СИСТЕМА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ГАЗОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2021 года по МПК C25C3/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к получению алюминия электролитическим способом в электролизерах с обожженными анодами, а именно для удаления электролизных газов из электролизера.

Уровень техники

Процесс электролитического получения алюминия связан с выделением в подбалочное пространство смеси газов, состоящей из перфторуглеродов (CF₄, CF₆, C_yF_x-1), оксида и диоксида углерода (СО, СО₂), диоксидов серы и азота (SO₂, NO₂) и пыли, содержащей оксиды алюминия и кремния, углерод (Al₂O₃, SiO₂, С), переходящими в горизонтальную систему газоотводов и объединяемую в единый коллекторный газоход переменного сечения от одного или двух электролизеров с последующим подключением к газоочистной установке сухого типа, принцип работы которой основан на адсорбции загрязняющих веществ (ЗВ) на глиноземе (Al₂O₃). Отведение газов обеспечивается посредством создания разрежения в системе «электролизер-газоочистка» с использованием тягодутьевого оборудования, расположенного на газоочистке.

Пространство между балкой-коллектором и катодным кожухом алюминиевого электролизера укрывается съемными укрытиями, которые обеспечивают процент неплотности укрытия не более 2%, что позволяет поддерживать КПД укрытия выше 98%. При этом технология электролитического получения алюминия подразумевает выполнение ряда технологических операций, таких как замена анодов, выливка металла, обслуживание анодного массива, замеры. Эти операции связаны с разгерметизацией электролизера путем снятия укрытий. Время, затраченное на выполнение этих операций, называется периодом выполнения операций. Большую часть времени (межоперационный период) на электролизере не выполняются перечисленные операции и электролизёр в это время герметично укрыт.

Снятие укрытий может приводить к снижению КПД укрытия электролизера и к увеличению выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу электролизного корпуса. Суммарный КПД укрытия рассчитывается как средневзвешенное от КПД укрытия электролизеров в стационарном режиме и при выполнении технологических операций. Учитывая, что при одном и том же объеме удаляемых из электролизера газов в стационарном режиме КПД укрытия электролизера может быть значительно выше 98%, чем при разгерметизации электролизера, и при этом выполнение технологических операций может приводить к снижению КПД ниже 98%, целесообразно дифференцировать объем отводимых газов при помощи применения парной системы газоотводных каналов.

Известно устройство для сбора и удаления газов, выделяющихся из алюминиевого электролизера с обожженными анодами (RU2553137, 10.06.2015), которое содержит газоходы для удаления стандартизированного количества газов во время нормальной работы электролизера и дополнительно имеет газоходы для удаления увеличенного количества газов при открывании одной или более крышек анодного кожуха, при этом увеличенное количество газов удаляется с помощью дополнительного вытяжного вентилятора.

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее:

- отсутствие датчиков температуры и разрежения, позволяющих фиксировать любые случаи разгерметизации электролизера и, тем самым, уменьшать количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу корпуса;

- наличие второго газохода и дополнительных вентиляторов, что приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат.

Известно устройство для удаления электролизных газов от электролизера с автоматическим управлением объёмами удаляемых газов при помощи по меньшей мере одного отсасывающего канала (SU1473718, 15.04.1989). В известном устройстве все пространство под балкой-коллектором разделено на отдельные зоны с возможностью изменения объема отводимых газов в каждой из них при помощи встроенных заслонок. Автоматическое регулирование осуществляется на основании показаний датчика температуры и заключается в повышении объема отводимых газов при разгерметизации электролизера и уменьшении температуры и обратном снижении объёмов при восстановлении герметичности электролизера и повышении температуры.

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее: разделение газоотводного канала балки-коллектора перегородками на систему параллельных каналов постоянного сечения S1 увеличивает газодинамическое сопротивление в несколько раз. Для преодоления большой величины сопротивления потребуется обеспечить значительное разрежение. Кроме того, установленные внутри каждого канала шиберы создают дополнительное сопротивление и способствуют оседанию глинозема в каналах. Работа шиберов либо будет затруднена воздействием высокой температуры, абразивных частиц, фтористых соединений и магнитного поля, либо будет невозможна.

Осаждение глинозема в каналах приведет к перераспределению потоков по каналам, что сделает невозможным равномерное удаление газов по всей длине электролизера.

В связи с тем, что внутренняя полость коллектора разделена сплошными (от стенки до стенки) горизонтальными перегородками, исключается возможность установки и использования дозаторов автоматической подачи глинозема (АПГ). Подобная конструкция накладывает ограничения на конструктивное выполнение анодной ошиновки, когда боковые шины имеют соединения между собой. Также работа устройства нарушается при отказе одного из элементов автоматического управления.

Известны система и способ улавливания выбросов из электролизера, заключающийся в подаче струи сжатого воздуха вдоль потока отводимого от электролизера газа по коллекторному газоходу (RU2436872, 20.12.2011). В известной системе обеспечивается возможность перераспределения мощности всасывания между отдельными электролизерами цеха.

К недостаткам данной системы можно отнести следующее:

- зависимость функционирования системы от работы сети сжатого воздуха;

- повышенные энергетические затраты в связи с необходимостью использования сжатого воздуха.

Наиболее близким техническим решением является система для удаления газов из алюминиевого электролизера, раскрытая в RU2599470, 10.10.2016. Известная система включает в себя средства для удаления количества газов во время нормальной работы электролизера и средства для удаления увеличенного количества газов при снятии одного или более укрытий. При этом анодная балка-коллектор объединена в единый коллектор с анодной балкой-коллектором рядом стоящего электролизера, причем система дополнительно включает в себя по меньшей мере один элемент регулирования объема удаляемых газов, расположенный в газоотводном патрубке, и по меньшей мере один датчик измерения фиксируемого параметра в соответствии с заданными технологическими режимами.

К недостаткам данной системы можно отнести следующее:

- для работы известной системы обязательным условием является объединение в единый коллектор анодной балки-коллектора одного электролизера с анодной балкой-коллектором рядом стоящего электролизера. Таким образом, известная система не может быть использована для одного электролизера;

- конструкция системы не позволяет изменять объём удаляемых газов отдельно при выполнении на электролизере операций, связанных с частичной разгерметизацией, и отдельно при работе электролизера в межоперационном режиме.

Раскрытие изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение минимальных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при поддержании требуемого КПД улавливания газов.

Техническим результатом изобретения является уменьшение объема отводимых газов при поддержании требуемого КПД улавливания газов.

Технический результат достигается тем, что система для удаления газов из электролизера для получения алюминия, имеющего балку-коллектор с по меньшей мере двумя газоотводами, включает:

- устройство регулирования объема удаляемого газа, закрепленное на электролизере и содержащее по меньшей мере один газоотводный канал меньшего сечения, один газоотводный канал большего сечения и конфузор, объединяющий газоотводные каналы на выходе из устройства, через который газы удаляются из системы, причем на каждом из газоотводных каналов установлено по два патрубка для соединения с соответствующим газоотводом балки-коллектора электролизера;

- по меньшей мере две регулировочных заслонки, установленных на каждом газоотводном канале устройства;

- по меньшей мере два переходника для соединения каждого патрубка устройства с газоотводами балки-коллектора, и

при этом газоотводные каналы выполнены с возможностью образования двух контуров удаления газов, причем один из газоотводов балки-коллектора каждого электролизера соединен с газоотводным каналом, имеющим меньшую площадь сечения, с образованием основного контура удаления газов, действующего постоянно, а второй – с газоотводным каналом, имеющим большую площадь сечения, с образованием дополнительного контура удаления газов, включающегося при разгерметизации электролизера, для обеспечения возможности удаления газов поочередно на одном из двух подсоединенных к системе удаления газов рядов стоящих электролизеров при выполнении операций, связанных с разгерметизацией электролизеров.

В настоящем изобретении термин «канал меньшего сечения» означает канал, имеющий площадь поперечного сечения меньше, чем канал большего сечения, а, соответственно, термин «канал большего сечения» означает канал, площадь поперечного сечения больше, чем канал меньшего сечения.

При этом каждый указанный газоотводный канал устройства регулирования объема удаляемого газа снабжен регулировочной заслонкой, выполненной с возможностью полного или частичного перекрытия вышеупомянутых газоотводных каналов для количественного регулирования потока удаляемого газа.

Газоотводные каналы на одних своих концах снабжены патрубками для соединения каналов через переходники с соответствующими газоотводами балки-коллектора электролизера, а своими противоположными концами каналы объединены с помощью конфузора, через который они соединены с газоочистной системой, в которую поступает удаляемый из электролизера газ. При этом балка-коллектор имеет два газоотвода: один соединяется с газоотводным каналом устройства, который имеет меньшую площадь сечения, второй - с газоотводным каналом устройства, который имеет большую площадь сечения. Газоотводы балок-коллекторов электролизеров соединяются через переходники с патрубками газоотводных каналов устройства регулирования объема удаляемого газа. Конструкция устройства относительно газоотводных каналов является симметричной: переходники и патрубки для соединения электролизеров с устройством регулирования объема удаляемого газа расположены слева и справа от этих газоотводных каналов.

Таким образом, в данной системе газоотводные каналы выполнены с возможностью образования двух контуров удаления газов - основного контура c задействованием газоотводного канала меньшего сечения и дополнительного контура с задействованием газоотводного канала большего сечения, причем нет необходимости использовать какие-либо дополнительные устройства, создающие разрежение в каналах. Основной контур работает постоянно, а дополнительный контур включается в работу при выполнении технологических операций на электролизере при его разгерметизации, при этом источником разряжения является газоочистная система.

Таким образом, в отличие от прототипа заявляемая система для удаления газов может быть использована для одного электролизера. Кроме того, система также может успешно функционировать и для двух электролизеров. В этом случае на разгерметизированном электролизере будут задействованы одновременно оба газоотводных канала, т.е. основной и дополнительный контуры, а на электролизере, работающем в межоперационном режиме, будет включен в работу только газоотводный канал с меньшим сечением.

В результате применения заявленной системы, не меняя величину разрежения в газоочистной системе и не подключая дополнительные источники разрежения, объём удаляемых газов с разгерметизированного электролизера увеличивается.

Соотношение площадей большего и меньшего сечений газоотводных каналов оптимально составляет 3:2.

При таком соотношении площадей сечений при разгерметизации электролизера объём удаляемых газов (электролизный газ и воздух) может быть увеличен в 3 раза по сравнению с серийными электролизерами, используемыми в производстве алюминия, что является достаточным количеством для обеспечения эффективности удаления газов на уровне КПД, равным 98%).

Устройство регулирования объема удаляемых газом может быть закреплено на электролизере при помощи рамы.

Площади меньшего и большего сечений рассчитываются исходя из условия обеспечения минимально необходимых объемов удаляемых газов в межоперационный период и при выполнении технологических операций, соответственно.

В газоотводных каналах как меньшего, так и большего сечения предусмотрена возможность регулирования объёма удаляемых газов путем перекрытия указанных каналов в межоперационном режиме работы посредством регулировочных механических заслонок, которые могут быть выполнены в виде поворотных шиберов, положение которых («открыто» - «закрыто») может изменяться, например, с помощью механического привода или электропривода.

Перед началом выполнения технологических операций, связанных с разгерметизацией электролизера, с помощью электропривода механическая заслонка в газоотводном канале большего сечения переводится из положения «закрыто» в положение «открыто». Газ в этом случае удаляется через оба газоотводных канала: меньшего сечения и большего сечения, в результате чего разрежение на входе в конфузор, соединенный с газоочистной системой, перераспределяется между каналом меньшего сечения и каналом большего сечения. Объём удаляемых газов в этом случае увеличивается пропорционально газодинамическому сопротивлению, возникающему при разгерметизации электролизера. Таким образом, объём удаляемых газов будет пропорционален площади разгерметизации и равен минимальному значению, необходимому для предотвращения выбросов газов в корпус.

Краткое описание чертежей

Заявляемая система для удаления газов поясняется чертежами:

- на фиг.1 представлен общий вид системы для удаления газов из электролизера для получения алюминия, где: 1 - газоотводный канал большего сечения; 2 - газоотводный канал меньшего сечения; 3 - регулировочные заслонки; 4 - рама для прикрепления устройства регулирования объема удаляемых газов к электролизеру; 5 - переходник газоотводного канала большего сечения; 6 - переходник газоотводного канала меньшего сечения; 7 - конфузор для соединения устройства с газоочистной системой (не показана);

- на фиг. 2 представлено устройство регулирования объема удаляемых газов (конфузор не показан), где: 1 - газоотводный канал большего сечения; 2 - газоотводный канал меньшего сечения; 8 - патрубки для соединения газоотводных каналов меньшего сечения устройства с переходниками 6; 9 - патрубки для соединения газоотводных каналов большего сечения с переходниками 5;

- на фиг.3 представлена схема объединения газоотводов балок-коллекторов с устройством регулирования объема удаляемых газов при продольном расположении электролизеров в электролизном корпусе;

- на фиг.4 представлена схема объединения газоотводов балок-коллекторов с устройством при поперечном расположении электролизеров в электролизном корпусе.

Осуществление изобретения

Устройство регулирования объема газа, удаляемого из электролизера для получения алюминия (фиг.1 и фиг.2), состоит из газоотводных каналов разного сечения: канала 1 большего сечения и канала 2 меньшего сечения, т.е. площадь поперечного сечения канала 1 больше площади поперечного сечения канала 2. Каждый газоотводный канал 1, 2 одним своим концом через патрубки и далее через переходники соединен с двумя балками-коллекторами электролизеров.

Так, канал 1 соединен через два идентичных патрубка 9, симметрично расположенных по отношению к газоотводному каналу 1, с двумя идентичными переходниками 5, симметрично расположенными по отношению к газоотводному каналу 1. В свою очередь, переходники 5 соединены с соответствующими газоотводами балок-коллекторов электролизеров.

Аналогичным образом канал 2 соединен через два идентичных патрубка 8, симметрично расположенных по отношению к газоотводному каналу 2, с двумя идентичными переходниками 6, симметрично расположенными по отношению к газоотводному каналу 2. В свою очередь, переходники 6 соединены с соответствующими газоотводами балок-коллекторов электролизеров (фиг.3 и 4).

Своим противоположным концом каждый канал 1,2 через конфузор 7 подключен к газоочистной системе (не показана).

Таким образом, для подключения газоотводных каналов 1 и 2 к газоотводам балок-коллекторов одного или двух электролизеров на каждом из каналов 1 и 2 используются патрубки 9 и 8, а также переходники 5 и 6. Каждый из каналов 1,2 снабжен двумя регулировочными заслонками 3: две заслонки расположены слева от канала и две заслонки расположены справа. Газоотводные каналы 1 и 2 установлены на раме 4, которая прикреплена к электролизерам.

Система удаления газов из электролизера для получения алюминия работает следующим образом.

В межоперационный период работы электролизера регулировочная заслонка 3 в газоотводном канале 2 меньшего сечения полностью открыта, а заслонка 3 в газоотводном канале 1 большего сечения полностью закрыта.

Газоочистная система (на чертежах не показана) создает разрежение газов на выходе из конфузора 7 и далее через переходники 6 для газоотводного канала 2 разрежение газов создается в газоотводе балки-коллектора электролизера. Таким образом, объем удаляемых из электролизера газов через газоотводные каналы определяется только меньшим сечением газоотводного канала 2.

Перед выполнением технологических операций, таких как выливка металла или замена анодов, когда необходима разгерметизация электролизера, регулировочная заслонка 3 в газоотводном канале 1 полностью или частично открывается. Заслонка 3 в газоотводном канале 2 также полностью открыта. Таким образом, при выполнении технологических операций газоотводные каналы 2 и 1 открыты. В этом случае разрежение газов на входе в конфузор 7 перераспределяется через переходники 6 и 5 между каналом 2 и каналом 1. Так как в этом случае работают одновременно оба газоотводных канала: большего и меньшего сечения, объём удаляемых газов увеличивается пропорционально газодинамическому сопротивлению, возникающему при частичной разгерметизации (снятии нескольких щитов укрытия) электролизера. Газоотводные каналы балки-коллектора одного или двух электролизеров соединяются с устройством регулирования объема удаляемых газов посредством соединительных патрубков 9 и 8 и переходников 5 и 6.

При подключении к системе удаления газов одного или двух электролизеров в межоперационном режиме работы газ из них удаляется через газоотводные каналы 2 меньшего сечения, в которых заслонки 3 открыты полностью. Заслонки 3 в газоотводных каналах 1 большего сечения каждого электролизера полностью закрыты.

В соответствии с изобретением операции, связанные с разгерметизацией электролизеров, выполняются только на одном из двух подсоединенных к системе удаления газов электролизеров, т.е. поочередно. В случае выполнения операции разгерметизации на электролизере, на котором выполняется эта технологическая операция, заслонки 3 в каждом из газоотводных каналов 1 и 2 открыты и, таким образом, открыты оба газоотводных канала 1 и 2: меньшего и большего сечения.

На электролизере, работающем в межоперационном режиме, канал 2 меньшего сечения открыт (заслонка 3 полностью или частично открыта), а канал 1 большего сечения полностью закрыт. Разрежение распределяется между электролизерами пропорционально открытым сечениям каналов.

Система является полностью автономной, т.е. она предусматривает работу с двумя электролизерами, но при необходимости (например, при отключении одного электролизера на капитальный ремонт, расположении электролизера в конце корпуса и т. д) система может работать с одним электролизёром.

Испытание заявляемой системы на опытных электролизерах РА 167 показали, что ее использование позволило в 3 раза уменьшить объём удаляемых газов (выбросов загрязняющих веществ в атмосферу): с 6000 нм³/час на серийных электролизерах до 2000 нм³/час на опытных электролизерах. При этом КПД на опытных электролизерах с заявляемой системой составил 99%, в то время как КПД на серийных электролизерах равен 94%.

Изобретение относится к системе для удаления газов из электролизеров для получения алюминия при получении алюминия электролизом, каждый из которых содержит балку-коллектор с двумя газоотводами. Система содержит средство для удаления газов во время работы электролизера и для удаления увеличенного количества газов при снятии одного или более укрытий, выполненное в виде устройства для регулирования объема удаляемого газа, содержащего газоотводный канал большего сечения и газоотводный канал меньшего сечения, с соотношением площадей большего и меньшего сечений 3:2, и конфузор, объединяющий газоотводные каналы на выходе из устройства, на каждом из газоотводных каналов установлено по два патрубка для соединения с соответствующим газоотводом балки-коллектора каждого электролизера, две регулировочные заслонки, два переходника для соединения каждого патрубка устройства с газоотводами балки-коллектора каждого электролизера, газоотводные каналы образуют два контура удаления газов: основной контур удаления газов, действующий постоянно, и второй - дополнительный контур удаления газов, включающийся при разгерметизации электролизера, для удаления газов поочередно на одном из двух подсоединенных к системе удаления газов рядом стоящих электролизеров. Обеспечивается уменьшение объема отводимых газов при поддержании требуемого КПД улавливания газов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для удаления газов из электролизеров для получения алюминия, каждый из которых содержит балку-коллектор с по меньшей мере двумя газоотводами и съемные укрытия для выполнения технологических операций, содержащая средство для удаления газов во время работы электролизера и для удаления увеличенного количества газов при снятии одного или более укрытий с обеспечением удаления газов из двух рядом стоящих электролизеров, отличающаяся тем, что средство для удаления газов во время работы электролизера и для удаления увеличенного количества газов при снятии одного или более укрытий выполнено в виде устройства для регулирования объема удаляемого газа, содержащего по меньшей мере один газоотводный канал большего сечения, один газоотводный канал меньшего сечения, с соотношением площадей большего и меньшего сечений газоотводных каналов, составляющим 3:2, и конфузор, объединяющий газоотводные каналы на выходе из устройства, через который газы удаляются из системы, причем на каждом из газоотводных каналов установлено:

- по два патрубка для соединения с соответствующим газоотводом балки-коллектора каждого электролизера,

- по меньшей мере две регулировочные заслонки, установленные на каждом газоотводном канале устройства,

- по меньшей мере два переходника для соединения каждого патрубка устройства с газоотводами балки-коллектора каждого электролизера, и

при этом газоотводные каналы выполнены с возможностью образования двух контуров удаления газов, причем один из газоотводов балки-коллектора каждого электролизера соединен с газоотводным каналом, имеющим меньшую площадь сечения, с образованием основного контура удаления газов, действующего постоянно, а второй – с газоотводным каналом, имеющим большую площадь сечения, с образованием дополнительного контура удаления газов, включающегося при разгерметизации электролизера, для обеспечения возможности удаления газов поочередно на одном из двух подсоединенных к системе удаления газов рядом стоящих электролизеров при выполнении операций, связанных с разгерметизацией электролизеров.

2. Система по п. 1, в которой каждая регулировочная заслонка выполнена с возможностью полного или частичного перекрытия газоотводных каналов для количественного регулирования потока удаляемого газа.

3. Система по п. 1, в которой регулировочная заслонка выполнена в виде поворотного шибера.

4. Система по п. 1, в которой устройство регулирования объема удаляемых газов прикреплено к электролизеру при помощи рамы.