СИСТЕМА ГАЗООЧИСТКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩЕГО ГАЗА
GAS CLEANING SYSTEM FOR METALLURGIC PLANT AND WASTE GAS CLEANING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе газоочистки металлургической установки, содержащей, по меньшей мере, один блок газоочистки и устройство создания потока газа для создания потока отходящего газа через блок газоочистки для очистки отходящего газа.
Настоящее изобретение также относится к способу очистки отходящего газа металлургической установки с использованием системы, содержащей, по меньшей мере, одну установку газоочистки и устройство создания потока газа.
Уровень техники
Алюминий часто производят посредством электролитического процесса с использованием одной или нескольких электролитических ячеек для производства алюминия. Один из таких процессов описан в US 2009/0159434. Такие электролитические ячейки обычно содержат ванну, в которой находится некоторое содержимое, содержащее фторсодержащие минералы поверх расплавленного алюминия. Содержимое ванны контактирует с катодными электродными блоками и анодными электродными блоками. Оксид алюминия подают с регулярными интервалами в ванну через отверстия в нескольких положениях вдоль центра ячейки и между рядами анодных электродов.
При производстве алюминия таким способом образуются отходящие газы, содержащие фтороводород, диоксид серы, диоксид углерода и т.п. Эти газы необходимо удалять из электролитических ячеек для производства алюминия и обезвреживать, учитывая воздействие на окружающую среду. Кроме того, теплом, образующимся в таком электролитическом процессе, нужно некоторым образом управлять, чтобы предотвратить возникновение проблем в сопутствующем оборудовании из-за перегрева. Как описано в US 2009/0159434, один или более газовых каналов может быть использовано для отведения отходящего газа и частиц пыли из ряда параллельных электролитических ячеек и для удаления из электролитических ячеек созданного тепла, чтобы охладить ячеечное оборудование. С этой целью в газовых каналах осуществляют всасывание или создают отрицательное давление при помощи вентилятора или аналогичного устройства. Всасывание вызывает поток окружающего вентиляционного воздуха через электролитические ячейки и в примыкающих газовых каналах. Поток окружающего вентиляционного воздуха через электролитические ячейки охлаждает оборудование электролитических ячеек, поскольку отводит созданный отходящий газ и частицы пыли. Всасывание, осуществляемое вентилятором, также создает надлежащий поток газа через электролитические ячейки и газоотводные каналы для отведения отходящего газа и частиц пыли через подсоединенную далее систему газоочистки.
Система газоочистки, предпочтительно, должна обладать высокой надежностью или, в качестве альтернативы, на установке должно быть предусмотрено наличие запасных систем, поскольку остановка и повторный запуск процесса электролитического производства из-за отказа системы газоочистки могут быть слишком дорогостоящими.
Во многих случаях отходящий газ, подлежащий очистке, горячий, и охлаждение газа до того, как он поступит в систему газоочистки, может иметь преимущества с точки зрения процесса газоочистки и/или возможности извлечения энергии. В DE 19845258 раскрыта установка по производству алюминия, в которой теплообменник установлен выше по потоку от системы газоочистки для извлечения энергии.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение системы газоочистки металлургической установки, которая более эффективна в отношении затрат на эксплуатацию очистного оборудования по сравнению с известным уровнем техники.
Изложенная задача решена посредством системы газоочистки металлургической установки, содержащей:
по меньшей мере, один блок газоочистки,
устройство создания потока газа для создания потока отходящего газа через установку газоочистки для очистки газа,
теплообменник для охлаждения указанного отходящего газа и создания, непосредственно или опосредованно, нагретой текучей среды, и
приводимый в действие нагретой текучей средой приводной блок для приема нагретой текучей среды, полученной посредством указанного теплообменника, и для приведения в действие, непосредственно или опосредовано, указанного устройства создания потока газа.
Энергия, извлеченная посредством охлаждения отходящего от одной или более электролитических ячеек газа, таким образом, может быть извлечена эффективным образом и использована в качестве внутреннего источника энергии для полного или, по меньшей мере, частичного снабжения энергией устройства создания потока газа, такого как вентилятор, для создания потока отходящего газа, подлежащего очистке, через систему газоочистки. Следовательно, количество внешней энергии, необходимой для создания потока отходящего газа через систему газоочистки, может быть уменьшено. Дополнительное преимущество заключается в том, что потребность в управляющем оборудовании, необходимом для управления устройством создания потока газа, может быть снижена. Следствием такого уменьшения потребления внешней энергии и потребности в управляющем оборудовании является уменьшение капитальных затрат и текущих эксплуатационных издержек на систему газоочистки в целом. Энергия, полученная с использованием нагретой текучей среды, полученной посредством теплообменника, может иметь форму, например, механической работы, непосредственно приводящей в действие вентилятор через механический вал, или форму электроэнергии, которая может приводить в действие двигатель вентилятора. Дополнительным преимуществом рассматриваемой системы является то, что когда потребность в энергии для приведения в действие устройства создания потока газа высокая из-за образования повышенного количества отходящего газа в металлургическом процессе, количество тепла, доступного для извлечения энергии и нагревания текучей среды, также большое. Следовательно, система очистки будет, по меньшей мере частично, саморегулирующейся, когда создание теплообменником нагретой текучей среды увеличивается одновременно с увеличением потребности в энергии для создания потока отходящего газа.
В соответствии с одним из вариантов осуществления рассматриваемой системы указанный теплообменник для охлаждения указанного отходящего газа расположен выше по потоку в отношении потока отходящего газа указанного, по меньшей мере, одного блока газоочистки. Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что процесс очистки газа становится более эффективным при меньших температурах газа.
Предпочтительно, указанный, приводимый в действие нагретой текучей средой приводной блок представляет собой роторный двигатель, который снабжается энергией потока нагретой текучей среды для совершения механической работы. Следовательно, устройство создания потока газа может быть приведено в действие очень эффективным образом. Путем соединения вращаемого вала такого роторного двигателя непосредственно с устройством создания потока газа можно очень эффективным образом использовать тепловую энергию отходящего газа.
В одном из вариантов осуществления указанный приводимый в действие нагретой текучей средой приводной блок содержит вращающийся вал, соединенный с турбинным колесом для приема указанной нагретой текучей среды.
В другом варианте осуществления указанный приводимый в действие нагретой текучей средой приводной блок содержит вращающийся вал, соединенный с винтовым детандером для приема указанной нагретой текучей среды, с целью упрощения системы и снижения необходимого количества компонентов системы, например, путем исключения зубчатого редуктора и/или исключения подшипников с высокой частотой вращения (об/мин).
Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа очистки отходящего газа металлургической установки, который был бы более эффективным с точки зрения капитальных затрат на очистное оборудование и текущих издержек по сравнению со способом известного уровня техники.
Эта задача решается посредством способа очистки отходящего газа металлургической установки, содержащего:
охлаждение отходящего газа в теплообменнике;
создание нагретой текучей среды с непосредственным или опосредованным использованием тепловой энергии, извлеченной из отходящего газа посредством указанного теплообменника; и
непосредственное или опосредованное снабжение энергией устройства создания потока газа системы газоочистки посредством нагретой текучей среды для создания потока отходящего газа через, по меньшей мере, один блок газоочистки системы газоочистки, эффективного для очистки отходящего газа.
Одним из преимуществ описанного выше способа является то, что тепловая энергия, отведенная от отходящего газа в ходе его охлаждения, может быть использована для снабжения энергией устройства создания потока газа в системе газоочистки указанной установки очень эффективным образом. Кроме того, технические требования по управлению устройством создания потока газа могут быть снижены.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения им обеспечивается металлургическая установка, содержащая, по меньшей мере, один блок газоочистки и устройство создания потока газа для создания потока отходящего газа, подлежащего очистке, через блок газоочистки. Эта металлургическая установка дополнительно содержит теплообменник для охлаждения указанного отходящего газа и создания, непосредственно или опосредованно, нагретой текучей среды и приводимый в действие нагретой текучей средой приводной блок для приема нагретой текучей среды, полученной посредством указанного теплообменника, и для приведения в действие компрессора, создающего поток сжатого воздуха, используемый в качестве полезного компонента на металлургической установке.
Преимуществом этой металлургической установки является то, что, по меньшей мере, часть используемого сжатого воздуха, который применяют в качестве полезного компонента в нескольких местах в блоке газоочистки и в электрических ячейках для производства алюминия, создается с использованием внутренней тепловой энергии процесса, которую преобразуют в надлежащий поток сжатого воздуха посредством компрессора, приводимого в действие нагретой текучей средой, получаемой при охлаждении отходящего газа.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, часть потока сжатого воздуха, производимого компрессором, используют для снабжения энергией устройства создания потока газа.
В соответствии с еще одним дополнительным аспектом настоящего изобретения им обеспечивается способ очистки отходящего газа на металлургической установке. Этот способ содержит этапы охлаждения отходящего газа в теплообменнике и при создании, непосредственно или опосредованно, нагретой текучей среды с использованием тепла, извлеченного из отходящего газа в указанном теплообменнике для приведения в действие компрессора для создания потока сжатого воздуха, используемого в качестве полезного компонента на металлургической установке.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид сбоку установки по производству алюминия, снабженной системой газоочистки, по первому варианту осуществления изобретения;
Фиг. 2 представляет собой схематичный вид сбоку установки по производству алюминия, снабженной системой газоочистки, по второму варианту осуществления изобретения;
Фиг. 3 представляет собой схематичный вид сбоку установки по производству алюминия, снабженного системой газоочистки, по третьему варианту осуществления изобретения;
Фиг. 4 представляет собой схематичный вид сбоку установки по производству алюминия, снабженной системой газоочистки, соответствующей четвертому варианту осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов
осуществления изобретения
На фиг. 1 представлен схематичный вид сбоку установки по производству алюминия 1. Установка по производству алюминия 1 содержит отделение 3 с электролитическими ячейками для производства алюминия и систему 5 газоочистки. В отделении 3 электрических ячеек может быть расположено некоторое количество плавильных тиглей, также называемых электролитическими ячейками 4 для производства алюминия. Электролитические ячейки 4 располагаются в электролизную серию, как хорошо известно специалистам в данной области. На фиг. 1 для простоты и ясности изображена только одна электролитическая ячейка 4, однако, следует понимать, что в отделении 3 электролитических ячеек обычно находится от 50 до 200 электролитических ячеек.
Электролитическая ячейка 4 для производства алюминия содержит некоторое количество анодных электродов 6, обычно, от шести до тридцати анодных электродов, обычно, расположенных двумя параллельными рядами, проходящими вдоль длины ячейки 4 и проходящими в содержимое 8а ванны 8. В ванне 8 также расположен один или более катодных электродов 10. Процесс, осуществляемый в электролитической ячейке 4, может представлять собой хорошо известный процесс Холла-Эру, в ходе которого оксид алюминия растворяют в расплаве фторсодержащих минералов и подвергают электролизу для образования алюминия. Следовательно, электролитическая ячейка 4 функционирует как ячейка электролиза. Порошкообразный оксид алюминия подают в электролитическую ячейку 4 через загрузочное устройство 12, интегрированное в верхнюю часть конструкции 12а электролитической ячейки 4. Порошкообразный оксид алюминия подают в ванну 8 посредством подающих устройств, из которых на фиг. 1 показано только одно подающее устройство 14.
В ходе процесса электролиза, осуществляемого в электролитической ячейке 4, создается большое количество тепла, частиц пыли и отходящего газа, содержащего, помимо других компонентов, фтороводород, диоксид серы и диоксид углерода. По меньшей мере, над частью ванны 8 находится колпак 16, образующий внутреннюю область 16а. Всасывающий канал 18 соединен по текучей среде с внутренней областью 16а посредством колпака 16. Аналогичные всасывающие каналы 18 от каждой параллельной электролитической ячейки 4 соединены по текучей среде с каналом 20 сбора.
Устройство создания потока газа, обычно в форме вентилятора 22, соединено по текучей среде с каналом 20 сбора посредством соединенного по текучей среде всасывающего канала 24. Первичный теплообменник 26 соединен по текучей среде с всасывающим каналом 24 для охлаждения проходящего по нему отходящего газа и отведения тепловой энергии. Вентилятор 22 всасывает, по всасывающему каналу 24, каналу 20 сбора и всасывающему каналу 18 отходящий газ из внутренней области 16а колпака 16. Таким образом, отходящий газ выводится через первичный теплообменник 26 и блок 28 газоочистки системы 5 газоочистки, как показано стрелкой внутри канала 24 на фиг. 1. Перед поступлением в блок 28 газоочистки, отходящий газ охлаждается в теплообменнике 26. Как показано на фиг. 1, вентилятор 22 расположен, предпочтительно, ниже по потоку относительно потока технологического газа блока 28 газоочистки и создает в блоке 28 газоочистки отрицательное давление. Однако, в качестве альтернативы, вентилятор 22 может быть расположен выше по потоку относительно потока технологического газа блока 28 газоочистки и создавать в ней положительное давление. Вентилятор 22, посредством соединения по текучей среде с всасывающим каналом 24, каналом 20 сбора и всасывающим каналом 18, создает всасывание во внутренней области 16а колпака 16. В результате такого всасывания некоторое количество окружающего воздуха втягивается во внутреннюю область 16а, главным образом, через отверстия, сформированные между дверцами 15 в боковых стенках, некоторые из которых на фиг. 1 отсутствуют, чтобы яснее показать анодные электроды 6. Некоторое количество окружающего воздуха также попадает во внутреннюю область 16а через другие отверстия, такие как отверстия между крышками (не показаны) и панелями (не показаны), образующими колпак 16 и верхнюю часть структуры 12а электролитической ячейки 4. Окружающий воздух, втянутый во внутреннюю область 16а при помощи вентилятора 22, охлаждает внутренние структуры электролитической ячейки 4, включая, например, анодные электроды 6, а также захватывает газы и частицы пыли, полученные в ходе электролиза оксида алюминия. Таким образом, отходящий газ, выводимый из внутренней области 16а, содержит захваченную смесь окружающего воздуха, частиц пыли и газов, таких как фтороводород, диоксид серы и диоксид углерода, полученных в ходе электролитического процесса.
2
Система 5 газоочистки содержит блок 28 газоочистки, в котором осуществляется очистка отходящего газа перед тем, как он будет выпущен в атмосферу. Блок 28 газоочистки содержит контактный реактор 30, в котором отходящий газ смешивают с абсорбентом, обычно, свежим оксидом алюминия, который позднее используют в процессе производства алюминия. Оксид алюминия вступает в реакцию с некоторыми компонентами отходящего газа, в частности, фтороводородом, HF, и диоксидом серы, SO. Продукты реакции в форме частиц, сформированных в результате реакции оксида алюминия с фтороводородом и диоксидом серы, затем отделяют от отходящего газа посредством устройства удаления пыли, такого как электростатический осадитель или тканевый фильтр 32, соединенного с контактным реактором 30 и формирующего часть блока 28 газоочистки. Помимо удаления из отходящего газа фтороводорода и диоксида серы, в блоке 28 газоочистки, благодаря наличию тканевого фильтра 32, также происходит отделение, по меньшей мере, части частиц пыли, захваченных отходящим газом из внутренней области 16а. Один из примеров такого пригодного блока 28 газоочистки описан более подробно в US 4501599. Очищенный отходящий газ из блока 28 газоочистки под действием вентилятора 22 поступает в соединенную по текучей среде с ней дымовую трубу 34 и выбрасывается в атмосферу. Необязательно, система 5 газоочистки может быть оборудована устройством для удаления диоксида углерода из очищенного отходящего газа перед тем, как он будет выпущен в атмосферу.
Система 5 газоочистки может содержать один или более параллельных блоков 28 газоочистки. Вентилятор 22, предпочтительно, располагают ниже по потоку относительно потока отходящего газа каждого блока 28 газоочистки для создания отрицательного давления в блоке 28 газоочистки. Следовательно, установка по производству алюминия может содержать несколько вентиляторов 22, чтобы активно отводить отходящий газ через каждый из блоков 28 газоочистки.
Первичный теплообменник 26, который в указанном примере представляет собой газожидкостный теплообменник, расположен в канале 24 выше по потоку относительно потока отходящего газа блока 28 газоочистки. Однако первичный теплообменник 26, в качестве альтернативы также может ниже располагаться по потоку относительно потока отходящего газа блок 28 газоочистки. Охлаждающую среду, например, в форме воды, масла, гликолево-водной смеси, органического соединения, аммиака и т.д., подают в теплообменник 26 посредством соединенной по текучей среде трубы 36 подачи. Теплообменник 26 соединен по текучей среде с вторичным теплообменником 38, который составляет часть генерирующей энергию системы 40, выполненной для генерирования механической работы, используемой для приведения в действие вентилятора 22, как описано далее в данном документе. В первичном теплообменнике 26 охлаждающая среда нагревается горячим отходящим газом, проходящим через первичный теплообменник 26. Нагретая охлаждающая среда циркулирует из первичного теплообменника 26 в соединенный по текучей среде вторичный теплообменник 38 посредством соединенной по текучей среде трубы 42 подачи. Нагретая охлаждающая среда затем охлаждается циркуляцией через вторичный теплообменник 38 перед тем, как ее насосом 44 обратно закачивают в первичный теплообменник 26 по трубе 36. Следовательно, охлаждающая среда циркулирует в первом контуре, в который входит первичный теплообменник 26, вторичный теплообменник 38 и соединенные по текучей среде трубы 36 и 42, посредством насоса 44. Например, охлаждающая среда может циркулировать через первичный теплообменник 26 в направлении противотока, прямотока или перекрестного тока относительно потока проходящего через него отходящего газа. Часто является предпочтительным, чтобы охлаждающая среда циркулировала через теплообменник 26 в противотоке с потоком отходящего газа для получения максимальной теплопередачи от отходящего газа к охлаждающей среде до того, как отходящий газ и охлаждающая среда покинут теплообменник 26. Обычно температура охлаждающей среды на входе в первичный теплообменник 26 через трубу 36 составляет от 40° до 100°С. Температура отходящего газа, отводимого из внутренней области 16а по всасывающему каналу 18, может, обычно, составлять от 90° до 200°С, однако его температура также может достигать 300°С или быть даже выше, до 400°С. В первичном теплообменнике 26 отходящий газ охлаждается до температуры, обычно, от 70°С до 130°С. Поскольку отходящий газ охлаждается, температура охлаждающей среды увеличивается до, обычно, от 60° до 110°С или даже более. Следовательно, нагретая охлаждающая среда с температурой от 60° до 110°С или даже до 270°С, например, протекает из теплообменника 26 по трубе 42.
Охлаждающая среда, протекающая из первичного теплообменника 26 по трубе 42, циркулирует во вторичный теплообменник 38, где тепловая энергия передается от нагретой охлаждающей среды к рабочей текучей среде, генерирующей энергию системы 40.
Генерирующая энергию система 40 содержит вторичный теплообменник 38, приводимый в действие нагретой текучей средой приводной блок в форме турбины 46, и конденсатор 52, которые соединены по текучей среде друг с другом посредством соединенных по текучей среде труб 48, 54 и 56 соответственно. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, нагретая текучая среда представляет собой пар, образовавшийся вследствие испарения жидкости в теплообменнике 38, и турбина 46, следовательно, проводится в действие паром. Генерирующая энергию система 40 дополнительно содержит насос 58, предназначенный для циркуляции рабочей жидкости, генерирующей энергию системы 40 во втором контуре, который содержит вторичный теплообменник 38, турбину 46, конденсатор 52 и трубы 48, 54, 56.
В этом варианте осуществления изобретения генерирующая энергию система 40 основывается на органическом цикле Ренкина. В таком цикле Ренкина в качестве рабочей среды используют органическую текучую среду с фазовым переходом жидкость-пар, или температурой кипения, происходящим при более низкой температуре, чем фазовый переход жидкость-пар у воды. Такая текучая среда в данном случае является предпочтительной, поскольку позволяет улучшить извлечение тепловой энергии от низкотемпературных источников по сравнению с традиционным циклом Ренкина, в котором в качестве рабочей среды используется вода. В качестве альтернативы органической текучей среде в качестве рабочей среды в цикле Ренкина также можно использовать, например, аммиак или смесь аммиака с водой, чтобы повысить эффективность по сравнению с циклом Ренкина, в котором используют только воду.
Предпочтительно, рабочая текучая среда генерирующей энергию системы 40, используемая в соответствии с циклом Ренкина, имеет температуру кипения менее 60°С. Примерами текучих сред, пригодных для использования в качестве рабочей среды в генерирующей энергию системе 40, являются аммиак, пропан и диоксид углерода.
Относительно низкотемпературное тепло отходящего газа, поступающего из внутренней области 16а колпака 16 посредством описанного выше цикла Ренкина, такого как органический цикл Ренкина, преобразуется в полезную работу непосредственно или опосредованно используемую для выработки электричества. Принцип органического цикла Ренкина тот же, что и у традиционного цикла Ренкина, то есть рабочая текучая среда перекачивается в бойлер, в данном случае - вторичный теплообменник 38, где оно испаряется для создания пара. Испаренная рабочая текучая среда затем проходит через турбину, в данном случае - турбину 46, и, наконец, повторно конденсируется, для образования жидкости, в конденсаторе 52.
Рассмотрим более подробно фиг. 1; рабочая текучая среда испаряется во вторичном теплообменнике 38, используя тепло, передаваемое от нагретой охлаждающей среды первого контура, то есть, тепло от отходящего газа. Испаренная текучая среда, то есть пар, имеющий первое давление, протекает посредством соединенной по текучей среде трубы 48 из вторичного теплообменника 38 в турбину 46. Пар входит в турбину 46 под уменьшением давления пара до второго давления. Пар, имеющий второе давление, которое меньше первого, при соответствующем увеличении объема пара, служит для вращения турбины 46. Затем пар, под вторым давлением, протекает по соединенной по текучей среде трубе 54 в конденсатор 52. В конденсаторе 52 рабочая текучая среда охлаждается посредством окружающего воздуха или другой пригодной охлаждающей среды, такой как морская вода, вызывая конденсацию рабочей текучей среды для образования жидкости, которая снова посредством насоса 58 и соединенной по текучей среде трубы 56, циркулирует во вторичный теплообменник 38.
Вращательное движение турбины 46 представляет собой реализованную механическую работу, приводящую в действие вентилятор 22 посредством взаимно соединенного вала 50 турбины. Таким образом, вентилятор 22 снабжается энергией для создания потока отходящего газа, подлежащего очистке, из внутренней области 16а колпака 16 в первичный теплообменник 26, блок 28 газоочистки и дымовую трубу 34 по каналам 18, 20 и 24 соответственно. Следовательно, тепловая энергия от отходящего газа используется для создания пара, пригодного для подвода энергии к вентилятору 22 посредством приводимого в действие нагретой текучей средой приводного блока, содержащего турбину 46 и вал 50 турбины.
Вал 50 турбины может быть соединен с вентилятором 22 посредством зубчатого редуктора (не показан), чтобы уменьшить частоту вращения (об/мин), требуемую валом 50 турбины, до частоты вращения, необходимой для лопастного колеса 22а вентилятора 22. Скорость вращения вала 50 турбины может составлять, например, около 20000 об/мин. Лопастное колесо 22а вентилятора, обычно, функционирует в интервале от 500 до 3000 об/мин.
Помимо одного или более вентиляторов 22, приводимых в действие с использованием тепловой энергии, отведенной от отходящего газа в соответствии с принципами, описанными выше со ссылкой на фиг. 1, система газоочистки может содержать один или более дополнительных вентиляторов, приводимых в действие с использованием традиционного внешнего источника энергии, такой как электроэнергия государственной энергетической системы. В качестве альтернативы такие дополнительные вентиляторы могут приводиться в действие газовым или дизельным топливом. Такие дополнительные вентиляторы в ходе нормального функционирования установки могут находиться в дежурном режиме и, таким образом, могут быть задействованы только на стадии пуска или повторного пуска установки. Таким образом, установка по производству алюминия может содержать один или более дополнительных вентиляторов для обеспечения высоконадежной системы газоочистки и для обеспечения достаточной вентиляции внутренней области 16а колпака 16 на стадии пуска или повторного пуска установки по производству алюминия.
Фиг. 2 представляет собой схематичный вид сбоку установки 101 по производству алюминия, по второму варианту осуществления изобретения. Многие отличительные особенности установки 101 по производству алюминия аналогичны отличительным особенностям установки 1 по производству алюминия, и подобным элементам на фиг. 2 присвоены те же ссылочные позиции, что и на фиг. 1. Генерирующая энергию система 140 отличается от генерирующей энергию системы 40, представленной на фиг. 1, тем, что турбина 46 снабжена вторым валом 151 турбины, соединенным с вентилятором 153 конденсатора 152. Вентилятор 153 предназначен для создания потока окружающего воздуха через конденсатор 152, как показано стрелками на фиг. 2. Окружающий воздух протекает через конденсатор 152 для охлаждения рабочей среды в соответствии с теми же принципами, что были изложены ранее в отношении конденсатора 52 фиг. 1. Следовательно, тепловую энергию, извлеченную от отходящего газа, используют для снабжения энергией конденсатора 152. По сравнению с генерирующей энергию системой 40, представленной на фиг. 1, генерирующая энергию система 140 обеспечивает двойную функцию, приводя в действие вентилятор 22, как описано выше, посредством первого вала 150 турбины и приводя в действие вентилятор 153 конденсатора 152 посредством второго вала 151 турбины.
Фиг. 3 представляет собой схематичный вид сбоку установки 201 по производству алюминия, по третьему варианту осуществления изобретения. Многие отличительные особенности установки 201 по производству алюминия аналогичны отличительным особенностям установки 1 по производству алюминия, и подобным элементам на фиг. 3 присвоены те же ссылочные позиции, что и на фиг. 1. В варианте осуществления, представленном на фиг. 3, генерирующая энергию система 240 отличается от генерирующей энергию системы 40, представленной на фиг. 1, тем, что вал 250 турбины соединенный с турбиной 46, соединен с электрогенератором 258 для преобразования механической энергии в электроэнергию вместо механического соединения с вентилятором 22, как описано в отношении вентилятора 22 на фиг. 1. Электроэнергия, генерируемая электрогенератором 258, протекает по кабелю 259 на электродвигатель 260, который механически приводит в действие вентилятор 222 посредством зубчатого редуктора 262 и вала 264. Следовательно, тепловая энергия, извлекаемая от горячего отходящего газа, в этом варианте осуществления преобразуется в электроэнергию, используемую для приведения в действие вентилятора 222 при помощи электродвигателя 260.
В качестве альтернативы электроэнергия, вырабатываемая генератором 258, может поступать в энергетическую сеть, соединенную с двигателем вентилятора 222.
Фиг. 4 представляет собой схематичный вид сбоку установки 301 по производству алюминия, соответствующего четвертому варианту осуществления изобретения. Многие отличительные особенности установки 301 по производству алюминия аналогичны отличительным особенностям установки 1 по производству алюминия, и подобным элементам на фиг. 4 присвоены те же ссылочные позиции, что и на фиг. 1. Генерирующая энергию система 340 отличается от генерирующей энергию системы 40, представленной на фиг. 1, тем, что в ней имеется первичный теплообменник 326, но отсутствует вторичный теплообменник. Рабочую среду, например, в форме воды, масла, гликолево-водной смеси, органического соединения, аммиака и т.д., подают в теплообменник 326 посредством соединенной по текучей среде трубы 336 подачи. В первичном теплообменнике 326 рабочая среда нагревается и испаряется благодаря теплу горячего отходящего газа, проходящего через первичный теплообменник 326. Испаренная рабочая среда, то есть пар, имеющий первое давление, протекает по соединенной по текучей среде трубе 342 из теплообменника 326 в приводимый в действие паром приводной блок в форме винтового детандера 346. Винтовой детандер 346 может представлять собой, например, двухвинтовой детандер типа, показанного на фиг. 6-9 документа US 7637108 В1. В качестве альтернативы винтовому детандеру 346, приводимый в действие паром приводной блок генерирующей энергию системы 340 может представлять собой турбину, приводимую в действие паром. Возвратимся к фиг. 4 настоящей заявки; пар проходит винтовой детандер 346 под уменьшением давления пара до второго давления. Пар, имеющий второе давление, которое меньше первого, при соответствующем увеличении объема пара, служит для вращения винтового детандера 346. Затем пар, имеющий второе давление, по соединенной по текучей среде трубе 54 протекает в конденсатор 52. В конденсаторе 52 рабочую среду охлаждают посредством окружающего воздуха или другой подходящей рабочей средой, такой как морская вода, в результате чего рабочая среда конденсируется, для образования жидкости, которую снова, посредством насоса 344 по соединенной по текучей среде трубе 336 циркулируют в теплообменник 326.
Винтовой детандер 346 соединен с валом 350 винтового детандера. Вращательное движение винтового детандера 346 представляет собой реализованную механическую работу, которая приводит в действие воздушный компрессор 358 посредством взаимно соединенного вала 350. Воздушный компрессор 358 сжимает воздух атмосферного давления, поступающий в компрессор 358 по соединенной по текучей среде трубе 359, и создает поток сжатого воздуха, обычно, с давлением на 2-15 бар выше атмосферного. Полученный таким образом поток сжатого воздуха представляет собой полезный компонент, который может быть использован в различных местах установки 301 по производству алюминия. Например, по меньшей мере, часть потока сжатого воздуха может быть направлена из компрессора 358 по соединенной по текучей среде трубе 361 в турбину 360 привода. В турбине 360 привода поток сжатого воздуха расширяется и заставляет турбину 360 вращаться. После расширения в турбине 360 привода воздух выпускают в окружающую среду по трубе 362. Трубина 360 провода соединена с валом 364 турбины привода. Вращательное движение турбины 360 привода представляет собой реализованную механическую работу, приводящую в действие вентилятор 22 посредством взаимно соединенного вала 364. Таким образом, к вентилятору 22 подводят энергию для создания потока отходящего газа, подлежащего очистке, из внутренней области 16а колпака 16 в первичный теплообменник 326, блок 28 газоочистки и дымовую трубу 34 по каналам 18, 20 и 24 соответственно. Следовательно, тепловая энергия от отходящего газа используется для создания пара, пригодного для снабжения энергией вентилятора 22 посредством приводимого в действие паром приводного блока, содержащего турбину 346, компрессор 358 и турбину 360 привода.
Необязательно, труба 370 может быть соединена по текучей среде с трубой 361, чтобы подавать часть потока сжатого воздуха, создаваемого компрессором 358, другим потребителям сжатого воздуха внутри установки 301 по производству алюминия. Одним из примеров потребителей сжатого воздуха является устройство удаления пыли, которое может представлять собой тканевый фильтр 32. В тканевом фильтре сжатый воздух может быть использован для удаления собранной пыли из фильтровальных мешков, как хорошо известно, например, из US 4336035. В качестве дополнительной возможности труба 372 может быть соединена по текучей среде с трубой 361 для направления части потока сжатого воздуха, создаваемого компрессором 358, в электролитическую ячейку 4 для производства алюминия и в другие места установки 301 по производству алюминия, где он может использоваться, например, уплотняющий поток воздуха, управляющий поток воздуха пневматического устройства и т.д.
Следует понимать, что в рамках объема прилагаемой формулы изобретения возможны многочисленные модификации описанных выше вариантов осуществления изобретения.
Ранее со ссылкой на фиг. 1-4 было указано, что теплообменник 26, 326 выполнен в канале 24 для охлаждения отходящего газа до поступления отходящего газа в блок 28 газоочистки. Следует понимать, что теплообменник 26, 326 в качестве альтернативы может быть выполнен в других местах системы 5 газоочистки. Например, теплообменник 26, 326 может быть установлен во всасывающем канале 18 или в канале 20 сбора. Кроме того, теплообменник 26, 326 может быть выполнен ниже по потоку относительно потока отходящего газа блока 28 газоочистки, например в дымовой трубе 34. Такое положение ниже по потоку все же может быть полезным для отведения энергии к вентилятору 22, хотя преимущества, получаемые при очистке охлажденного отходящего газа в блоке 28 газоочистки, будут меньше или даже будут утрачены.
Ранее указано, что металлургическая установка представляет собой установку 1 по производству алюминия. Следует понимать, что металлургическая установка также может представлять собой установку любого типа. Например, металлургическая установка также может быть электродуговой печью (EAF), в которой расплавляют металлолом при производстве стали. Отходящий газ, который может иметь температуру примерно 100-1500°С, извлекают из колпака EAF по соединенному по текучей среде вытяжному каналу и охлаждают перед очисткой в блоке газоочистки. Теплообменник 26, 326 может быть установлен в вытяжном канале для создания нагретой текучей среды, которая может быть использована в турбине или винтовом детандере для приведения в действие, например, устройства 22 создания потока газа или компрессора 358.
В описанных ранее вариантах осуществления изобретения генерирующая энергию система 40, 140, 240, 340 основана на органическом цикле Ренкина или цикле Ренкина с использованием, например, аммиака или смеси аммиака с водой в качестве рабочей среды. Предусматривается, что вместо этого генерирующая энергию система может основываться на традиционном паровом цикле Ренкина, цикле Стирлинга или других процессах, пригодных для преобразования тепловой энергии, из теплообменника 26, 326, в механическую работу или электроэнергию, используемую для приведения в действие вентилятора и т.п. К дополнительным примерам термодинамических принципов и способов преобразования низкотемпературного тепла отходящего газа в механическую работу относится цикл Калина, транс-критический цикл Ренкина и цикл Брайтона. Цикл Брайтона включает нагревание сжатого газа, такого как воздух, причем такое нагревание осуществляют, например, в теплообменнике 26, 326, последующее расширение нагретого и сжатого воздуха, например, в турбине 46 или винтовом детандере 346.
Выше было указано, что тепло, полученное при охлаждении отходящего газа, используют для получения, непосредственно или опосредованно, нагретой текучей среды в форме пара, который используют для работы приводимого в действие паром приводного блока, такого как турбина 46 или винтовой детандер 346. В качестве альтернативы также возможно использовать тепло, полученное при охлаждении отходящего газа, для нагревания рабочей текучей среды, которая с самого начала является газом, таким как воздух, получая, таким образом, нагретую текучую среду в форме нагретого газа, а именно, воздуха. Расширение нагретого газа затем приводит в действие, например, турбину или винтовой детандер. Примером этого термодинамического принципа является упомянутый ранее цикл Брайтона, в котором рабочая среда является газом, таким как воздух, который никогда не конденсируется. В соответствии с дополнительной альтернативой тепло, полученное при охлаждении отходящего газа, может быть использовано для нагревания рабочей текучей среды, на протяжении всего цикла находящейся в жидком состоянии, генерируя, таким образом, нагретую текучую среду в форме нагретой жидкости. Примером такой жидкости является вода. При использовании отходящего газа для нагревания воды в герметизированной емкости, вследствие расширения воды ее давление увеличивается. С такой емкостью может быть соединена водяная турбина, поток воды из емкости, вызываемый расширением воды вследствие нагревания, приводит в действие водяную турбину. Целесообразно размещать параллельно две или более емкости для достижения достаточно постоянного потока нагретой воды из первой и второй емкостей попеременно. Этот способ использования тепла для создания потока нагретой воды иногда именуют принципом теплового насоса. Тогда тепловой насос, следовательно, должен быть соединен с приводимой в действие нагретой жидкостью турбиной или винтовым детандером, которые снабжают энергией вентилятор 22 и/или компрессор 358, в зависимости от конкретного случая. Как уже указывалось, тепло, полученное при охлаждении отходящего газа, может быть использовано для нагревания среды для создания нагретых текучих сред различных типов, включая пар, нагретый газ и нагретую жидкость, при этом такие нагретые текучие среды используют для приведения в действие приводимого в движение нагретой текучей средой приводного блока, такого как турбина 46 или винтовой детандер 346.
Выше описывалось, что первый и второй контуры используются по отношению к первичному и вторичному теплообменнику 26, 38 соответственно. Следует понимать, что система газоочистки, в качестве альтернативы может быть снабжена только одним теплообменником, в котором тепловая энергия отходящего газа непосредственно отводится к рабочей среде, которая испаряется и затем поступает в турбину или винтовой детандер, как описано со ссылкой на фиг. 4. Такая рабочая среда может представлять собой воду, аммиак, диоксид углерода или органическую рабочую текучую среду, такую как пропан и органические текучие среды, обычно используемые в тепловых насосах и холодильных установках. Однако из соображений безопасности часто является предпочтительным наличие первого и второго контура, как описано выше, из которых первый контур функционирует без испарения. Следовательно, в варианте осуществления изобретения, описанном со ссылкой на фиг. 4, также возможно в качестве альтернативного варианта использовать первичный и вторичный теплообменники 26, 38, размещенные в первом и втором контурах в соответствии с принципами, описанными со ссылкой на фиг. 1. В соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления может оказаться возможным использование, если нужно, третьего и даже четвертого контура. Таким образом, нагретая текучая среда, снабжающая энергией приводимый в действие нагретой текучей средой приводной блок, такой как турбина 46 или винтовой детандер 346, может быть получена непосредственно в теплообменнике 326, как показано на фиг. 4, или, опосредованно, в теплообменнике 38, как показано на фиг. 1-3.
В вариантах осуществления изобретения, иллюстрируемых фиг. 1-3, генерирующая энергию система содержит приводимый в действие паром приводной блок в форме турбодетандера. В качестве альтернативы генерирующая энергию система вместо этого может содержать винтовой детандер, например двухвинтовой детандер типа, показанного на фиг. 6-9 патента US 7637108 В1.
В отношении варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 4, было указано, что вентилятор 22 снабжается энергией посредством, по меньшей мере, части потока сжатого воздуха, создаваемого компрессором 358, который приводится в действие турбиной 346. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления, вентилятор 22 может приводиться в действие другим способом, например, электричеством или механическим валом турбины, аналогично описанному выше со ссылкой на любую из фиг. 1-3. В таком случае весть поток сжатого воздуха, создаваемый компрессором 358, может быть использован в качестве полезного компонента в различных других местах установки 301 по производству алюминия.
Способ использования системы 5 газоочистки, показанной на фиг. 1, содержит отведение отходящего газа из внутренней области 16а колпака 16 электролитической ячейки 4 и перемещение его через блок 28 газоочистки по соединенным по текучей среде каналам 24, 20 и 18 посредством вентилятора 22. При прохождении через теплообменник 26, соединенный по текучей среде с каналом 24, тепловая энергия передается от отходящего газа к охлаждающей среде, циркулирующей по первичному теплообменнику 26 посредством насоса 44 и соединенным по текучей среде трубам 36, 42. Тепловая энергия, поглощенная при этом охлаждающей средой, направляется во вторичный теплообменник 38. Во вторичном теплообменнике 38 тепловая энергия передается от охлаждающей среды к рабочей текучей среде, вызывая испарение рабочей текучей среды и образование, таким образом, нагретой текучей среды. Пар поступает из вторичного теплообменника 38 в турбину 46 по соединенной по текучей среде трубе 48. В турбине 46 пар расширяется, заставляя турбину 46 вращаться. Расширение пара обусловлено конденсацией пара в конденсаторе 52, соединенном по текучей среде с турбиной 46 трубой 54. Поток воды, окружающего воздуха или другой пригодной среды направляют через конденсатор 52, чтобы вызвать охлаждение и конденсацию пара. Сконденсировавшийся таким образом в конденсаторе 52 пар возвращают во вторичный теплообменник 38 посредством соединенной по текучей среде трубы 56 и насоса 58 для получения следующей порции тепловой энергии. Вращение турбины 46 передается вентилятору 22 по взаимно соединенному валу 50 турбины, вследствие чего вентилятор вращается. Результатом такого вращения вентилятора 22 является поток отходящего газа через блок 28 газоочистки, а также через первичный теплообменник 26, таким образом, обеспечивается непрерывная подача тепловой энергии в турбину 46 через теплообменники 26 и 38 и охлаждающую и рабочую среды, циркулирующие в них.
Способ использования системы газоочистки, иллюстрируемый фиг. 2, включает, в принципе, те же стадии, что и способ, описанный ранее со ссылкой на фиг. 1, с дополнительной отличительной особенностью, заключающейся в том, что вращение турбины 46 передается, посредством взаимно соединенного второго вала 151 турбины, вентилятору 153 конденсатора 152. Результатом такой передачи вращения от турбины 46 к вентилятору 153 является то, что вентилятор 153 вращается и создает поток окружающего воздуха через конденсатор 152. В результате достигается вызванная потоком воздуха конденсация пара, направляемого через конденсатор 152 после турбины 46 по соединенной по текучей среде трубе 54.
Способ использования системы газоочистки, иллюстрируемый на фиг. 3, включает, в принципе, те же стадии, что и способ, описанный ранее со ссылкой на фиг. 1, с дополнительной отличительной особенностью, заключающейся в том, что вращение турбины 46 передается, посредством взаимно соединенного вала 250 турбины, к электрогенератору 258, который приводится во вращение. В результате такого вращения генератор 258 вырабатывает электричество. Полученное таким образом электричество подают по кабелю 259 на электродвигатель 260, который механически, через зубчатый редуктор 262 и вал 264, приводит в действие вентилятор 22, для создания потока отходящего газа через блок 28 газоочистки, а также через первичный теплообменник 26, таким образом, обеспечивается непрерывная подача тепловой энергии в турбину 46 через теплообменники 26 и 38 и охлаждающую и рабочую среды, циркулирующие в них.
Способ использования системы газоочистки, иллюстрируемый на фиг. 4, включает, в принципе, те же стадии, что и способ, описанный ранее со ссылкой на фиг. 1, с дополнительной отличительной особенностью, заключающейся в том, что вращение винтового детандера 346 передается, посредством взаимно соединенного вала 350 турбины, к компрессору 358, который приводится во вращение. В результате такого вращения компрессор 358 создает поток сжатого воздуха. Полученный таким образом поток сжатого воздуха используют в качестве полезного компонента на установки 301 по производству алюминия. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, часть потока сжатого воздуха может быть подана по соединенной по текучей среде трубе 361 в турбину 360 привода, которая механически, посредством взаимно соединенного вала 364, приводит в действие вентилятор 22 для создания потока отходящего газа через блок 28 газоочистки, а также через первичный теплообменник 326, таким образом, обеспечивается непрерывная подача тепловой энергии в турбину 346 через теплообменник 326 и рабочую среду, циркулирующую в нем. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, часть потока сжатого воздуха может быть передана по соединенным по текучей среде трубам 340, 372 на другие участки установки 301 по производству алюминия для использования в качестве полезного компоненте, например, в блоке 28 газоочистки и/или в электролитической ячейке 4 для производства алюминия.
Подведем итоги; система 5 газоочистки металлургической установки включает, по меньшей мере, один блок 28 газоочистки и устройство 22 создания потока газа для создания потока отходящего газа, подлежащего очистке, через блок 28 газоочистки. Система 5 газоочистки дополнительно включает в себя теплообменник 26 для охлаждения указанного отходящего газа и для создания нагретой текучей среды и приводимый в действие нагретой текучей средой приводной блок 46 для приема нагретой текучей среды, генерируемой в указанном теплообменнике 26, и для приведения в действие указанного устройства 22 создания потока газа.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на ряд предпочтительных вариантов его осуществления, специалистам в данной области понятно, что возможны многочисленные изменения и замена элементов на эквивалентные без отступления от объема изобретения. Кроме того, множество модификаций может быть произведено для приспособления конкретной ситуации или материала к принципам настоящего изобретения без отступления от его сущности. Следовательно, подразумевается, что изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления, описанными в качестве лучших вариантов, предусматриваемых для его реализации, напротив, изобретение включает все варианты своего осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, использование терминов первый, второй и т.д. не означает какого-либо порядка или важности, напротив, термины первый, второй и т.д. использованы для того, чтобы отличать один элемент от другого.