну или более электролитических ячеек получения алюминия. Такие электролитические ячейки обычно содержат ванну для контакта содержимого ванны, содержащего фторсодержащие минералы поверх расплавленного алюминия. Содержимое ванны находится в контакте с катодными электродными блоками и анодными электродными блоками. Оксид алюминия подают с регулярными интервалами в ванну через отверстия в некоторых местах вдоль центра ячейки и между рядами анодов.

Электролитическая реакция, протекающая в электролитических ячейках, генерирует горячий отходящий газ, который содержит газовые компоненты, которые нежелательны в атмосфере, включая фтороводород, диоксид серы и подобные. Данный процесс также генерирует тонкодисперсную пыль. От нежелательных газовых компонентов и пыли необходимо избавляться благоприятным для окружающей среды образом; поэтому неочищенный газ очищают в газоочистном устройстве, предпочтительно удаляя любые нежелательные компоненты настолько эффективно, насколько это возможно. Пыль и газовые компоненты, такие как фтороводород, могут возвращаться в ячейки получения алюминия, где они могут способствовать производственному процессу.

Типичное газоочистное устройство может содержать скруббер сухой очистки и пылевой фильтр, например тканевый фильтр, который может быть типа фильтрующего мешка. Анализ таких систем показывает, что в системах обработки отходящего газа часто необходимы энергоемкие вентиляторы, чтобы активно протягивать неочищенный газ сквозь данное газоочистное устройство. Это происходит потому, что данное газоочистное устройство может создавать сопротивление потоку в системе обработки отходящего газа.

Другое рассмотрение современных газоочистных устройств показывает, что они могут составлять значительные инвестиции и могут требовать значительного пространства для установки. Еще одно рассмотрение показывает, что современные системы обработки отходящего газа могут требовать охлаждения отходящего газа. Это требование может диктоваться, например, температурной чувствительностью какого-либо оборудования ниже по потоку или температурной зависимостью эффективности очистки газоочистного устройства. Во многих установках отходящий газ охлаждают выше по потоку от газоочистного устройства путем его разбавления атмосферным воздухом окружающей температуры.

WO 2008/113496 предлагает в качестве альтернативного решения разбавлению воздухом с окружающей температурой применение теплообменника, устойчивого к образованию накипи, т.е. образованию отложения пыли и загрязнению его внутренних поверхностей, что делает его особенно подходящим для охлаждения неочищенного газа.

Наконец, газоочистное устройство предпочтительно должно иметь высокую надежность или, альтернативно, должны быть обеспечены дублирующие системы, так как может быть очень дорого и/или затруднительно останавливать и повторно запускать процесс электролитического получения алюминия, который зависит от эффективной работы соответствующих газоочистных устройств.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно описанным и изображенным здесь аспектам, по меньшей мере, некоторые из вышеуказанных препятствий и недостатков предшествующего уровня техники преодолеваются или смягчаются с помощью предлагаемого газоочистного устройства для очистки основного потока неочищенного газа из предприятия. Предлагаемое газоочистное устройство содержит

множество газоочистных камер, где каждая газоочистная камера оборудована входом очистной камеры;

входную магистраль для разделения основного потока неочищенного газа, текущего через нее, на множество отдельных фракционных потоков неочищенного газа до втекания в упомянутые входы очистных камер; и

множество теплообменников, где каждый теплообменник расположен ниже по потоку от входной магистрали для теплообмена с соответствующим фракционным потоком неочищенного газа, входящим в соответствующую очистную камеру.

Каждый теплообменник вызывает некоторое сопротивление потоку и поэтому вызывает некоторый перепад давления сквозь него. Перепад давления через каждый теплообменник действует так, чтобы распределять основной поток неочищенного газа более равномерно между отдельными очистными камерами. Кроме того, перепад давления через теплообменники действует так, чтобы отчасти компенсировать любые изменения перепада давления через отдельную очистную камеру относительно других очистных камер. Это дает более стабильный и надежный способ газоочистки.

Согласно одному варианту осуществления каждый из теплообменников расположен у соответствующего входа очистной камеры. Тем самым, он может разделять, например, опорную структуру, ремонтную платформу, освещение и т.д. с данной очистной камерой.

Согласно одному варианту осуществления каждый теплообменник имеет выход, выполненный с возможностью выпуска неочищенного газа непосредственно в соответствующую очистную камеру. Тем самым, может быть получено более равномерное пространственное распределение течения каждого отдельного фракционного потока неочищенного газа в соответствующие очистные камеры, так как перепад давления через каждый теплообменник действует так, чтобы выравнивать профиль скорости газа по всей выходной площади теплообменника.

Согласно одному варианту осуществления каждый из упомянутых теплообменников содержит камеру входа неочищенного газа для приема фракционного потока неочищенного газа и множество взаимно параллельных труб охлаждения неочищенного газа, которые разнесены друг от друга. Тем самым, может быть получена низкая степень образования накипи и низкая потеря энергии из-за сопротивления теплообменника потоку.

Согласно одному варианту осуществления каждая труба охлаждения неочищенного газа имеет входную воронку охлаждающей трубы для ускорения неочищенного газа в охлаждающую трубу. Входные воронки могут снижать образование накипи и могут приводить к пониженному сопротивлению потоку охлаждающей трубы. Кроме того, входные воронки могут обеспечивать более равномерный профиль скорости неочищенного газа по сечению каждой трубы.

Согласно одному варианту осуществления трубы охлаждения неочищенного газа стоят вертикально; тем самым, меньшее мертвое пространство образуется возле любой горизонтальной поверхности, где может оседать пыль.

Согласно одному варианту осуществления каждая из упомянутых газоочистных камер содержит скруббер сухой очистки, имеющий упомянутый соответствующий теплообменник, расположенный у входа неочищенного газа, расположенного в его нижней части. Преимущества организации теплообменника у входа каждой очистной камеры являются особенно ценными, когда очистные камеры содержат скрубберы сухой очистки, так как скрубберы сухой очистки могут быть особенно чувствительны к изменениям потока газа через них. Индивидуальные теплообменники могут работать так, чтобы распределять газовый поток более равномерно и между индивидуальными скрубберами сухой очистки и по входу каждого индивидуального скруббера сухой очистки. Кроме того, теплообменники могут быть выполнены с возможностью ускорения неочищенного газа в скрубберы сухой очистки, тем самым улучшая перемешивание неочищенного газа с сухим сорбентом скруббера.

Согласно одному варианту осуществления упомянутое предприятие содержит множество электролитических ячеек для получения алюминия, использующих процесс Hall-Hérout, и упомянутый неочищенный газ представляет собой отходящий газ, генерируемый в упомянутом процессе Hall-Hérout.

Согласно одному варианту осуществления каждая из упомянутых очистных камер обеспечена входной заслонкой, которая расположена между соответствующим теплообменником и входной магистралью. Эта входная заслонка может быть использована для изоляции и индивидуального теплообменника, например, при обслуживании этого индивидуального теплообменника и для изоляции очистной камеры, соответствующей этому индивидуальному теплообменнику, например, при очистке фильтра.

Согласно одному варианту осуществления данное газоочистное устройство дополнительно содержит выходную магистраль для присоединения всех очистных камер к выпускной трубе.

Согласно другим аспектам, изображенным здесь, вышеуказанные препятствия и недостатки предшествующего уровня техники преодолеваются или смягчаются с помощью способа очистки основного потока неочищенного газа, содержащего деление упомянутого основного потока неочищенного газа на множество фракционных потоков неочищенного газа; и индивидуальное охлаждение каждого из упомянутых фракционных потоков неочищенного газа с использованием множества соответствующих теплообменников, чтобы получить множество охлажденных фракционных потоков неочищенного газа, подлежащего индивидуальной очистки.

Согласно одному варианту осуществления данный способ содержит индивидуальный выпуск каждого из упомянутых фракционных потоков неочищенного газа непосредственно из выхода соответствующего теплообменника в соответствующую очистную камеру.

Согласно одному варианту осуществления каждый из упомянутых фракционных потоков неочищенного газа охлаждают в теплообменнике, содержащем камеру входа неочищенного газа для приема фракционного потока неочищенного газа и множество взаимно параллельных труб охлаждения неочищенного газа, которые разнесены друг от друга, где каждая труба охлаждения неочищенного газа имеет входную воронку охлаждающей трубы для ускорения неочищенного газа в охлаждающую трубу.

Согласно одному варианту осуществления данный способ содержит введение каждого из упомянутого множества охлажденных фракционных потоков неочищенного газа в нижнюю часть скруббера сухой очистки.

Согласно одному варианту осуществления упомянутый основной поток неочищенного газа генерируется способом Hall-Hérout получения алюминия.

Согласно одному варианту осуществления данный способ содержит индивидуальный контроль течения каждого из фракционных потоков неочищенного газа в соответствующие теплообменники.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеуказанные, а также дополнительные объекты, признаки и преимущества будут более понятны с помощью последующего иллюстративного и неограничивающего подробного описания типичных вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, где одинаковые элементы нумеруются одинаково, где:

Фиг.1 представляет собой схематичный вид сверху установки по получению алюминия;

Фиг.2 представляет собой схематичное изображение газоочистного устройства;

Фиг.3 представляет собой схематичное изображение альтернативного варианта осуществления газоочистного устройства;

Фиг.4 представляет собой схематичный разрез газоочистной камеры при виде со стороны; и

Фиг.5 представляет собой схематичный вид в перспективе теплообменника с удаленными частями.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТИПИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.1 представляет собой схематичное изображение предприятия 10 по получению алюминия, видимого сверху. Предприятие 10 по получению алюминия содержит множество цехов 12 электролитических ячеек, каждый из которых содержит множество плавильных ванн или электролитических ячеек 14. Электролитические ячейки 14 организованы в ряды ванн 16 таким образом, как хорошо известно специалисту в данной области техники. Фиг.1 изображает четыре ряда ванн 16а-16d; однако предприятие 10 по получению алюминия обычно может содержать от 1 до 20 рядов ванн. И даже хотя на фиг.1 в каждом ряде ванн 16а-d изображено только несколько электролитических ячеек 14, один ряд ванн 16, который обычно расположен в собственном цеху 12 электролитических ячеек, обычно может содержать от 50 до 200 электролитических ячеек 14. Пунктирные линии на фиг.1 показывают, что каждый из рядов ванн 16а-d может содержать некоторое число дополнительных электролитических ячеек 14 и что предприятие может содержать дополнительные ряды ванн.

Процесс, протекающий в электролитических ячейках 14, может быть хорошо известным процессом Hall-Hérout, в котором оксид алюминия, который растворен в расплаве фторсодержащих минералов, электролизуют с образованием алюминия. Следовательно, электролитические ячейки 14 функционируют как электролизные ячейки. Порошкообразный оксид алюминия подают в электролитические ячейки 14 посредством системы 18 распределения оксида алюминия.

Процесс электролиза, протекающий в каждой электролитической ячейке 14, генерирует большое количество тепла, а также частицы пыли и отходящие газы, включая фтороводород, диоксид серы и диоксид углерода, но не ограничиваясь ими. В данном описании термин "неочищенный газ" означает неочищенный газ из промышленного процесса, такой как горячий отходящий газ из электролитических плавящих ванн 14. Система 20 сбора неочищенного газа организована так, чтобы собирать и переносить неочищенный газ из множества электролитических ячеек 14 в газоочистное устройство 22, которая очищает неочищенный газ, так что он может безопасно выпускаться в атмосферу через дымовую трубу 24. Часто свежий оксид алюминия используют в газоочистном устройстве 22 для сухой очистки неочищенного газа; поэтому оксид алюминия распределяют в ванны 14 через газоочистное устройство 22.

Обычно система 20 сбора неочищенного газа организована так, чтобы собирать неочищенный газ из одного или двух рядов 16 ванн, и газоочистное устройство 22 часто соединено с парой зеркально расположенных рядов ванн 16а, 16b согласно хорошо известной конфигурации "Н", изображенной на фиг.1. Однако даже хотя ряды ванн 16а-d изображены на фиг.1 соединенными с одним газоочистным устройством 22, каждый ряд ванн 16а-d может быть соединен с множеством газоочистных устройств 22. Альтернативно, множество рядов ванн 16а-d или даже все предприятие 10 по производству алюминия могут быть присоединены к одному единственному централизованному газоочистному устройству 22.

Для каждого ряда ванн 16а-d, обслуживаемого системой 20 сбора неочищенного газа, система 20 сбора неочищенного газа содержит трубопровод 26а, 26b, каждый из которых тянется вдоль своего соответствующего ряда ванн 16а-b. Каждый трубопровод 26а-b ряда ванн проточно соединяется с электролитическими ячейками 14 своего соответствующего ряда ванн 16а-b посредством множества отводных каналов 28. В качестве примера, трубопровод 26а ряда ванн соединен по текучей среде с каждой из электролитических ячеек 14 ряда ванн 16а через множество отводных каналов 28, количество которых соответствует количеству электролитических ячеек 14 в ряду ванн 16а. Два трубопровода 26а, 26b ряда ванн сходятся в главный трубопровод 29 для переноса основного потока неочищенного газа в газоочистное устройство 22.

Система 20 сбора неочищенного газа работает при пониженном давлении, которое создается вентилятором 30 (фиг.3) в газоочистном устройстве 22. Поэтому система 20 сбора неочищенного газа активно вытягивает неочищенный газ из электролитических ячеек 14 через отводные каналы 28, трубопроводы 26а-b ряда ванн и главный трубопровод 29 в газоочистное устройство 22.

Фиг.2 изображает газоочистное устройство 22, которое оборудовано теплообменником 140 описанного в WO 2008/113496 типа. Газоочистное устройство 22 содержит три отдельных газоочистных камеры 134а, 134b, 134с. Основной поток неочищенного газа, поступающий в очистное устройство 122 в главном трубопроводе 29, делится на три фракционных потока неочищенного газа во входной магистрали 132. Каждая газоочистная камера 134а-с оборудована входом 146а-с очистной камеры для приема фракционного потока неочищенного газа из входной магистрали 132. Поэтому каждый из фракционных потоков неочищенного газа индивидуально очищают в соответствующей очистной камере 134.

Теплообменник 140 принимает основной поток горячего неочищенного газа из главного трубопровода 29 и охлаждает неочищенный газ перед тем, как тот входит в очистные камеры 134, так что горячий газ не будет вызывать повреждения очистных камер 134. Входная заслонка 136 теплообменника расположена в главном трубопроводе 29 выше по потоку от теплообменника 140, и выходная заслонка 138 теплообменника расположена ниже по потоку от теплообменника 140. Путем закрытия входной и выходной заслонок 136, 138 теплообменника можно изолировать теплообменник 140 для обслуживания и ремонта. Когда теплообменник 140 изолирован, неочищенный газ может обходить теплообменник 140 неизображенным способом (пунктир).

Аналогично, каждая очистная камера 134а-с оборудована входной заслонкой 142а-с очистной камеры и выходной заслонкой 144а-с очистной камеры, которые позволяют индивидуально изолировать каждую очистную камеру 134а-с для обслуживания и ремонта. Когда очистная камера 134а изолирована, неочищенный газ может очищаться в других очистных камерах 134b-с.

Вентилятор 130 расположен ниже по потоку от газоочистного устройства 22, генерируя отрицательное давление в газоочистном устройстве 22, так что неочищенный газ вытягивается из электролитических ячеек 14 (фиг.1) через газоочистное устройство 22 и вентилятор 130 в дымовую трубу (не показана) ниже по потоку от вентилятора 130. Каждая из пылевых секций и компонентов, расположенных вдоль потока газа из электролитических ячеек 14 к вентилятору 130, вызывает сопротивление потоку газа, которое может быть выражено перепадом давления. Перепад давления соответствует потери энергии, которую необходимо подавать, чтобы обеспечивать достаточную силу всасывания у вентилятора 130.

Фиг.3 изображает альтернативный вариант осуществления газоочистного устройства 22. Газоочистное устройство 22 содержит три отдельных газоочистных камеры 34а, 34b, 34с. Основной поток неочищенного газа, поступающий в очистное устройство 22 в главном трубопроводе 29, делится на три фракционных потока неочищенного газа во входной магистрали 32, и каждый из фракционных потоков неочищенного газа индивидуально очищают в соответствующей очистной камере 34а-с для получения трех фракционных потоков очищенного газа. Каждая газоочистная камера 34а-с оборудована соответствующим входом 46а-с очистной камеры для приема неочищенного газа из входной магистрали 32. После очистки три фракционных потока очищенного газа объединяются в выходной магистрали 47, которая присоединена к соответствующим выходам 48а-с каждой индивидуальной очистной камеры 34а-с.

Даже хотя на фиг.3 изображены только три газоочистных камеры 34а-с, очистное устройство 22, обслуживающее зеркальную пару рядов ванн 16а, 16b (фиг.1), обычно может содержать от 2 до 60 очистных камер 34; поэтому в зависимости от числа очистных камер входная магистраль 32 может разделять основной поток неочищенного газа на от 2 до 60 фракционных потоков неочищенного газа, по одному для каждой газоочистной камеры 34а-с. Аналогично, выходная магистраль 47 может объединять от 2 до 60 фракционных потоков очищенного газа в один поток очищенного газа. Одно газоочистное устройство 22, содержащее от 2 до 60 газоочистных камер 34, может, таким образом, очищать неочищенный газ, генерируемый в от 50 до 1000 электролитических ячеек 14.

Вентилятор 30 предпочтительно расположен ниже по потоку от газоочистного устройства 22, генерируя отрицательное давление в газоочистном устройстве 22, так что неочищенный газ вытягивается из электролитических ячеек 14 (фиг.1) через газоочистное устройство 22 и вентилятор 30 в дымовую трубу 24 (фиг.1) ниже по потоку от вентилятора 30.

Каждый вход 46а-с газоочистной камеры обеспечен соответствующим теплообменником 40а-с, чтобы охлаждать соответствующие фракционные потоки горячего неочищенного газа. Каждый из теплообменников 40а-с расположен ниже по потоку относительно направления течения соответствующего фракционного потока неочищенного газа от входной магистрали 32. Газоочистное устройство 22 также обеспечено тремя входными заслонками 42а-с теплообменников, которые расположены во входной магистрали 32 выше по потоку от соответствующих теплообменников 40а-с. Три соответствующие выходные заслонки 44а-с очистных камер расположены у выходов 48а-с индивидуальных очистных камер. Тем самым, каждая из очистных камер 34а-с и их соответствующие теплообменники 40а-с могут быть индивидуально изолированы для обслуживания и ремонта путем закрытия соответствующих входных и выходных заслонок 42а-с, 44а-с. Пока одна очистная камера 34а изолирована, газ может протекать через другие очистные камеры 34b-с, тем самым обеспечивая непрерывную работу газоочистного устройства 22.

Каждый из теплообменников 40а-с вызывает сопротивление потоку газа и, следовательно, соответствующий перепад давления. Следовательно, теплообменники 40а-с, расположенные у входа 46а-с каждой очистной камеры, оказывают выравнивающее действие на относительные скорости потоков индивидуальных фракционных газовых потоков. Это можно легче понять, считая что перепад давления сквозь индивидуальный теплообменник 40а-с представляет минимальный полный перепад давления сквозь весь объект, состоящий из теплообменника 40а-с и его соответствующей очистной камеры 34а-с. В качестве примера, если перепад давления сквозь одну очистную камеру 34а существенно падает, например, из-за установки новых чистых фильтрующих мешков 56, установленных в очистной камере 34а, сопротивление потоку теплообменника 40а будет действовать так, чтобы поддерживать давление неочищенного газа на стороне выше по потоку от теплообменников 40 а-с и тем самым гарантировать, что достаточно большая часть неочищенного газа будет все еще протекать сквозь очистные камеры 34b, 34с, имеющие использованные, частично забитые фильтрующие мешки.

Теплообменники 40а-с будут работать так, чтобы более равномерно распределять поток неочищенного газа в очистные камеры 34а-с также в других условиях, при которых сопротивление потоку по каким-либо причинам может различаться между индивидуальными очистными камерами 34а-с. В качестве примера, такие условия могут существовать, когда очистили фильтр, присутствующий в одной из индивидуальных очистных камер 34а-с. Способность поддерживать достаточный поток сквозь все очистные камеры 34а-с имеет значение не только с точки зрения распределения нагрузки; отсутствие достаточного потока сквозь очистную камеру 34 может также иметь тяжелые последствия, как будет дополнительно объяснено ниже.

Даже хотя каждый из индивидуальных теплообменников 34а-с вызывает перепад давления на входе соответствующей очистной камеры 34а-с, полный перепад давления теплообменников может быть ниже по сравнению с вариантом осуществления на фиг.2. Причина этого заключается в том, что теплообменник 140 требует отдельные входной и выходной трубопроводы и отдельные входные/выходные заслонки 136, 138. Расположение индивидуальных теплообменников 40а-с у каждого входа 46а-с очистной камеры делает эти компоненты ненужными, что может снижать перепад давления теплообменника более чем на 30%.

Со ссылкой на фиг.4 теперь будет подробно описана типичная очистная камера 34а, которая может быть установлена на месте любой из очистных камер 34а-с, объединенных в очистное устройство 22, описанное выше. Очистная камера 34а функционирует согласно принципу двухстадийного противоточного сухого поглощения, описанного более подробно в US 5885539. В очистной камере газ очищается в первом реакторе 50 сухого поглощения с использованием вторичного истощенного оксида алюминия в качестве сорбента и во втором реакторе 52 сухого поглощения с использованием первичного свежего оксида алюминия в качестве сорбента.

Фракционный поток неочищенного газа подается через входную магистраль 32 и проходит сквозь теплообменник 40а, который расположен у входа 46а очистной камеры 34а, до того как он очищается в первом реакторе 50 и во втором реакторе 52.

Заполненные стрелки показывают течение сорбента оксида алюминия через очистную камеру 34, тогда как контурные белые стрелки показывают течение газа. Ниже по потоку от второго реактора 52 первичный оксид алюминия удаляется из газового потока с использованием рукавного фильтра 54, который образует верхнюю стенку второго реактора 52. Рукавный фильтр 54 содержит множество пылевых мешочных фильтров 56, на которых первичный оксид алюминия образует корку, увеличивая взаимодействие между первичным оксидом алюминия и очищаемым газом. Первичный оксид алюминия подается во второй реактор 52 через вход 58 первичного оксида алюминия. Оксид алюминия, который частично истощен и, таким образом, становится вторичным оксидом алюминия, падает на дно второго реактора 52 и переносится в первый реактор 50 с помощью винтового конвейера 60.

В первом реакторе 50 вторичный оксид алюминия смешивается с фракционным потоком неочищенного газа, входящим снизу в первый реактор 50 через вход 46а очистной камеры. Когда газ проходит из первого реактора 50 во второй реактор 52, вторичный оксид алюминия удаляется из газа в циклоне 62. Вторичный оксид алюминия, удаленный в циклоне 62, возвращается на дно второго реактора 52 и рециркулирует обратно в первый реактор 50. Выход 64 переполнения позволяет избыточному истощенному оксиду алюминия выходить из очистной камеры 34а. Истощенный оксид алюминия, выходящий через выход 64 переполнения, переносится в электролитические ячейки 14, чтобы служить в качестве исходного материала для получения алюминия.

Если поток неочищенного газа в первый реактор 50 останавливается, могут возникать условия, называемые выпадением оксида алюминия. В случае выпадения оксида алюминия оксид алюминия, в ином случае поддерживаемый кипящим в воздухе с помощью направленного вверх потока неочищенного газа через первый реактор 50, будет падать вниз и блокировать теплообменник 40а или входную магистраль 32. В случае выпадения оксида алюминия очистную камеру 34а необходимо выводить из эксплуатации и может потребоваться открывать очистную камеру 34а или выходную магистраль 32 для удаления выпавшего оксида алюминия. Поэтому способность поддерживать течение фракционного потока неочищенного газа в каждую очистную камеру 34а-с (фиг.3) в различных рабочих условиях может быть значимой. Обращаясь опять к фиг.3, наличие индивидуальных теплообменников 40а-с у каждого входа 46а-с очистной камеры обеспечивает такую способность, так как сопротивление потоку, вызываемое каждым теплообменником 40а-с, будет действовать так, чтобы относительно равномерно распределять неочищенный газ, входящий во входную магистраль 32, в индивидуальные очистные камеры 34а-с.

Другим преимуществом использования теплообменников 40а-с по сравнению с преобладающим современным способом охлаждения разбавлением неочищенного газа окружающим воздухом является то, что скорость потока неочищенного газа в газоочистное устройство 22 становится относительно независима от окружающей температуры. При разбавлении неочищенного газа окружающим воздухом число работающих очистных камер 34а-с и скорость потока в каждую очистную камеру 34 необходимо регулировать на основании окружающей температуры и погодных условий. Кроме того, чтобы получить достаточное охлаждение путем разбавления неочищенного газа окружающим воздухом, приблизительно до 1 м³ окружающего воздуха может требоваться для охлаждения каждого м³ неразбавленного неочищенного газа. Следовательно, применение теплообменника предполагает меньшие газоочистные устройства по сравнению с охлаждением путем разбавления окружающим воздухом.

Предпочтительно теплообменники 40а-с должны охлаждать неочищенный газ ниже 135°С, чтобы оберегать пылевые мешочные фильтры 56 (фиг.4) от потенциально вредной, избыточной температуры. Еще более предпочтительно теплообменники 40а-с должны охлаждать неочищенный газ ниже 115°С, чтобы получать эффективный процесс очистки и низкие выбросы фтороводорода.

Обращаясь теперь к фиг.5, теплообменник 40а с фиг.4 содержит камеру входа 66 неочищенного газа для приема фракционного потока неочищенного газа из входной магистрали 32 и множество взаимно параллельных труб 68 охлаждения неочищенного газа, которые разнесены друг от друга. Охлаждающие трубы 68 находятся в корпусе 70 для охлаждающей жидкости, который образует герметичный отсек вокруг множества охлаждающих труб 68, тем самым позволяя текучей охлаждающей жидкости, такой как вода, находиться в тепловом контакте с охлаждающими трубами 68. Для ясности, теплообменник 40а на фиг.5 изображен с удаленными участками корпуса 70 для охлаждающей жидкости. И по той же причине теплообменник 40а изображен имеющим приблизительно только 40 охлаждающих труб 68; однако типичный теплообменник может содержать до нескольких тысяч труб, хотя может быть предпочтительно от приблизительно 250 до приблизительно 800 охлаждающих труб в индивидуальном теплообменнике 40а-с. В одном варианте осуществления трубы 68 могут иметь круглое сечение с внутренним диаметром от приблизительно 3 см до приблизительно 8 см. Типичная длина трубы, которая будет уравновешивать эффективность теплообмена и доступное пространства под типичным скруббером, а также подходящее сопротивление потоку для получения равномерного распределения неочищенного газа в индивидуальные очистные камеры 34а-b, будет составлять от приблизительно 0,5 м до приблизительно 3 м. Сталь является подходящим материалом для данных труб.

Потоки охлаждающей жидкости в теплообменник 40а обеспечиваются через вход 72 охлаждающей жидкости в верхней части боковой стенки 73 корпуса 70 для охлаждающей жидкости и выходят из теплообменника 40а через выход 74 охлаждающей жидкости, который обеспечен в нижней части противоположной стенки 75 корпуса 70 для охлаждающей жидкости. Следовательно, охлаждающая жидкость течет вниз, т.е. в противотоке к фракционному потоку неочищенного газа, который течет вверх на фиг.5.

Вход 76 каждой охлаждающей трубы 68 приварен к входной пластине 78 охлаждающих труб, которая образует часть корпуса для охлаждающей жидкости. Выход 80 каждой охлаждающей трубы 68 приварен к выходной пластине 82 охлаждающих труб, которая также образует часть корпуса 70 для охлаждающей жидкости. Отверстия входной и выходной пластин 78, 82 охлаждающих труб отвечают соответствующим входам и выходам 76, 80 охлаждающих труб 68, так что неочищенный газ может проходить через охлаждающие трубы 68 из камеры входа 66 неочищенного газа теплообменника 40а на вход 46а (фиг.4) первого реактора 50, который также образует вход 46а очистной камеры 34а.

Множество параллельных охлаждающих труб 68 в теплообменнике 40а ускоряют неочищенный газ в направлении охлаждающих труб 68, вследствие чего он получает относительно хорошо направленное, равномерное направление течения. Направленность и скорость неочищенного газа приводят к относительно низкой степени образования накипи. Кроме того, данная конфигурация охлаждающих труб позволяет получать относительно низкий перепад давления, т.е. потерю энергии. И путем данного расположения множества выходов 80 индивидуальных охлаждающих труб, которые вместе образуют совокупный выход 84 теплообменника, так что неочищенный газ выходит из теплообменника 40а прямо в первый реактор 50 газоочистного устройства 34а, может быть получено более хорошее распределение течения газа через вход 46а очистной камеры (фиг.4). Это можно легче понять, считая, что в одном большом трубопроводе, таком как входная магистраль 32, скорость газа сильно меняется с расстоянием от стенки трубопровода; это можно представить как профиль скорости по сечению трубопровода. Величина этого эффекта также зависит от формы сечения трубопровода, так что определенные формы трубопровода, по существу, приводят к более сильным изменениям профиля скорости газа. Следовательно, если входная магистраль 32 будет присоединяться прямо к входу 46а (фиг.4) очистной камеры, скорость газа будет значительно выше в центре входа 46а, чем возле стенок трубопровода. Путем замены присоединения выхода теплообменника 84 прямо к входу 46а очистной камеры 34а более равномерный профиль скорости газа и, следовательно, более равномерное распределение неочищенного газа может быть получено на входе 46а очистной камеры. Причина этого состоит в том, что подобная скорость газа может быть получена по всем частям теплообменника 40а. Эффект выравнивания профиля скорости усиливается с помощью дизайна, использующего множество параллельных труб 68, которым может быть придано почти одинаковое сопротивление потоку, и использующего входную камеру 66 теплообменника, которая выравнивает давление неочищенного газа на входе 76 индивидуальных труб 68.

Кроме того, путем выпуска неочищенного газа из теплообменника 40а прямо в очистную камеру 34а может быть получено улучшенное перемешивание между неочищенным газом и сухим сорбентом. Это происходит из-за ускорения неочищенного газа в теплообменнике 40а.

В качестве альтернативы применению одинаковых труб 68 теплообменник 40а может быть сконструирован с использованием труб 68, имеющих такие свойства, как длина, форма или ширина трубы, которые меняются как функция положения трубы в теплообменнике 40а, чтобы получать любой конкретный желаемый профиль потока газа по выходу 84 теплообменника.

Каждая охлаждающая труба 68 обеспечена входной воронкой 77 охлаждающей трубы, т.е. расширенным входом охлаждающей трубы, которая приварена к нижней стороне входной пластины 78 охлаждающих труб и распространяется во входную камеру 66. Входные воронки 77 ускоряют поток газа в охлаждающие трубы 68 и тем самым дополнительно снижают опасность образования накипи внутри труб 68. Кроме того, применение входных воронок 77 также выравнивает профиль скорости газа поперек каждой индивидуальной трубы 68, что, в свою очередь, приводит к еще более равномерному профилю скорости потока газа на входе 46а очистной камеры. Хотя входные воронки 77, изображенные на фиг.5, являются коническими, воронки могут иметь разные формы, такие как колоколообразные.

Возвращаясь опять к особому варианту осуществления, показанному на фиг.4, выход 84 теплообменника (фиг.5) распространяется поперек всего сечения входа 46а очистной камеры и образует днище первого реактора 50. Тем самым, в первом реакторе 50 практически нет мертвого пространства, где может выпадать и оседать оксид алюминия, пока существует непрерывный поток газа сквозь теплообменник 40а.

Теплообменник 40а на фиг.4 присоединен к сбрасывающему теплообменнику 86, который принимает горячую охлаждающую жидкость из теплообменника 40а, передает тепло окружающему воздуху и возвращает охлажденную охлаждающую жидкость в теплообменник 40а. Альтернативно, тепло, переданное охлаждающей жидкости в теплообменнике 40а, может быть использовано в ином месте, где может быть необходимо тепло, например для нагрева зданий, опреснения морской воды или подобного.

Вследствие расположения индивидуальных теплообменников 40а-с у каждого входа 46а-с очистной камеры каждый теплообменник может быть разработан для охлаждения относительно небольшого фракционного потока неочищенного газа. Теплообменники 40а-с тем самым могут быть сделаны относительно небольшими, так что они могут облегчать разделение опорных структур, ремонтных платформ, освещения, инспекционных крышек и т.д. с очистными камерами 34а-с. Кроме того, установка теплообменников 40а-с ниже очистных камер 34а-с может экономить опорную поверхность в местах, где пространство ограничено.

Хотя данное изобретение описано со ссылкой на различные типичные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения могут быть сделаны и эквиваленты могут быть заменены на их элементы без отклонения от объема данного изобретения. Кроме того, могут быть сделаны многочисленные модификации, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к описанию данного изобретения без отклонения от его присущего объема. Поэтому предполагается, что данное изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления, описанными в качестве лучших вариантов осуществления, рассматриваемых для выполнения изобретения, но предполагается, что данное изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, попадающие в объем формулы изобретения.

В качестве примера, не является необходимым, что теплообменники 40а-с выпускают фракционные потоки неочищенного газа прямо в очистные камеры; хорошее распределение основного потока неочищенного газа на фракционные потоки неочищенного газа может быть получено независимо от, например, какой-либо системы каналов между индивидуальным теплообменником 40а-с и соответствующей очистной камерой 34а-с. Кроме того, трубы теплообменника 40а-с могут иметь любую ориентацию, такую как вертикальная, горизонтальная и т.п. Фактически теплообменники 40а-с не обязаны иметь тип с пакетом труб; они могут быть любого типа, известного специалистам в данной области техники. Теплообменники 40а-с не обязаны быть расположены ниже соответствующих газоочистных камер 34а-с; они могут быть расположены в любом месте ниже по потоку от входной магистрали 32 очистной камеры. Нет необходимости в том, что все входы 46а-с обеспечиваются соответствующим теплообменником 40а-с; в качестве альтернативы, множество входов 46а-b может быть обеспечено теплообменниками 40а-b, а перепады давления сквозь остальные очистные камеры 34с могут регулироваться любым другим образом, например с помощью заслонки 42с. Кроме того, газоочистные камеры не обязаны содержать скруббер сухой очистки или рукавный фильтр. Очищающее средство газоочистных камер может быть любого типа, такое как скрубберы мокрой очистки и/или подходящие типы защитных фильтров. Газоочистное устройство и способ газоочистки, описанные выше, не ограничиваются очисткой неочищенного газа на предприятии по получению алюминия; данное газоочистное устройство и способ могут быть использованы также для очистки неочищенного газа, выделяемого другими промышленными процессами.

Изобретение относится к очистке основного потока неочищенного газа из предприятия, например, по получению алюминия. Газоочистное устройство содержит множество газоочистных камер (34a-c), входную магистраль (32) для разделения основного потока неочищенного газа, текущего через нее, на множество отдельных фракционных потоков неочищенного газа для втекания во входы (46a-c) очистных камер и множество теплообменников (40a-c). Каждый теплообменник (40a-c) расположен ниже по потоку от входной магистрали (32) для охлаждения соответствующего фракционного потока неочищенного газа, входящего в соответствующую очистную камеру (34a-c). Теплообменники (40a-c) выполнены с возможностью генерирования перепада давления во фракционном потоке неочищенного газа, проходящем через них, оказывая выравнивающий эффект на относительные скорости индивидуальных фракционных потоков газа. Технический результат: повышение эффективности и надежности газоочистки. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газоочистное устройство для очистки основного потока неочищенного газа из предприятия, причем данное газоочистное устройство содержит
множество газоочистных камер (34a-c), причем каждая газоочистная камера (34a-c) оборудована входом (46a-c) очистной камеры;
входную магистраль (32) для разделения упомянутого основного потока неочищенного газа, текущего через нее, на множество отдельных фракционных потоков неочищенного газа для втекания в упомянутые входы (46a-c) очистных камер; и
множество теплообменников (40a-c), причем каждый теплообменник (40a-c) расположен ниже по потоку от входной магистрали (32), для теплообмена с соответствующим фракционным потоком неочищенного газа, входящим в соответствующую очистную камеру (34a-c),
причем теплообменники (40a-c) выполнены с возможностью генерирования перепада давления во фракционном потоке неочищенного газа, проходящем через них, оказывая выравнивающий эффект на относительные скорости индивидуальных фракционных потоков газа.

2. Газоочистное устройство по п. 1, в котором каждый из теплообменников (40a-c) расположен у входа (46a-c) соответствующей очистной камеры.

3. Газоочистное устройство по п. 1, в котором каждый из упомянутых теплообменников (40a-c) имеет выход (84), выполненный с возможностью выпуска неочищенного газа непосредственно в соответствующую очистную камеру (34a-c).

4. Газоочистное устройство по п. 1, в котором каждый из упомянутых теплообменников (40a-c) содержит камеру (66) входа неочищенного газа для приема фракционного потока неочищенного газа и множество взаимно параллельных труб (68) охлаждения неочищенного газа, которые разнесены друг от друга.

5. Газоочистное устройство по п. 4, в котором каждая труба (68) охлаждения неочищенного газа имеет входную воронку (77) охлаждающей трубы для ускорения неочищенного газа в охлаждающую трубу (68).

6. Газоочистное устройство по п. 4, в котором трубы (68) охлаждения газа стоят вертикально.

7. Газоочистное устройство по п. 1, в котором каждая из упомянутых газоочистных камер (34a-c) содержит скруббер (50) сухой очистки, имеющий упомянутый соответствующий теплообменник (40a-c), расположенный у входа (46a-c) неочищенного газа, расположенного в его нижней части.

8. Газоочистное устройство по п. 1, в котором упомянутое предприятие (10) содержит множество электролитических ячеек (14) для получения алюминия, использующих процесс Hall-Hérout, и упомянутый неочищенный газ представляет собой отходящий газ, генерируемый в упомянутом процессе Hall-Hérout.

9. Газоочистное устройство по п. 1, в котором каждая из упомянутых очистных камер (34a-c) обеспечена входной заслонкой (42a-c), которая расположена между соответствующим теплообменником (40a-c) и входной магистралью (32).

10. Газоочистное устройство по п. 1, дополнительно содержащее выходную магистраль (47) для присоединения всех очистных камер (34a-c) к выпускной трубе (24).

11. Способ очистки основного потока неочищенного газа, при котором разделяют упомянутый основной поток неочищенного газа на множество фракционных потоков неочищенного газа; и
индивидуально охлаждают каждый из упомянутых фракционных потоков неочищенного газа с использованием множества соответствующих теплообменников (40a-c), чтобы получить множество охлажденных фракционных потоков неочищенного газа, подлежащих индивидуальной очистке,
причем теплообменники (40a-c) генерируют перепад давления во фракционном потоке неочищенного газа, проходящем через них, оказывая выравнивающий эффект на относительные скорости индивидуальных фракционных потоков газа.

12. Способ по п. 11, при котором дополнительно индивидуально выпускают каждый из упомянутых фракционных потоков неочищенного газа непосредственно из выхода (84) соответствующего теплообменника (40a-c) в соответствующую очистную камеру (34a-c).

13. Способ по п. 11, при котором каждый из упомянутых фракционных потоков неочищенного газа охлаждают в теплообменнике (40a-c), содержащем камеру (66) входа неочищенного газа для приема фракционного потока неочищенного газа и множество взаимно параллельных труб (68) охлаждения неочищенного газа, которые разнесены друг от друга, причем каждая труба охлаждения неочищенного газа имеет входную воронку (77) охлаждающей трубы для ускорения неочищенного газа в охлаждающую трубу (68).

14. Способ по п. 11, при котором дополнительно вводят каждый из упомянутого множества охлажденных фракционных потоков неочищенного газа в нижнюю часть скруббера сухой очистки.

15. Способ по п. 11, при котором упомянутый основной поток неочищенного газа генерируют способом Hall-Hérout получения алюминия.

16. Способ по п. 11, при котором дополнительно индивидуально регулируют течение каждого из фракционных потоков неочищенного газа в соответствующие теплообменники (40a-c).