УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА И УДАЛЕНИЯ ГАЗОВ В АЛЮМИНИЕВОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ
DEVICE FOR COLLECTION AND REMOVAL OF GASES IN ALUMINIUM ELECTROLYSIS CELL

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению алюминия в электролизерах с предварительно обожженными анодами, и может быть применено для уменьшения объемов удаляемых газов от электролизера при сохранении высокой эффективности удаления в межоперационный период и при выполнении технологических операций на электролизере, связанных с разгерметизацией укрытий.
Уровень техники
Известно устройство, в котором газосборный колпак контактирует с коркой в месте отверстия в корке. Целью данного изобретения является сбор отходящих газов из электролизера для очистки фтористых компонентов глинозема. (Патент США 4,770,752 (1988 г. )).
Недостатки известного устройства заключаются в том, что данное изобретение имеет ограничения с точки зрения техобслуживания системы подачи глинозема, расположенного внутри колпака, и возможных повреждений во время замены анодов, поскольку колпак находится близко к анодам и к корке.
Известно устройство, в котором в межоперационный период удаляется стандартизованное количество технологических газов и увеличенное количество технологических газов при открывании крышек анодного кожуха, путем включения дополнительного вытяжного вентилятора. Внутри укрытия установлена разделительная стенка для направления потоков вверх в газовые каналы для снижения выбросов в корпус (патент RU 2251593 С2, МПК С25С 3/20, опубл. 15.11.2000 г. ).
Недостатком устройства-аналога является то, что при разгерметизации электролизера, поток воздуха, затягиваемый под укрытие, перемещает электролизные газы вдоль электролизера и создает под нижним фланцем балки-коллектора застойные области с повышенной концентрацией электролизных газов. В этих областях газы выбиваются в рабочую зону корпуса электролизера через зазоры между анодными штангами и фланцем, а также через зазоры между щитами укрытия.
Известно устройство для сбора и удаления газов из алюминиевого электролизера по патенту RU 2553137, С25С 3/22 опубл. 10.06.2015, содержащее балку-коллектор, имеющую верхний и нижний пояса жесткости и двойные вертикальные стенки, между которыми в верхней части балки-коллектора вдоль вертикальных стенок образованы основные газоходные каналы переменного сечения с конфузорами, расположенными вдоль продольной оси балки-коллектора над анодами, одним концом закрепленными на входе в обтекатель, а другим с отверстиями в нижнем поясе жесткости, высота основных газоходных каналов возрастает к торцу балки-коллектора, соединенного с системой газоочистки. Между верхним и нижним поясами жесткости симметрично продольной оси балки-коллектора расположены два дополнительных газоходных канала переменного сечения, соединенные с нижним поясом жесткости с помощью конфузоров, снабженных заслонками и расположенных вдоль продольной оси над анодами между конфузорами основного газоходного канала, при этом с лицевой стороны каждый основной газоходный канал имеет конфузор, установленный в зоне забора металла.
Недостатком предлагаемого устройства является то, что в устройстве предусмотрено локальное повышение разрежения в зоне замены анодов, без выравнивания разрежения под всем укрытием. Для этого включаются дополнительные газоходы, соединенные с конфузорами, которые снабжены автоматическими заслонками. Через проемы, где сняты створки для замены анода, под укрытие затягивается большой объем воздуха с образованием вихревых потоков распределяющихся под всем укрытием. В результате в других зонах укрытия конфузоры не справляются с удалением газов, и газ через неплотности укрытия будет выбиваться в корпус.Предлагаемое устройство не обеспечивает эффективное удаление газов при выполнении операции замены анодов.
2
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является устройство для сбора горячего газа, отходящего в процессе электролиза, предложенное в патенте WO 2010/033037 А1., МПК С25С 3/22, опубл. 25.03.2010 г., взятое за прототип. В устройстве колпак для удаления газов расположен непосредственно над отверстием в корке и обеспечивает меньший суммарный объем газа отводимого из электролизера с большей концентрацией СО и повышенной температурой, что позволяет сократить количество газоочистных установок и повысить потенциал теплообмена. Кроме того, газосборный колпак имеет, как минимум, два входа, т.е. его стенки выполнены двойными. Скорость всасывания между двойными стенками значительно превышает скорость в центре колпака, что формирует дополнительную тягу, которая создает искусственную «воздушную стену», обеспечивающую более эффективный сбор отходящих газов и снижает помехи со стороны поперечных потоков.
Недостатки устройства-прототипа:
В конструкции колпака прототипа эффективное удаление электролизных газов обеспечивается двойными стенками, которые создают искусственную «воздушную стену» и снижают помехи со стороны поперечных потоков. В этом случае смещение колпаков в сторону от пробойников сделает удаление газов не эффективным, а размещение колпака непосредственно над отверстием в корке приведет, в результате работы в агрессивной среде, к повреждению механизмов регулирования потоков отражателя и питателя электролизера.
Желательный диапазон размещения колпака над коркой от 10 до 1000 мм, определяется скоростью уноса глинозема и возможностью проведения операции замены анодов. Для выполнения этого условия необходимо изменение высоты установки колпака при различных операциях, что нарушает герметичность, устройства удаления газов.
Для эффективного удаления газа от электролизера необходимо обеспечить равные объемы удаления газов от всех колпаков, размещенных под укрытием электролизера. Для этого величины разрежения на входе в каждый колпак должны быть одинаковыми, однако в устройстве прототипа система, регулирующая равномерный забор газа под укрытием электролизера, отсутствует.
В устройстве по WO 2010/033037 колпак для сбора технологических газов может быть установлен рядом с питателем, а не представлять с ним единое целое. В этом случае большая часть газов будет затягиваться на периферии колпака, однако для этого необходимо обеспечить равномерный забор газов по длине основания колпака.
При выполнении операции замены анодов открываются крышки укрытия и воздух, затягиваемый через образовавшийся проем, образует вихревые потоки, которые смещают газ в один из торцов электролизера, колпаки в этой зоне не справятся с удалением увеличенного объема газа. Кроме того, «воздушная стена» препятствует затягиванию поперечных потоков газа, выделяющегося через образовавшиеся большие разломы корки электролита, в месте удаляемых анодов.
Таким образом, устройство прототипа не позволяет эффективно удалять электролизные газы, как в межоперационном режиме работы электролизера, так и при выполнении технологических операций. Кроме того, оборудование, размещенное под укрытием, испытывает большие нагрузки со стороны агрессивной среды.
Раскрытие сущности изобретения
В основу изобретения положена задача снижение потерь тепла с отходящими газами от электролизера и уменьшение нагрузки на газоочистные установки при сохранении эффективности удаления газов.
3
Нагрузка на газоочистные сооружения определяется объемом удаляемых газов с электролизеров. Общий объем удаляемых газов от электролизера с обожженными анодами составляет 3000÷20000 нм/час, из них только 1%÷2% составляют электролизные газы, а остальное это воздух. Эффективность удаления газов из электролизера определяется показателем к.п.д. системы удаления газов из электролизера, обычно эта величина составляет 98%.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение суммарного объема удаляемых газов из электролизера в несколько раз за счет уменьшения объема воздуха, при выполнении следующих условий:
1. Величина к.п.д. системы удаления газов сохраняется на уровне не менее 98%, как в межоперационном режиме работы электролизера, так и при выполнении технологических операций.
2. Нагрузка со стороны агрессивной среды на оборудование, размещенное под укрытием, не увеличивается.
Для выполнения первого условия в предлагаемом техническом решении в межоперационном режиме работы электролизера обеспечивается равномерность забора газов по длине укрытия электролизера и по длине основания каждого газосборного колпака.
Для выполнения второго условия газосборные колпаки располагаются таким образом, чтобы механизмы для подачи глинозема находились вне зоны забора газов, а колпаки имеют такую конструкцию, которая обеспечивает равномерность забора газов по длине основания каждого газосборного колпака при указанном расположении - вне зоны забора газов.
В одном из вариантов осуществления решение поставленной задачи достигается устройством для сбора и удаления газов в алюминиевом электролизере, которое содержит систему газоходов, содержащую горизонтальный основной и дополнительный газоходы, выполненные с возможностью включения/отключения основного и дополнительного газоходов; и газосборные колпаки, при этом каждый из газосборных колпаков соединен первым каналом с горизонтальным основным газоходом, образуя основной контур удаления газов, и вторым каналом с дополнительным вертикальным газоходом, образуя дополнительный контур удаления газов. Высота каждого последующего первого канала основного контура увеличивается по потоку газа на 16÷24% от высоты предыдущего первого канала, а высота каждого последующего второго канала дополнительного контура увеличивается по потоку газа на 24÷26% от высоты предыдущего второго канала. В нижней части на внутренней поверхности продольных сторон по меньшей мере одного газосборного колпака вдоль направления движения газа установлены разделительные пластины, длина которых составляет не более 50% от высоты газосборного колпака, при этом с каждой стороны от центральной оси газосборного колпака симметрично установлены по меньшей мере две разделительные пластины и длина каждой следующей по направлению к центральной оси колпака пластины уменьшается по отношению к предыдущей на 25-35%.
Согласно одному из вариантов предложенного изобретения колпаки выполнены в виде конфузоров.
Согласно одному из вариантов предложенного изобретения основной и дополнительный контур в верхней части колпаков объединены.
Согласно одному из вариантов предложенного изобретения расстояние между разделительными пластинами составляет не менее 15% от длины основания газосборного колпака.
Кроме того, предложена система сбора и удаления газов в алюминиевом электролизере, которая содержит электролизер, содержащий, по меньшей мере, аноды и пробойники электролитной корки, укрытие электролизера, которое выполнено из съемных щитов, систему газоходов, включающую горизонтальный основной и дополнительный газоходы, выполненные с возможностью включения/отключения основного и дополнительного газоходов и газосборные колпаки, размещенные под укрытием электролизера вдоль его продольной оси между пробойниками электролитной корки, образуя зону забора газов в центре электролизера. На внутренней стороне съемных щитов укрытия горизонтально по отношению к электролитной корке установлены направляющие элементы, выполненные с возможностью направлять потоки газов в зону забора газов, при этом каждый из газосборных колпаков соединен первым каналом с горизонтальным основным газоходом, образуя основной контур удаления газов, и вторым каналом с дополнительным вертикальным газоходом, образуя дополнительный контур удаления газов. Высота каждого последующего первого канала основного контура, увеличивается по потоку газа на 16÷24% от высоты предыдущего первого канала, а высота каждого последующего второго канала дополнительного контура, увеличивается по потоку газа на 24÷26% от высоты предыдущего второго канала. При этом в нижней части на внутренней поверхности продольных сторон по меньшей мере одного газосборного колпака вдоль направления движения газа установлены разделительные пластины, длина которых составляет не более 50% от высоты газосборного колпака. С каждой стороны от центральной оси газосборного колпака симметрично установлены по меньшей мере две разделительные пластины, при этом длина каждой следующей по направлению к центральной оси колпака пластины уменьшается по отношению к предыдущей на 25-35%.
Согласно одному из вариантов предложенного изобретения газосборные колпаки в системе размещены над коркой электролита на расстоянии равном 0,5÷1,5 высоты нового анода электролизера.
Согласно одному из вариантов предложенного изобретения высота укрытия по отношению к уровню электролита составляет 1.5÷2 высоты нового анода.
Также предложен электролизер который содержит устройство для сбора и удаления газов в алюминиевом электролизере, описанное выше.
Приведенные варианты частного выполнения по изобретению не являются единственно возможными. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенной независимыми пунктами формулы.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 показан общий вид электролизера, который содержит устройство для сбора и удаления газов;
на фиг. 2 показано расположение элементов конструкции для сбора и удаления газов внутри электролизера;
на фиг. 3 показаны элементы основного и дополнительного контуров удаления газов;
на фиг. 4 показан вариант направляющего элемента устройства для сбора и удаления газов, выполненный в виде выступа (поперечный разрез электролизера);
на фиг. 5 показан вариант выполнения направляющего элемента устройства для сбора и удаления газов в виде пластин (поперечный разрез электролизера); на фиг. 6 показано расположение разделяющих пластин в газосборном колпаке (поперечный разрез колпака);
на фиг. 7 показаны основной и дополнительный контуры удаления газов с газосборными колпаками в продольном разрезе.
Осуществление изобретения
Устройство для сбора и удаления газов устанавливается в электролизере. Электролизер - это устройство для производства алюминия электролизом расплавов, содержащее, как правило, аноды, точечные питатели глиноземом с пробойниками, балку-коллектор с газоходами и газосборными колпаками, а также укрытие. Все конструктивные элементы заявленного устройства крепятся на балке-коллекторе (1). Укрытие электролизера (2), выполнено из отдельных щитов, на которых с внутренней стороны жестко установлены направляющие элементы 3 горизонтально по отношению к электролитной корке расплава. Направляющие элементы конструктивно могут быть выполнены в виде пластин или выступов (Фиг. 4 и Фиг. 5) из материалов, используемых для изготовления щитов укрытия, например из алюминия. Количество направляющих элементов определяется скоростью потоков между направляющими и должно обеспечить скорость воздушных потоков больше 2 м/с и меньше 7 м/с, чтобы исключить выбивание газов из электролизера и унос глинозема с поверхности корки. Расположение и длина направляющих элементов определяется конфигурацией укрытия при условии равномерного обтекания анодов.
Газосборные колпаки (4) размещены под укрытием электролизера вдоль его продольной оси между пробойниками электролитной корки над анодами (5), между пробойниками (6), образуя зону забора газов в центре электролизера.
Каждый газосборный колпак (4) соединен первым каналом (8) с горизонтальным основным газоходом (9), образуя основной контур удаления газов, и вторым каналом (8') с дополнительным вертикальным газоходом (10), образуя дополнительный контур удаления газов (Фиг. 3). Высота каждого последующего первого канала основного контура, увеличивается по потоку газа на 16÷24% от высоты предыдущего первого канала, а высота каждого последующего второго канала дополнительного контура, увеличивается по потоку газа на 24÷26% от высоты предыдущего второго канала. Основной (9) и дополнительный (10) горизонтальные газоходы соединены с корпусной системой удаления газов (не показана).
В нижней части на внутренней поверхности продольных сторон по меньшей мере одного газосборного колпака вдоль направления движения газа установлены разделительные пластины, длина которых составляет не более 50% от высоты газосборного колпака (Фиг. 7). С каждой стороны от центральной оси газосборного колпака жестко закрепляют разделительные пластины, при этом длина каждой следующей по направлению к центральной оси колпака пластины уменьшается по отношению к предыдущей на 25-35%. Располагаются пластины симметрично относительно центральной оси колпака, что обеспечивает равные условия забора газа по длине основания колпака. Для исключения застойных зон в колпаке, количество пластин должно быть не менее двух с каждой стороны от центральной оси. Установленные таким образом разделительные пластины разбивают объем колпака на сектора (каналы) с равными скоростями в основании колпака, без образования застойных зон через которые газ не будет удаляться, обеспечивая одинаковую эффективность забора газа в центре колпака и на его периферии. Ширина каждого параллельного канала, предпочтительно, может составлять не менее 15% от длины основания колпака. Достигнутый эффект позволяет располагать колпаки между пробойниками, когда механизмы для подачи глинозема находятся вне зоны забора газов и нагрузка на них со стороны агрессивной среды минимальная.
При отличном расположении и размерах пластин эффект равномерного забора газов в основании колпака, как было неожиданно выявлено разработчиками, не достигается.
Например, увеличение длин пластин или направление их к центру колпака приводило к столкновению потоков отдельных каналов между собой и соответственно к образованию зон с положительным давлением. Газ в этом случае выбивался обратно под укрытие. Расположение пластин в вершине колпака приводило к увеличению скоростей на выходе из колпака. Как следствие, увеличивалось газодинамическое сопротивление колпака, т.е. нагрузка на газоочистные сопротивления также увеличивалась. Также увеличивалась неравномерность забора газов в основании колпака, т.к. в этом случае на входе в колпак образуются зоны с различной величиной разрежения. Кроме того, возможно образование «воздушных стен», аналогичных «воздушным стенам» в прототипе, которые препятствуют забору газов на периферии колпака.
Газосборные колпаки (4) устанавливают над коркой электролита, например, на расстоянии равном 0,5÷1,5 высоты нового анода, а высота укрытия равна 1,5÷2,0 от высоты нового анода. При увеличении высоты укрытия увеличится объем воздуха в составе удаляемых газов, для удаления газов потребуется увеличения разряжения до значений, реализуемых в существующих конструкциях электролизеров, увеличится нагрузка на газоочистные сооружения, а также величина потерь тепла. В случае уменьшения объема станет невозможным выполнение операции замены анодов.
В одном из вариантов спроектированном в процессе разработки изобретения газосборный колпак был выполнен в виде конфузора - устройства, в котором канал плавно ссужается, что увеличивает скорость удаляемых газов и уменьшает потери энергии, затрачиваемой на удаление газа. Высота колпака составила 800 мм, а длина основания 1800 мм, при ширине основания 170 мм. Разделительные пластины были закреплены на высоте 30 мм от основания колпака и направлены вдоль боковых стенок, образуя параллельные каналы для движения газов. Длина первой пластины составила 400 мм, что составляет 50% от высоты колпака. Длины второй и третьей пластины равны 260 мм и 170 мм соответственно. Форма основания колпаков прямоугольник была определена условием выполнения замены анодов и расположением механизмов питания глиноземом под укрытием, при этом колпаки закрывают все пространство в центре электролизера между анодами, за исключением пространства для работы пробойников и питателей. Ширина каждого из параллельных каналов составила 180 мм. Колпаки устанавливали на высоте 50 мм над анодами.
Устройство работает следующим образом. В межоперационный период работы электролизера газ, поступающий под укрытие электролизера (2) через отверстия в местах разрушения корки пробойниками (6), смешивается с воздухом, который попадает через не плотности укрытия и затягивается в колпаки (4) основного горизонтального газохода (9) удаления газов и далее направляется в корпусную систему удаления газов (не показано). Разделительные пластины (7) в колпаках (4) равномерно распределяют газовый поток по основанию колпаков. Равномерность распределения газовых потоков между колпаками (4) обеспечивается распределением сопротивления по длине основного горизонтального газохода (9), путем изменения высоты каналов (8) и (8') в основной газоход. Расположение колпаков (4) над коркой предпочтительно на высоте 0,5÷1,5 от высоты анода (5), между пробойниками (6), что обеспечивает величину разрежения достаточную для полного удаления газов.
При выполнении операций на электролизере, связанных с частичной разгерметизацией электролизера, под укрытие (2), затягивается воздух, который смешивается с анодными газами, образуя вертикальные и горизонтальные вихревые потоки. Направляющие элементы (3), прикрепленные к щитам укрытия с внутренней стороны, разбивают вихревые потоки и направляют их к колпакам (4). Во время выполнения операций (например при замене анодов) газ удаляется одновременно через основной (9) и дополнительный (10) газоходы. Таким образом, величина разрежения под укрытием может быть увеличена в 3÷4 раза, что достаточно для удаления газов при частичной разгерметизации укрытия. Включение и отключение основного и дополнительного газоходов выполняется известными механизмами, например шибером.
При реализации заявляемого устройства объем удаляемых газов с одного электролизера уменьшиться в 2÷4 раза за счет суммарного эффекта от уменьшения объема удаляемых газов, перераспределения потоков газа в зону забора газов и расположения колпаков вблизи выхода электролизных газов под укрытием. При этом достигается эффективность удаления газов к.п.д. =98%÷99%, в зависимости от операций, выполняемых на электролизере.
Установка колпаков под укрытием, вблизи выхода электролизных газов позволяет повысить эффективность удаления газов при меньшем объеме удаляемых газов, а указанная высота установки колпаков над коркой электролита обеспечивает возможность замены анодов без повреждения колпаков. Пластины внутри колпаков обеспечивают равномерный забор газов по длине основания колпаков.
Колпаки одновременно включены в основную и дополнительную систему удаления газов, что обеспечивает эффективное удаление газов, как в межоперационный период работы, так и при выполнении операций.
Указанный диапазон изменения высоты соединительных каналов с колпаками, обеспечивает эффективную работу всех колпаков, т.е. эффективное удаление газов по длине электролизера.
Основной и дополнительный газоход соединяются с колпаками в верхней части колпаков (в вершине конфузоров). Скорость потоков на выходе из конфузоров уже выровнена, и подключение дополнительного контура не приведет к изменению характера течения газов внутри конфузора, т.е. не повлияет на равномерность забора газов в основании колпаков. Газ перераспределяется по контурам пропорционально разрежению в контурах и площади сечений газоходов.
Расположение колпаков между пробойниками на высоте равной от 0,5 до 1,5 от высоты анода позволяет выполнять операцию замены анода без повреждения конструктивных элементов устройства для удаления газов и снижает влияние температур и абразивных частиц на работоспособность пробойников и питателей электролизера.